WO2013045230A1 - Method for the production of a solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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WO2013045230A1
WO2013045230A1 PCT/EP2012/067207 EP2012067207W WO2013045230A1 WO 2013045230 A1 WO2013045230 A1 WO 2013045230A1 EP 2012067207 W EP2012067207 W EP 2012067207W WO 2013045230 A1 WO2013045230 A1 WO 2013045230A1
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Carsten Schuh
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a solid electrolyte fuel cell according to the preamble of An ⁇ claim 1.
  • Generic solid electrolyte fuel cells are from the
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • a gaseous fuel supplied to an anode oxidizes, resulting in a release of electrons that flow through the external load and reduce oxygen at a cathode.
  • the charge flow in the external circuit is compensated by an ion transport in the electrolyte.
  • oxygen is dissociated from the air at the cathode and converted into oxygen ions which migrate through the electrolyte and react with the fuel at the interface between the anode and the electrolyte.
  • a oxidke ⁇ ramische fuel cell operates with an operating temperature above 500 ° C, at which a coming therein for use solid electrolyte has a sufficient ionic conductivity for oxygen ions.
  • solid electrolyte batteries and solid electrolyte fuel cells have some similarities. Therefore, in addition, the term solid electrolyte fuel cell both a solid electrolyte fuel cell ⁇ material itself and the rechargeable concept is understood egg ner solid electrolyte battery.
  • Contact and protective layers is currently a layered structure
  • Deposition by means of aerosol deposition can avoid these disadvantages of a high process temperature.
  • the deposition by means of aerosol deposition for producing a Fuel cell for example from scripture "Anode Supported SOFC with GDC Barrier Layer Deposited by Aerosol Deposition Method, Proceedings of the ASME 2010, 8th Interna ⁇ tional Fuel Cell Science, Engineering and Technology Confer- ence, S.351-357", as well as from
  • the layers described in this prior art are due to their composition and tightness unge ⁇ is, the migration of atomic chromium from the alloy of the interconnector plate countries ⁇ to verhin in the fuel cell.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method for producing a solid electrolyte fuel cell, with which the layer structures can be produced at lower process temperatures, at the same time the formation of a suitable chromium vapor barrier layer is to be made possible.
  • This object is achieved by a manufacturing method having the features of patent claim 1.
  • a method for producing a solid electrolyte fuel cell is provided to generate at least a component for Bil ⁇ dung of the solid electrolyte fuel cell by layering on a respective substrate.
  • an aerosol deposition method is used for layer formation, wherein aerosol particles adapted to the respective layer are used and wherein an optional tempering takes place for setting a respective microstructure of the layer.
  • an aerosol deposition takes place without subsequent heat treatment, ceramics in a spinel structure being used as aerosol particles.
  • the spinel structures deposited by an aerosol deposition process prove to be sufficiently dense to inhibit migration of chromium atoms through the layer.
  • an additional use of an aerosol deposition method for layer formation is provided for different layers of a preferably planar solid electrolyte fuel cell.
  • the method provides for a very low process and substrate temperature, for example at room temperature or to only about 300 ° C before.
  • the aerosol deposition process has been significantly developed by the Japanese Research Institute AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) and is also known by the acronym ADM (Aerosol Deposition Method).
  • the aerosol deposition method used sub-ym-powder particles, of which first dispersed in a carrier gas such as 0 2, N 2, Ar, He, air, etc. to form an aerosol ⁇ the.
  • the aerosol is finally transported via a nozzle into a Un ⁇ tertikhunt and thereby via a Druckdiffe- highly accelerated to eventually strike a substrate.
  • a carrier gas such as 0 2, N 2, Ar, He, air, etc.
  • both high-density and porous ceramic layers or metallic layers with thicknesses between approximately 1 and 500 ⁇ m can be deposited on different substrates.
  • This optional process step of annealing thus offers a spectrum for the layer formation of high-density, fine to coarse-grained layers up to highly porous, multi-phase composite structures.
  • the method according to the invention makes it possible to produce both porous and high-density layer structures at low process temperatures with the desired microstructure in a cost-efficient manner on the respective substrates.
  • Another advantage of using the aerosol deposition method for film formation at a Festelekt ⁇ rolyt fuel cell is given by the possibility of a non-sinterable processability and wetting in itself by decomposition, chemical reactions to high sintering temperatures, etc., incompatible starting materials. By contrast, only comparable material compositions would be difficult to prepare in comparable alternative processes.
  • Another advantage is the ability to coat arbitrarily shaped layers, not just planar contours and surfaces.
  • a particular advantage of using the aerosol deposition method for film formation in the solid oxide fuel cell electric ⁇ lyt is given by the possibility of circuit provide an optional annealing step in the presence, with the grain coarsening of the nanocrystalline structure in the initial state is enabled. Depending on whether this anneal is a ⁇ set or not, thus the possibility of nanoscale high-density layer or microcrystalline to decor with dark ⁇ th yields.
  • Layer thickness to obtain a gas-tight layer resulting in more advantageous before ⁇ manner, for example, to an additional reduction of the lowering ⁇ passage resistance for oxygen ions in the case of the electrolyte.
  • the high-density configuration of the layers also advantageously leads to an additional reduction of a respective surface resistance of the layers.
  • the aerosol deposition method has particular advantages for the
  • FIG. shows a schematic cross-sectional view of a
  • the illustrated solid electrolyte fuel cell includes a plurality of layers which are subsequently laminated in the direction from the cathode shown in the drawing above to the anode shown in the drawing below.
  • a cathode-side interconnector plate 5 is shown in the upper part of the drawing. While in the Vergangen ⁇ uniform due to high operating temperatures of 800 - 1000 ° C exclusively ceramic interconnector plates 5 on the basis of doped lanthanum chromites (lacros) were used, may be prepared by the usual today operating temperatures of an SOFC in regions between 600-800 ° C meanwhile me ⁇ tallische materials are used. Chromia forming Le ⁇ alloys, for example, ferritic steels are preferred since gradually materials for metallic Interkonnektorplat ⁇ th. Chromia-forming alloys are characterized in that, in contrast to other metal oxides they have a sufficiently high electrical conductivity.
  • chromium evaporation volatile chromium compounds
  • chromium evaporation volatile chromium compounds
  • a chromium vapor barrier layer 10 which is applied over the entire area on the cathode-side interconnector plate 5 in the direction of an electrolyte 50 of the fuel cell.
  • this chromium vapor barrier layer 10 is applied in a highly dense manner by means of the aerosol deposition process while setting a layer thickness of preferably less than 10 ⁇ m.
  • an aerosol ⁇ particulate ceramics according to an embodiment of the invention employed in a spinel structure used in particular CoMn- spinel.
  • the structure of the interconnector plate 5 is determined through the air channels in which the oxygen of the cathode is supplied.
  • the interconnector plates 5 have gas channels formed therein.
  • planar-shaped solid electrolyte fuel cells are manufactured individually and then stacked on top of each other and optionally sealed with a high-temperature sealing material.
  • Deposition method applied contact layer 20 is preferably made of a LaCuCo oxide. To ensure a deformable contact with the cathode layer 25 of the cell, a porous structure is set. The preferred
  • Layer thickness is 10 ym and more.
  • the cathode layer 25 forms a substrate and an electrical ⁇ specific contact layer for the cathode functional layer 30th
  • LSM compounds based on (La, Sr) MnÜ 3 and / or LSCF compounds based on (La, Sr) (Co, Fe) 03 are used as the cathode functional layer 30 .
  • Said compounds are referred to according to an embodiment in conjunction with ceramic mikbas striving electrolyte materials such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ), even YSZ used, before ⁇ preferably in a direction indicated as 8YSZ composition having a concentration of 8 mol% Y 2 O 3 in ZrÜ 2 .
  • YSZ yttrium-stabilized zirconia
  • an admixture of another elec- rolyttechnikstoffs such as cerium-based Composition ⁇ gen, especially cerium gadolinium oxide, also called CGO be seen ⁇ .
  • cerium-based Composition ⁇ gen especially cerium gadolinium oxide, also called CGO be seen ⁇ .
  • the applied according to an embodiment of the invention by the aerosol deposition method Katho ⁇ the function layer 30 is gebil- det as a highly porous structure.
  • the preferred layer thickness is 20 ym and Darun ⁇ ter.
  • a diffusion proves to 30 spilled strontium between the cathode functional layer 30 and electric ⁇ lyt 50th of from LSCF- compounds of the cathode functional layer as a problem to avoid these Sr-diffusion according to one embodiment of the invention, a diffusion barrier layer 40 to prevent Sr diffusion to the YSZ electrolyte when using LSCF on the cathode side.
  • diffusion barrier layer 40 is formed as a highly dense layer having a very small layer ⁇ thickness of preferably less than 1 ym.
  • a thin one Diffusion barrier layer 40 proves to be favorable for the electrical resistance of the fuel cell.
  • anode As carriers for the above-mentioned ceramic layers either the anode is used, here, an anode layer shown in the drawings 70. Such a cell is then ⁇ be characterized as anodenge ⁇ assisted cell or as ASC (Anode Supported Cell). In an alternative variant serves as a carrier, the YSZ electrolyte layer itself, which is why this structure is referred to as ESC (Electrolyte Supported Cell).
  • MSC Metal Supported Cell
  • the actual electrolyte layer 50 is located in the middle of the cell.
  • This electrolyte layer 50 is also formed according to an embodiment of the invention by means of the aerosol deposition process.
  • the electrolyte material used is yttrium-stabilized zirconium dioxide, YSZ, preferably in a composition also designated 8YSZ with a concentration of 8 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 .
  • YSZ yttrium-stabilized zirconium dioxide
  • 8YSZ preferably in a composition also designated 8YSZ with a concentration of 8 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 .
  • an admixture of a further electrolyte material in particular cerium-gadolinium oxide, CGO, may be provided.
  • the entire electrolyte layer 50 may be formed of ceria and / or doped ceria.
  • ⁇ electrolyte layer 50 is formed as a highly dense structure.
  • the preferred layer thickness is 50 ym and below, ideally 10 ym and below.
  • the demands on the underneath of the electrolyte 50 is ⁇ arranged anode functional layer 60 is a high open poro ⁇ intensity to ensure a gas transport to an electrochemical three-phase boundary area, and high electrical see conductivity to the released during oxidation of fuel gas electron unimpeded in the direction of the anode-side Interkonnektorplatte 90 derive.
  • This anode radio ⁇ tion layer 60 is formed according to an embodiment of the invention also overall by the aerosol deposition method.
  • the anode material used is a composite of 8YSZ or 3YSZ and / or CGO with nickel particles.
  • the required high open porosity is in addition to a Gehegevergrö- berung also supported so that Adiabatic bare particles, for example of plastic or organic material incorporated ⁇ introduced in the course of aerosol deposition in the structure by means of a process executed by the aerosol deposition anneal which burn out at said annealing step or at subsequent operating temperatures.
  • the preferred layer thickness is 20 ym and below.
  • a arranged beneath the anode layer 70 forms a sub ⁇ strat and an electrical contact layer for the anode functional layer 60.
  • a contact network 80 based on nickel is used a IMPROVE ⁇ tion of the contact between the anode layer 70 and the anode-side interconnector plate 90th

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Abstract

The invention relates to a method for producing a solid electrolyte fuel cell, wherein at least one component for forming the solid electrolyte fuel cell is produced by forming layers on a substrate. An aerosol deposition process is used to form the layers, suitable aerosol particles being used for each layer. Furthermore, an aerosol deposition step without subsequent tempering is carried out on an interconnector plate on the cathode side in order to form a Cr evaporation barrier layer, wherein ceramics in an spinel structure are used as aerosol particles.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Herstellung einer Festelektrolyt- Brennstoffzelle Process for producing a solid electrolyte fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1. Gattungsmäßige Festelektrolyt-Brennstoffzellen sind aus demThe invention relates to a method for producing a solid electrolyte fuel cell according to the preamble of An ¬ claim 1. Generic solid electrolyte fuel cells are from the
Stand der Technik bekannt. Aus der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2011/019455 AI gehen beispielsweise grund¬ legende Prinzipien von oxidkeramische Brennstoffzellen, in der Fachwelt auch als SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) bekannt, hervor. Diese Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus einer Kathode und einer Anode, zwischen denen ein Festkörperelektrolyt angeordnet ist. Known in the art. ¬ ground laying principles of solid oxide fuel cells, in art as SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) go for example known from International Publication No. WO 2011/019455 Al, out. These fuel cells consist essentially of a cathode and an anode, between which a solid electrolyte is arranged.
Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle mit einem Stromfluss über eine äußere Last oxidiert ein an einer Anode zugeführter gasförmiger Brennstoff, was zu einer Freisetzung von Elektronen führt, welche durch die äußere Last fließen und an einer Kathode Sauerstoff reduzieren. Der Ladungsfluss im äußeren Stromkreis wird durch einen Ionentransport im Elektrolyt aus- geglichen. Somit wird an der Kathode Sauerstoff aus der Luft dissoziiert und in Sauerstoffionen umgewandelt, welche durch den Elektrolyten wandern und mit dem Brennstoff an der Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt reagieren. Eine oxidke¬ ramische Brennstoffzelle arbeitet mit einer Betriebstempera- tur oberhalb von 500° C, bei welcher ein darin zum Einsatz kommender Festelektrolyt eine hinreichende Ionenleitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist. In operation of the fuel cell with a flow of current through an external load, a gaseous fuel supplied to an anode oxidizes, resulting in a release of electrons that flow through the external load and reduce oxygen at a cathode. The charge flow in the external circuit is compensated by an ion transport in the electrolyte. Thus, oxygen is dissociated from the air at the cathode and converted into oxygen ions which migrate through the electrolyte and react with the fuel at the interface between the anode and the electrolyte. A oxidke ¬ ramische fuel cell operates with an operating temperature above 500 ° C, at which a coming therein for use solid electrolyte has a sufficient ionic conductivity for oxygen ions.
In besagter Veröffentlichungsschrift WO 2011/019455 AI wird weiterhin auf das Konzept einer Festelektrolyt-Batterie ein¬ gegangen. Diese beruht auf dem Wirkungsprinzip von Festelektrolyt-Brennstoffzellen unter zusätzlicher Vorsehung mindestens eines Speicherelements. Statt einer Zuführung eines Brennstoffs ist an der Anode ein Reservoir vorgesehen, das zum einen ein poröses, also gasdurchlässiges, oxidierbares Material sowie ein Redoxpaar beinhaltet. Für einen wiederauf- ladbaren Betrieb der Festelektrolyt-Batterie werden an der Anode austretende Sauerstoffionen einer oxidierbaren Spei¬ cherschicht eines Speicherelements zugeführt. In der Spei¬ cherschicht läuft eine Redox-Reaktion derart ab, dass in ei¬ nem Ladebetrieb der Festelektrolyt-Batterie die aktiven Re- dox-Bestandteile der Speicherschicht reduziert und in einem Entladebetrieb entsprechend oxidiert werden. Entsprechend werden in einem Ladevorgang Sauerstoffmoleküle oder Sauerstoffionen vom Speicherelement zur Anode transportiert. In said publication WO 2011/019455 AI will continue to go on the concept of a solid electrolyte battery ¬. This is based on the principle of action of solid electrolyte fuel cells under additional Providence at least one memory element. Instead of a feeder one Fuel is provided at the anode a reservoir, which includes on the one hand a porous, that is, gas-permeable, oxidizable material and a redox couple. For a reconstruction loadable operation of the solid electrolyte battery exiting oxygen ions of an oxidizable SpeI ¬ cherschicht a storage element are supplied to the anode. In the SpeI ¬ cherschicht a redox reaction takes place in such a way that be in egg ¬ nem charging operation of the solid electrolyte battery is reduced, the active redox components of the storage layer and oxidized in accordance with a discharge operation. Accordingly, oxygen molecules or oxygen ions are transported from the storage element to the anode in a charging process.
Bezüglich der Eigenschaften und Herstellung der Elektrolyt- schicht sowie anderer Schichten weisen Festelektrolyt- Batterien und Festelektrolyt-Brennstoffzellen einige Gemeinsamkeiten auf. Im Weiteren wird daher unter dem Begriff Festelektrolyt-Brennstoffzelle sowohl eine Festelektrolyt-Brenn¬ stoffzelle an sich als auch das wiederaufladbare Konzept ei- ner Festelektrolyt-Batterie verstanden. With regard to the properties and production of the electrolyte layer and of other layers, solid electrolyte batteries and solid electrolyte fuel cells have some similarities. Therefore, in addition, the term solid electrolyte fuel cell both a solid electrolyte fuel cell ¬ material itself and the rechargeable concept is understood egg ner solid electrolyte battery.
Für einige überwiegend keramische Schichtstrukturen einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle wie z.B. eine Zr02 ~ For some predominantly ceramic layer structures of a solid electrolyte fuel cell such as a Zr0 2 ~
Elektrolytschicht , für Kathode und Anode verwendete Oxidkera- miken sowie hoch chromhaltige metallische Interkonnektoren incl . Kontakt- und Schutzschichten wird derzeit eine Schicht- strukturierung Electrolyte layer, oxide ceramics used for cathode and anode as well as high chromium-containing metallic interconnectors incl. Contact and protective layers is currently a layered structure
mittels Siebdruck, Nass-Sprühen, Sol-Gel- und Nano- Suspensions-Verfahren, auch als Dip- und Spin-coating be- zeichnet, weiterhin eine Schichtstrukturierung mittels elektrophoretischer Abscheidung sowie mittels Plasmaspritzen und Physical Vapor Deposition (PVD) angewandt. Nahezu allen Verfahren ist gemein, dass während des Prozesses hohe Pro¬ zesstemperaturen erforderlich sind. By screen printing, wet spraying, sol-gel and nano-suspension process, also referred to as dip and spin coating, further applied a layer structuring by means of electrophoretic deposition and by plasma spraying and physical vapor deposition (PVD). Almost all the methods have in common that during the process high per ¬ process temperatures are required.
Eine Abscheidung mittels Aerosol-Deposition vermag diese Nachteile einer hohen Prozesstemperatur zu vermeiden. Die Abscheidung mittels Aerosol-Deposition zur Herstellen einer Brennstoffzelle ist beispielsweise aus der Schrift „Anode Supported SOFC with GDC Barrier Layer deposited by Aerosol Deposition Method, Proceedings of the ASME 2010, 8th Interna¬ tional Fuell Cell Science, Engineering and Technology Confer- ence, S.351-357", sowie aus der Schrift "Low temperature preparation and characterization of LSGMC based IT-SOFC cell by aerosol deposition, Journal of European Ceramic Society 32(2012), S.115-121" bekannt. Die in diesem Stand der Technik beschriebenen Schichten sind jedoch aufgrund Ihrer Zusammensetzung und Dichtigkeit unge¬ eignet, die Migration von atomarem Chrom aus der Legierung der Interkonnektorplatte in die Brennstoffzelle zu verhin¬ dern. Diese ist jedoch maßgeblich verantwortlich für die Langzeitdegradation von Festleketrolyt-Brennstoffzellen, ins- besodere durch die Ablagerung von Chrom in oder an der Kathode. Neben dieser auf einer elektrochemischen Konkurrenzreaktion in der Kathode beruhenden Beeinflussung können sich Chromatome auch für eine nachteilige Veränderung von Strom- Sammlern der Brennstoffzelle verantwortlich zeichnen, die auf einer rein chemischen Wechselwirkung der Chromspezies mit Mn304-Ausscheidungen im Stromsammler beruhen. Folglich stellt es sich als technisch erforderlich heraus, die Chromdiffusion zu unterbinden, insbesondere mittels einer geeigneten Chrom- Verdampfungssperrschicht zu verhindern bzw. merklich zu ver¬ mindern . Deposition by means of aerosol deposition can avoid these disadvantages of a high process temperature. The deposition by means of aerosol deposition for producing a Fuel cell, for example from Scripture "Anode Supported SOFC with GDC Barrier Layer Deposited by Aerosol Deposition Method, Proceedings of the ASME 2010, 8th Interna ¬ tional Fuel Cell Science, Engineering and Technology Confer- ence, S.351-357", as well as from However, the layers described in this prior art are due to their composition and tightness unge ¬ is, the migration of atomic chromium from the alloy of the interconnector plate countries ¬ to verhin in the fuel cell. However, this is largely responsible for the Langzeitdegradation of Festleketrolyt fuel cells, and in besodere by the deposition of chromium in or at the cathode In addition to this influence based on an electrochemical competing reaction in the cathode, chromate ome also responsible for a detrimental change of fuel cell power collectors, which are based on a purely chemical interaction of the chromium species with Mn304 precipitates in the current collector. Consequently, it turns out to be technically necessary to prevent chromium diffusion, in particular by means of a suitable chromium vapor barrier layer to prevent or significantly reduce ver ¬ .
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Festelektrolyt- Brennstoffzelle anzugeben, mit dem die Schichtstrukturen bei niedrigeren Prozesstemperaturen hergestellt werden können, wobei gleichzeitig die Ausbildung einer geeigneten Chromverdampfungssperrschicht ermöglicht werden soll. Diese Aufgabe wird durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In einem Verfahren zum Herstellen einer Festelektrolyt- Brennstoffzelle ist vorgesehen, durch Schichtbildung auf einem jeweiligen Substrat mindestens eine Komponente zur Bil¬ dung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle zu erzeugen. Dabei wird erfindungsgemäß ein Aerosol-Depositionsverfahren zur Schichtbildung eingesetzt, wobei für die jeweilige Schicht angepasste Aerosol-Partikel verwendet werden und wobei zur Einstellung einer jeweiligen Mikrostruktur der Schicht eine optionale Temperung erfolgt. The present invention is therefore based on the object of specifying a method for producing a solid electrolyte fuel cell, with which the layer structures can be produced at lower process temperatures, at the same time the formation of a suitable chromium vapor barrier layer is to be made possible. This object is achieved by a manufacturing method having the features of patent claim 1. In a method for producing a solid electrolyte fuel cell is provided to generate at least a component for Bil ¬ dung of the solid electrolyte fuel cell by layering on a respective substrate. In this case, according to the invention, an aerosol deposition method is used for layer formation, wherein aerosol particles adapted to the respective layer are used and wherein an optional tempering takes place for setting a respective microstructure of the layer.
Ferner erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung einer Chromverdampfungssperrschicht auf einer kathoden- seitigen Interkonnektorenplatte eine Aerosol-Deposition ohne anschließende Temperung, wobei als Aerosolpartikel Keramiken in einer Spinell-Struktur verwendet werden. Furthermore, according to the method according to the invention for forming a chromium evaporation barrier layer on a cathode-side interconnector plate, an aerosol deposition takes place without subsequent heat treatment, ceramics in a spinel structure being used as aerosol particles.
Die mit einem Aerosol-Depositionsverfahren aufgebrachten Spinell-Strukturen erweisen sich als ausreichend dicht, um eine Migration von Chromatomen durch die Schicht zu unterbinden. The spinel structures deposited by an aerosol deposition process prove to be sufficiently dense to inhibit migration of chromium atoms through the layer.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Einsatz eines Aerosol- Depositionsverfahrens zur Schichtbildung für unterschiedliche Schichten einer vorzugsweise planaren Festelektrolyt- Brennstoffzelle vorgesehen. Das Verfahren sieht eine sehr niedrige Prozess- und Substrattemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur oder bis lediglich ca. 300° C, vor. According to the invention, an additional use of an aerosol deposition method for layer formation is provided for different layers of a preferably planar solid electrolyte fuel cell. The method provides for a very low process and substrate temperature, for example at room temperature or to only about 300 ° C before.
Das Aerosol-Depositionsverfahren wurde vom japanischen Forschungsinstitut AIST (National Institute of Advanced Indus- trial Science and Technology) maßgeblich entwickelt und ist auch unter der Abkürzung ADM (Aerosol Deposition Method) bekannt . The aerosol deposition process has been significantly developed by the Japanese Research Institute AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) and is also known by the acronym ADM (Aerosol Deposition Method).
Das Aerosol-Depositionsverfahren verwendet Sub-ym-Pulver- partikel, welche zunächst in einem Trägergas wie z.B. 02, N2, Ar, He, Luft etc. zur Bildung eines Aerosols dispergiert wer¬ den. Das Aerosol wird abschließend über eine Düse in eine Un¬ terdruckkammer transportiert und dabei über eine Druckdiffe- renzstrecke hochgradig beschleunigt, um schließlich auf ein Substrat aufzutreffen . Dabei wird so viel kinetische Energie frei, dass ein in-situ Sinterprozess einsetzt, der bei sehr niedrigen Prozess- und Substrattemperaturen, beispielsweise bei Raumtemperatur bis ca. 300° C, eine fast vollständig dichte, nanokristalline Keramikschicht bildet. The aerosol deposition method used sub-ym-powder particles, of which first dispersed in a carrier gas such as 0 2, N 2, Ar, He, air, etc. to form an aerosol ¬ the. The aerosol is finally transported via a nozzle into a Un ¬ terdruckkammer and thereby via a Druckdiffe- highly accelerated to eventually strike a substrate. As a result, so much kinetic energy is released that an in-situ sintering process is used which forms an almost completely dense nanocrystalline ceramic layer at very low process and substrate temperatures, for example at room temperature up to about 300 ° C.
Mittels dieses Verfahrens können sowohl hochdichte als auch poröse keramische Schichten oder metallische Schichten mit Dicken zwischen ca. 1 und 500 ym auf verschiedenen Substraten abgeschieden werden. By means of this method, both high-density and porous ceramic layers or metallic layers with thicknesses between approximately 1 and 500 μm can be deposited on different substrates.
Eine optionale Temperung mittels kurzzeitiger Erhitzung auf 400 - 800°C, etwa über einen Ofenprozess oder mittels Laser- behandlung, führt zu einer raschen Gefügevergröberung . Dieser optionale Prozessschritt einer Temperung bietet somit ein Spektrum zur Schichtbildung von hochdichten, fein- bis grobkörnigen Schichten bis hin zu hochporösen, mehrphasigen Kompositstrukturen . An optional tempering by short-term heating to 400 - 800 ° C, for example via a furnace process or by laser treatment, leads to a rapid microstructure coarsening. This optional process step of annealing thus offers a spectrum for the layer formation of high-density, fine to coarse-grained layers up to highly porous, multi-phase composite structures.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, sowohl poröse als auch hochdichte Schichtstrukturen bei niedrigen Prozesstemperaturen mit der gewünschten Mikrostruktur kosteneffizient auf den jeweiligen Substraten herzustellen. The method according to the invention makes it possible to produce both porous and high-density layer structures at low process temperatures with the desired microstructure in a cost-efficient manner on the respective substrates.
Ein weiterer Vorteil einer Verwendung des Aerosol- Depositionsverfahrens zur Schichtbildung bei einer Festelekt¬ rolyt-Brennstoffzelle ergibt sich durch die Möglichkeit einer Verarbeitbarkeit nicht-sinterbarer und an sich durch Zerset- zung, chemische Reaktionen, zu hohe Sintertemperaturen usw., inkompatibler Ausgangsmaterialien. In vergleichbaren Alternativverfahren wären dagegen nur schwierig zu verarbeitende Materialzusammensetzungen darstellbar. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, beliebig ausgeformte Schichten, also nicht nur planare Konturen und Oberflächen zu beschichten. Ein besonderer Vorteil der Verwendung des Aerosol- Depositionsverfahrens zur Schichtbildung bei der Festelektro¬ lyt-Brennstoffzelle ergibt sich durch die Möglichkeit, im An- schluss einen optionalen Temperschritt vorzusehen, mit dem eine Kornvergröberung des im Ausgangszustand nanokristallinen Gefüges ermöglicht wird. Je nachdem, ob diese Temperung ein¬ gesetzt wird oder nicht, ergibt sich somit die Möglichkeit, eine hochdichte Schicht nano- oder mikrokristallin zu gestal¬ ten . Another advantage of using the aerosol deposition method for film formation at a Festelekt ¬ rolyt fuel cell is given by the possibility of a non-sinterable processability and wetting in itself by decomposition, chemical reactions to high sintering temperatures, etc., incompatible starting materials. By contrast, only comparable material compositions would be difficult to prepare in comparable alternative processes. Another advantage is the ability to coat arbitrarily shaped layers, not just planar contours and surfaces. A particular advantage of using the aerosol deposition method for film formation in the solid oxide fuel cell electric ¬ lyt is given by the possibility of circuit provide an optional annealing step in the presence, with the grain coarsening of the nanocrystalline structure in the initial state is enabled. Depending on whether this anneal is a ¬ set or not, thus the possibility of nanoscale high-density layer or microcrystalline to decor with dark ¬ th yields.
Daneben kann durch die Verwendung eines Gemisches aus keramischen und polymeren, d.h. ausbrennbaren Partikeln im Aerosol eine entweder hochdichte, insbesondere gasdichte Schicht, oder auch eine porös, insbesondere gasdurchlässige Schicht, nach Ausbrand der ausbrennbaren Partikel bei ausreichend ho¬ hen Temperaturen, erhalten werden. Besides, by the use of a mixture of ceramic and polymer, ie, burn-out particles in the aerosol an either high density, in particular gas-tight layer or a porous, in particular gas-permeable layer can be obtained after combustion of the burnable particles at sufficiently ho ¬ hen temperatures.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung des Aerosol-Depositions- verfahrens zur Schichtbildung bei der Festelektrolyt- Brennstoffzelle ergibt sich durch die geringe notwendigeAnother advantage of using the aerosol deposition process for layer formation in the case of the solid electrolyte fuel cell results from the low necessary
Schichtdicke zum Erhalt einer gasdichten Schicht, was in vor¬ teilhafter Weise beispielsweise zu einer zusätzlichen Herab¬ setzung des Durchtrittswiderstandes für Sauerstoffionen im Falle des Elektrolyten führt. Die hochdichte Ausgestaltung der Schichten führt in vorteilhafter Weise ebenfalls zu einer zusätzlichen Herabsetzung eines jeweiligen Flächenwiderstands der Schichten. Layer thickness to obtain a gas-tight layer, resulting in more advantageous before ¬ manner, for example, to an additional reduction of the lowering ¬ passage resistance for oxygen ions in the case of the electrolyte. The high-density configuration of the layers also advantageously leads to an additional reduction of a respective surface resistance of the layers.
Durch eine geringe Beeinflussung der Substratmaterialien hat das Aerosol-Depositionsverfahren besondere Vorteile für dieBy a slight influence on the substrate materials, the aerosol deposition method has particular advantages for the
Schichtbildung bei einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle. Bei¬ spielhaft seien hier eine verringerte Neigung zur Interdiffu- sion, eine Verringerung thermisch induzierter Degradation und Zersetzung sowie mechanischer Spannungen, eine Verminderung einer Ausbildung unerwünschter Grenzschichtphasen und Oxidschichten hervorgehoben. Weitere Ausführungsvarianten und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Layer formation in a solid electrolyte fuel cell. In ¬ way of example here are a reduced tendency to Interdiffu- sion, a reduction of thermally induced degradation and decomposition as well as mechanical stresses, emphasized a reduction in a formation of undesirable boundary layer phases and oxide layers. Further embodiments and embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige FIG. zeigt hierbei eine schematische Querschnittsdarstellung eines In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. The only FIG. shows a schematic cross-sectional view of a
Schichtenaufbaus einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die in der FIG. dargestellte Festelektrolyt-Brennstoffzelle umfasst eine Mehrzahl von Schichten, welche im Folgenden in Richtung von der in der Zeichnung oben dargestellten Kathode nach der in der Zeichnung unten dargestellten Anode geschichtet sind. Layer structure of a solid electrolyte fuel cell according to an embodiment of the invention. The in FIG. The illustrated solid electrolyte fuel cell includes a plurality of layers which are subsequently laminated in the direction from the cathode shown in the drawing above to the anode shown in the drawing below.
Im oberen Bereich der Zeichnung ist eine kathodenseitige In- terkonnektorplatte 5 dargestellt. Während in der Vergangen¬ heit aufgrund hoher Betriebstemperaturen von 800 - 1000 °C ausschließlich keramische Interkonnektorplatten 5 auf Basis von dotierten Lanthan-Chromiten (LaCrOs) einsetzbar waren, können durch die heute üblichen Betriebstemperaturen einer SOFC in Bereichen zwischen 600 - 800 °C mittlerweile auch me¬ tallische Werkstoffe verwendet werden. Chromoxid bildende Le¬ gierungen, beispielsweise ferritische Stähle sind mittlerwei- le bevorzugte Werkstoffe für metallische Interkonnektorplat¬ ten. Chromoxid bildende Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu anderen Metalloxiden eine hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Nachteilig ist die Bildung flüchtiger Chromverbindungen, auch als Chromabdampfung bezeichnet. Diese entstehen unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle und lagern sich in nachteiliger Weise an bzw. in der Kathode ab. Zur Unterdrückung der Chromabdampfung ist erfindungsgemäß eine auf der kathodenseitigen Interkonnektorplatte 5 in Rich¬ tung eines Elektrolyts 50 der Brennstoffzelle vollflächig aufgebrachte Chromverdampfungssperrschicht 10 vorgesehen. Diese Chromverdampfungssperrschicht 10 wird gemäß einer Aus¬ führungsform der Erfindung hochdicht mittels des Aerosol- Depositionsverfahrens unter Einstellung einer Schichtdicke von vorzugsweise weniger als 10 ym aufgebracht. Als Aerosol¬ partikel werden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dabei Keramiken in einer Spinell-Struktur, insbesondere CoMn- Spinell verwendet. Wie in der FIG. gezeigt, bedeckt die Chromverdampfungssperrschicht 10 vorzugsweise die gesamte in Richtung des Elektro¬ lyts 50 der Brennstoffzelle zeigende Struktur der Interkon- nektorplatte 5. Die Struktur der Interkonnektorplatte 5 wird dabei bestimmt durch die Luftkanäle, in denen Sauerstoff der Kathode zugeführt wird. In the upper part of the drawing, a cathode-side interconnector plate 5 is shown. While in the Vergangen ¬ uniform due to high operating temperatures of 800 - 1000 ° C exclusively ceramic interconnector plates 5 on the basis of doped lanthanum chromites (lacros) were used, may be prepared by the usual today operating temperatures of an SOFC in regions between 600-800 ° C meanwhile me ¬ tallische materials are used. Chromia forming Le ¬ alloys, for example, ferritic steels are preferred since gradually materials for metallic Interkonnektorplat ¬ th. Chromia-forming alloys are characterized in that, in contrast to other metal oxides they have a sufficiently high electrical conductivity. The disadvantage is the formation of volatile chromium compounds, also referred to as chromium evaporation. These arise under the operating conditions of the fuel cell and are deposited disadvantageously on or in the cathode. In order to suppress the chromium evaporation, according to the invention, a chromium vapor barrier layer 10, which is applied over the entire area on the cathode-side interconnector plate 5 in the direction of an electrolyte 50 of the fuel cell, is provided. According to one embodiment of the invention, this chromium vapor barrier layer 10 is applied in a highly dense manner by means of the aerosol deposition process while setting a layer thickness of preferably less than 10 μm. As an aerosol ¬ particulate ceramics according to an embodiment of the invention employed in a spinel structure, used in particular CoMn- spinel. As shown in FIG. shown, covers the chromium evaporation barrier layer 10 preferably all in the direction of the electric ¬ lyts 50 of the fuel cell facing structure of the interconnector plate 5. The structure of the interconnector plate 5 is determined through the air channels in which the oxygen of the cathode is supplied.
Einzelne Festelektrolyt-Brennstoffzellen werden über die In- terkonnektorplatten 5, welche als planar ausgebildete elekt¬ rische Verbindungsvorrichtungen wirken, zusammengefügt, um Einheiten aus vielfachen Zellen zu bilden. Die Interkonnek- torplatten 5 weisen darin ausgebildete Gaskanäle auf. Individual solid electrolyte fuel cells are terkonnektorplatten beyond the In 5, which act designed as a planar elekt ¬ generic connection devices together to form units of multiple cells. The interconnector plates 5 have gas channels formed therein.
Die planar ausgebildeten Festelektrolyt-Brennstoffzellen werden einzeln angefertigt und dann aufeinander gestapelt und gegebenenfalls mit einem Hochtemperatur-Dichtungsmaterial verschlossen . The planar-shaped solid electrolyte fuel cells are manufactured individually and then stacked on top of each other and optionally sealed with a high-temperature sealing material.
Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen der ka- thodenseitigen Interkonnektorplatte 5 mit einer Kathoden- schicht 25 wird eine Kontaktschicht 20 auf die mit der Chrom¬ verdampfungssperrschicht 10 beschichtete kathodenseitige In¬ terkonnektorplatte 5 aufgebracht. Die gemäß einer Ausfüh¬ rungsform der Erfindung mittels des Aerosol-Layer to improve the electrical contact between the ka- Thode side interconnector plate 5 having a cathode 25, a contact layer 20 on the side coated with the chromium ¬ evaporation barrier layer 10 cathode-side ¬ In terkonnektorplatte 5 is applied. The according to an exporting ¬ approximately of the invention by means of the aerosol
Depositionsverfahrens aufgebrachte Kontaktschicht 20 besteht vorzugsweise aus einem LaCuCo-Oxid. Zur Gewährleistung eines verformbaren Kontakts zur Kathodenschicht 25 der Zelle wird dabei eine poröse Struktur eingestellt. Die bevorzugte Deposition method applied contact layer 20 is preferably made of a LaCuCo oxide. To ensure a deformable contact with the cathode layer 25 of the cell, a porous structure is set. The preferred
Schichtdicke liegt bei 10 ym und mehr. Die gemäß der vorausgehenden Beschreibung mit der Chromverdampfungssperrschicht 10 und der Kontaktschicht 20 beschich¬ tete kathodenseitigen Interkonnektorplatte 5 wird in einem sich anschließenden Fertigungsprozess gegen eine vorgesinterte Kathodenschicht 25 gepresst. Layer thickness is 10 ym and more. The cathode-side interconnector plate 5 coated according to the preceding description with the chromium evaporation barrier layer 10 and the contact layer 20 is pressed against a presintered cathode layer 25 in a subsequent manufacturing process.
Die Kathodenschicht 25 bildet ein Substrat und eine elektri¬ sche Kontaktschicht für die Kathoden-Funktionsschicht 30. The cathode layer 25 forms a substrate and an electrical ¬ specific contact layer for the cathode functional layer 30th
Als Kathoden-Funktionsschicht 30 werden LSM-Verbindungen auf Basis von (La, Sr) MnÜ3 und/oder LSCF-Verbindungen auf Basis von (La, Sr) (Co, Fe) 03 eingesetzt. Die genannten Verbindungen werden gemäß einer Ausführungsvariante in Verbindung mit kera- mikbasierten Elektrolytwerkstoffen wie Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) , auch YSZ bezeichnet, eingesetzt, vor¬ zugsweise in einer auch als 8YSZ bezeichneten Zusammensetzung mit einer Konzentration von 8 mol% Y2O3 in ZrÜ2. In einer Aus¬ führungsvariante kann eine Beimischung eines weiteren Elekt- rolytwerkstoffs , beispielsweise Cer-basierte Zusammensetzun¬ gen, insbesondere Cer-Gadoliniumoxid, auch CGO genannt, vor¬ gesehen sein. Die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mittels des Aerosol-Depositionsverfahrens aufgebrachte Katho¬ den-Funktionsschicht 30 wird als hochporöse Struktur gebil- det. Die bevorzugte Schichtdicke liegt bei 20 ym und darun¬ ter . As the cathode functional layer 30 LSM compounds based on (La, Sr) MnÜ 3 and / or LSCF compounds based on (La, Sr) (Co, Fe) 03 are used. Said compounds are referred to according to an embodiment in conjunction with ceramic mikbasierten electrolyte materials such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ), even YSZ used, before ¬ preferably in a direction indicated as 8YSZ composition having a concentration of 8 mol% Y 2 O 3 in ZrÜ 2 . In an off ¬ product variant, an admixture of another elec- rolytwerkstoffs, such as cerium-based Composition ¬ gen, especially cerium gadolinium oxide, also called CGO be seen ¬. The applied according to an embodiment of the invention by the aerosol deposition method Katho ¬ the function layer 30 is gebil- det as a highly porous structure. The preferred layer thickness is 20 ym and Darun ¬ ter.
Als problematisch erweist sich eine Diffusion von aus LSCF- Verbindungen der Kathoden-Funktionsschicht 30 freigesetztem Strontium zwischen Kathoden-Funktionsschicht 30 und Elektro¬ lyt 50. Zur Vermeidung dieser Sr-Diffusion ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Diffusionssperrschicht 40 zur Vermeidung von Sr-Diffusion zum YSZ-Elektrolyt bei Verwendung von LSCF auf Kathodenseite vorgesehen. Die gemäß ei- ner Ausführungsform der Erfindung mittels des Aerosol- Depositionsverfahrens aufgebrachte Diffusionssperrschicht 40 wird als hochdichte Schicht mit einer sehr geringen Schicht¬ dicke von vorzugsweise weniger als 1 ym gebildet. Eine dünne Diffusionssperrschicht 40 erweist sich dabei als günstig für den elektrischen Widerstand der Brennstoffzelle. A diffusion proves to 30 spilled strontium between the cathode functional layer 30 and electric ¬ lyt 50th of from LSCF- compounds of the cathode functional layer as a problem to avoid these Sr-diffusion according to one embodiment of the invention, a diffusion barrier layer 40 to prevent Sr diffusion to the YSZ electrolyte when using LSCF on the cathode side. The applied according to an embodiment of the invention by the aerosol deposition method, diffusion barrier layer 40 is formed as a highly dense layer having a very small layer ¬ thickness of preferably less than 1 ym. A thin one Diffusion barrier layer 40 proves to be favorable for the electrical resistance of the fuel cell.
Als Träger für die oben genannten keramischen Schichten dient entweder die Anode, hier eine in der Zeichnung dargestellte Anodenschicht 70. Eine solche Zelle wird dann als anodenge¬ stützte Zelle oder auch als ASC (Anode Supported Cell) be¬ zeichnet. In einer alternativen Variante dient als Träger die YSZ-Elektrolytschicht selbst, weswegen dieser Aufbau als ESC (Electrolyte Supported Cell) bezeichnet wird. In einer weite¬ ren alternativen Ausgestaltung dient als Träger eine hochporöse Metallschicht, auf der zunächst die Anodenschicht 70 und dann die anderen Funktionsschichten, also Anodenfunktionsschicht 60, Elektrolyt 50, Diffusionssperrschicht 40, Katho- den-Funktionsschicht 30 und Kathodenschicht 25 aufgebaut wer¬ den. Aufgrund der metallischen Beschaffenheit dieser anoden- seitigen Trägerschicht wird diese Aufbauart der Zelle dann als metallgestützte Zelle oder auch als MSC (Metal Supported Cell) bezeichnet. As carriers for the above-mentioned ceramic layers either the anode is used, here, an anode layer shown in the drawings 70. Such a cell is then ¬ be characterized as anodenge ¬ assisted cell or as ASC (Anode Supported Cell). In an alternative variant serves as a carrier, the YSZ electrolyte layer itself, which is why this structure is referred to as ESC (Electrolyte Supported Cell). In a wide ¬ ren alternative embodiment, constructed ¬ the acts as a carrier a highly porous metal layer on the first anode layer 70 and then the other functional layers, ie anode functional layer 60, electrolyte 50, diffusion barrier layer 40, cathode the functional layer 30 and cathode layer 25th Due to the metallic nature of this anode-side support layer, this type of construction of the cell is then referred to as metal-supported cell or as MSC (Metal Supported Cell).
Die eigentliche Elektrolytschicht 50 ist in der Mitte der Zelle angeordnet. Diese Elektrolytschicht 50 wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ebenfalls mittels des Aerosol- Depositionsverfahrens gebildet. Als Elektrolytwerkstoff kommt Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, YSZ, vorzugsweise in einer auch als 8YSZ bezeichneten Zusammensetzung mit einer Konzentration von 8 mol% Y2O3 in ZrÜ2, zum Einsatz. In einer Ausführungsvariante kann eine Beimischung eines weiteren Elektrolytwerkstoffs, insbesondere Cer-Gadoliniumoxid, CGO, vorgesehen sein. Alternativ dazu kann die gesamte Elektrolytschicht 50 aus Ceroxid und/oder dotiertem Ceroxid gebildet sein. Die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mittels des Aerosol-Depositionsverfahrens aufgebrachte Elektrolyt¬ schicht 50 wird als hochdichte Struktur gebildet. Die bevor- zugte Schichtdicke liegt bei 50 ym und darunter, idealerweise bei 10 ym und darunter. Die Anforderungen an die unterhalb des Elektrolyts 50 ange¬ ordnete Anodenfunktionsschicht 60 sind eine hohe offene Poro¬ sität, um einen Gastransport zu einem elektrochemischen Drei- phasengrenzbereich zu gewährleisten, sowie eine hohe elektri- sehe Leitfähigkeit, um die bei einer Oxidation des Brenngases freigesetzten Elektronen ungehindert in Richtung zur anoden- seitige Interkonnektorplatte 90 abzuleiten. Diese Anodenfunk¬ tionsschicht 60 wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ebenfalls mittels des Aerosol-Depositionsverfahrens ge- bildet. Als Anodenwerkstoff kommt ein Verbund aus 8YSZ oder 3YSZ und/oder CGO mit Nickel-Partikeln zum Einsatz. Die geforderte hohe offene Porosität wird neben einer Gefügevergrö- berung mittels eines nach der Aerosol-Deposition ausgeführten Temperschrittes auch dahingehend unterstützt, dass ausbrenn- bare Partikel, beispielsweise aus Kunststoff oder organischem Material, im Zuge der Aerosol-Deposition in das Gefüge einge¬ bracht werden, welche bei besagtem Temperschritt oder auch bei nachfolgenden Betriebstemperaturen ausbrennen. Die bevorzugte Schichtdicke liegt bei 20 ym und darunter. The actual electrolyte layer 50 is located in the middle of the cell. This electrolyte layer 50 is also formed according to an embodiment of the invention by means of the aerosol deposition process. The electrolyte material used is yttrium-stabilized zirconium dioxide, YSZ, preferably in a composition also designated 8YSZ with a concentration of 8 mol% Y 2 O 3 in ZrO 2 . In an embodiment variant, an admixture of a further electrolyte material, in particular cerium-gadolinium oxide, CGO, may be provided. Alternatively, the entire electrolyte layer 50 may be formed of ceria and / or doped ceria. The applied according to an embodiment of the invention by the aerosol deposition method ¬ electrolyte layer 50 is formed as a highly dense structure. The preferred layer thickness is 50 ym and below, ideally 10 ym and below. The demands on the underneath of the electrolyte 50 is ¬ arranged anode functional layer 60 is a high open poro ¬ intensity to ensure a gas transport to an electrochemical three-phase boundary area, and high electrical see conductivity to the released during oxidation of fuel gas electron unimpeded in the direction of the anode-side Interkonnektorplatte 90 derive. This anode radio ¬ tion layer 60 is formed according to an embodiment of the invention also overall by the aerosol deposition method. The anode material used is a composite of 8YSZ or 3YSZ and / or CGO with nickel particles. The required high open porosity is in addition to a Gefügevergrö- berung also supported so that Adiabatic bare particles, for example of plastic or organic material incorporated ¬ introduced in the course of aerosol deposition in the structure by means of a process executed by the aerosol deposition anneal which burn out at said annealing step or at subsequent operating temperatures. The preferred layer thickness is 20 ym and below.
Eine darunter angeordnete Anodenschicht 70 bildet ein Sub¬ strat und eine elektrische Kontaktschicht für die Anoden- Funktionsschicht 60. Ein Kontaktnetz 80 auf Basis von Nickel dient einer Verbesse¬ rung der Kontaktierung zwischen der Anodenschicht 70 und der anodenseitigen Interkonnektorplatte 90. A arranged beneath the anode layer 70 forms a sub ¬ strat and an electrical contact layer for the anode functional layer 60. A contact network 80 based on nickel is used a IMPROVE ¬ tion of the contact between the anode layer 70 and the anode-side interconnector plate 90th

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Festelektrolyt- Brennstoffzelle, bei dem durch Schichtbildung auf einem je- weiligen Substrat mindestens eine Komponente zur Bildung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei zur 1. A method for producing a solid electrolyte fuel cell, wherein at least one component for forming the solid electrolyte fuel cell is generated by layer formation on a respective substrate, wherein the
Schichtbildung ein Aerosol-Depositionsverfahren eingesetzt wird, und wobei für die jeweilige Schicht angepasste Aerosol- Partikel verwendet werden, Layering an aerosol deposition method is used, and wherein for the respective layer adapted aerosol particles are used,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zur Bildung einer Cr-Verdampfungssperrschicht (10) auf einer kathodenseitigen Interkonnektorenplatte (5) eine Aerosol- Deposition ohne anschließende Temperung erfolgt, wobei als Aerosolpartikel Keramiken in einer Spinell-Struktur verwendet werden. to form a Cr evaporation barrier layer (10) on a cathode-side interconnector plate (5), an aerosol deposition takes place without subsequent heat treatment, ceramic materials in a spinel structure being used as aerosol particles.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Aerosol-Deposition unter Bildung einer Schichtdicke von weniger als zehn Mikrometer erfolgt. that aerosol deposition takes place to form a layer thickness of less than ten micrometers.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, 3. The method according to any one of claims 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als Aerosolpartikelmaterial ein CoMn-Spinell eingesetzt wird. in that a CoMn spinel is used as the aerosol particle material.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 4. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zur Bildung einer hochdichten Sperrschicht (40) zur Ver- meidung von Sr-Diffusion eine Aerosol-Deposition ohne anschließende Temperung erfolgt. that aerosol deposition takes place without subsequent heat treatment to form a high-density barrier layer (40) to prevent Sr diffusion.
5. Verfahren nach Anspruch 4, 5. The method according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Aerosol-Deposition unter Bildung einer Schichtdicke von weniger als einem Mikrometer erfolgt. that an aerosol deposition takes place to form a layer thickness of less than a micrometer.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, 6. The method according to any one of claims 4 and 5, characterized,
dass als Aerosolpartikelmaterial CGO eingesetzt wird. in that CGO is used as the aerosol particle material.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zur Bildung einer Kontaktschicht (20) auf einer katho- denseitigen Interkonnektorenplatte (5) eine Aerosol- Deposition mit anschließender Temperung zur Einstellung einer porösen Schichtstruktur erfolgt. in that, to form a contact layer (20) on a cathode-side interconnector plate (5), an aerosol deposition with subsequent tempering takes place for setting a porous layer structure.
8. Verfahren nach Anspruch 7, 8. The method according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Aerosol-Deposition unter Bildung einer Schichtdicke von mehr als zehn Mikrometer erfolgt. that an aerosol deposition takes place to form a layer thickness of more than ten micrometers.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, 9. The method according to any one of claims 7 and 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als Aerosolpartikelmaterial ein LaCuCo-Oxid eingesetzt wird . in that an LaCuCo oxide is used as the aerosol particle material.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, 10. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zur Bildung einer hochporösen Kathoden-Funktionsschicht (30) eine Aerosol-Deposition mit anschließender Temperung er- folgt. that an aerosol deposition with subsequent tempering takes place in order to form a highly porous cathode functional layer (30).
11. Verfahren nach Anspruch 10, 11. The method according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Aerosol-Deposition unter Bildung einer Schichtdicke von weniger als zwanzig Mikrometer erfolgt. that aerosol deposition takes place to form a layer thickness of less than twenty micrometers.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, 12. The method according to any one of claims 10 and 11,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass als Aerosolpartikelmaterial LSM-Verbindungen und/oder LSCF-Verbindungen eingesetzt werden. in that LSM compounds and / or LSCF compounds are used as the aerosol particle material.
13. Verfahren nach Anspruch 12, 13. The method according to claim 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die als Aerosolpartikelmaterial eingesetzten LSM- Verbindungen und/oder LSCF-Verbindungen mit 8YSZ und/oder 3YSZ und/oder Zirkonoxid und/oder CGO gemischt sind. characterized, in that the LSM compounds and / or LSCF compounds used as aerosol particle material are mixed with 8YSZ and / or 3YSZ and / or zirconium oxide and / or CGO.
14. Festelektrolyt-Brennstoffzelle, welche zumindest teilwei¬ se gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gefertigt ist. 14. Solid electrolyte fuel cell, which is at least teilwei ¬ se made according to a method according to one of claims 1 to 13.
15. Festelektrolyt-Batterie, welche zumindest teilweise gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gefertigt ist . 15. Solid electrolyte battery, which is at least partially manufactured according to a method according to one of claims 1 to 13.
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