WO2019048340A1 - Brennstoffzelle mit verbesserter robustheit - Google Patents

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WO2019048340A1
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foam material
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oxide
foam
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PCT/EP2018/073391
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Kai Weeber
Friedrich Kneule
Andreas Haeffelin
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell, in particular solid oxide fuel cell, and to a method for producing such a fuel cell, comprising at least one carrier substrate and a functional layer system applied to the carrier substrate, and a fuel cell stack having at least one such fuel cell.
  • the invention also relates to a fuel cell stack with such a fuel cell and to a method for producing such a fuel cell stack.
  • Substrate area comprises, on which the electrochemically active cell layers are applied.
  • the present invention has the advantage that the carrier substrate is formed at least substantially of a foam material, whereby the
  • Manufacturing costs of the fuel cell can be reduced.
  • Foam material is a metallic foam material, whereby the mechanical and thermal stability of the carrier substrate is increased. It is also advantageous that the foam material has a high porosity, whereby a high gas permeability of the carrier substrate can be achieved.
  • the foam material is provided with no further material and in particular consists exclusively of the metallic foam material, whereby a particularly high gas permeability is made possible.
  • the foam material is provided with a filling material, whereby the properties of the foam material can be selectively modified.
  • the foam material is provided with a, in particular inert, ceramic filling material, preferably comprising at least aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (ZrCh) and / or forsterite (Mg 2 [SiO 4 ]), whereby the chemical stability of the carrier substrate is increased can be.
  • a, in particular inert, ceramic filling material preferably comprising at least aluminum oxide (Al 2 O 3), zirconium oxide (ZrCh) and / or forsterite (Mg 2 [SiO 4 ]
  • the foam material is provided with a catalytic filler, in particular a reformer material, preferably comprising at least nickel (Ni), nickel oxide (NiO) and / or aluminum oxide (Al 2 O 3), whereby a particularly effective reforming process can be carried out in the carrier substrate ,
  • a catalytic filler in particular a reformer material, preferably comprising at least nickel (Ni), nickel oxide (NiO) and / or aluminum oxide (Al 2 O 3), whereby a particularly effective reforming process can be carried out in the carrier substrate ,
  • Filler material in particular a desulfurizing material, preferably comprising at least copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO), manganese oxide (MnCh), cobalt (Co), molybdenum (Mo) and / or alumina (AI2O3), whereby a particularly effective desulfurization process in Carrier substrate can take place.
  • a desulfurizing material preferably comprising at least copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO), manganese oxide (MnCh), cobalt (Co), molybdenum (Mo) and / or alumina (AI2O3), whereby a particularly effective desulfurization process in Carrier substrate can take place.
  • the foam material with a chromium and / or silicon-reducing filler preferably comprising at least manganese cobalt oxide (Mn2 x COi + x 0 4 ⁇ o) and / or lanthanum-strontium manganese oxide (LaSrMn) , is provided, whereby the functional layer system can be particularly effectively preserved against chromium and / or silicon poisoning.
  • a chromium and / or silicon-reducing filler preferably comprising at least manganese cobalt oxide (Mn2 x COi + x 0 4 ⁇ o) and / or lanthanum-strontium manganese oxide (LaSrMn)
  • the foam material is designed as an interconnector whereby a technically elegant, electrical contact with low electrical resistance is made possible.
  • media guide channels 0 are introduced into the foam material, whereby a targeted supply of media, such as
  • the functional layer system is made possible and beyond pressure losses are reduced.
  • the foam material is materially connected to a separating element, in particular a metal sheet, whereby the
  • Fuel cell can be sealed against the environment and also the electrical resistance can be reduced in an electrical contact.
  • the invention also relates to a method for producing a fuel cell, in particular a fuel cell according to the preceding description, with at least one carrier substrate and a functional layer system applied to the carrier substrate, characterized in that the carrier substrate is formed at least substantially of a foam material, whereby the production costs are minimized can be made and the carrier substrate can be designed flexibly.
  • the foam material is sintered with a separating element, in particular a metal sheet, preferably with a material fit, whereby a particularly good electrical connection between the carrier substrate and the substrate is achieved
  • the invention also relates to a fuel cell stack, which is characterized in that it comprises at least one fuel cell according to the preceding description, whereby the previously mentioned properties of an inventive
  • Fuel cell for the fuel cell stack can be used efficiently to increase performance.
  • the invention also relates to a method for producing a
  • Fuel cell stacks wherein at least one fuel cell of the fuel cell stack is produced by a method according to the preceding description, whereby a cost-effective production of the fuel cell stack is made possible.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a fuel cell
  • Fig. 2 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 4 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 5 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 6 is a schematic representation of another embodiment of a
  • Fig. 7 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 has a carrier substrate 12 and a on the
  • Carrier substrate 12 applied functional layer system 16.
  • the fuel cell 10 is characterized in that the carrier substrate 12 is at least substantially formed of a foam material 16, whereby the manufacturing cost of
  • Fuel cell 10 can be reduced.
  • the foam material 16 is designed as a metallic foam material 18, whereby the mechanical and thermal stability of the fuel cell 10 is increased efficiently.
  • the metallic foam material 18 can be understood as a metal foam 18.
  • the metallic foam material 18 is made of robust steel. However, it would also be conceivable to use other metals for the metallic foam material 18.
  • the foam material 16 has a high porosity, whereby a high gas permeability of the carrier substrate 12 is achieved.
  • the foam material 16 is provided with no further material and consists solely of the metallic
  • the fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell 19, or SO.sub.FC fuel cell 20. Due to the increased mechanical and thermal
  • the fuel cell 10 or the solid oxide fuel cell 20, now be provided to be used in mobile applications for generating electricity and / or heat.
  • the fuel cell 10 can be used in APUs and / or range extenders. Also, use of the fuel cell 10 is for
  • Solid oxide fuel cell 20 is intended to be used in stationary applications for the production of electricity and / or heat.
  • the fuel cell 10 could be used in building cogeneration plants.
  • the functional layer system 14 has a first electrode 20, in the case shown an anode 22, a second electrode 24, in the case shown a cathode 26, and an electrolyte 28 arranged therebetween.
  • the first electrode 20, or the anode 22 may for example consist of NiO and / or Ni with yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ).
  • the second electrode 24, or the cathode 26, can be made, for example, of lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM), lanthanum
  • the electrolyte 28 may, for example, up to 5mol% 10mol%, 8mol% in the case shown, of stabilized zirconia (8YSZ) and / or CGO.
  • the functional layer system 14 is in direct contact with the carrier substrate 12, which is formed from the foam material 16, or the metallic foam material 18.
  • the first electrode 20, or the anode 22 directly adjoins the carrier substrate 12.
  • the functional layer system 14 is sintered as a package in a reducing atmosphere during manufacture, the oxygen partial pressure P02 being set to 10 "19 bar This will be adjusted via a forming gas (N2 with 5% H2) to ensure that the metals do not oxidize, but oxide ceramics can still be sintered without being reduced.
  • a forming gas N2 with 5% H2
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a fuel cell 10.
  • the foam material 16 is provided with a filling material 30, whereby the properties of the foam material 30 can be selectively influenced and extended.
  • the foam material is provided by means of wet technique, for the embodiment shown by means of a Tunkvons with the filler 30.
  • the filling material 30 is introduced into the foam material 16 in such a way that a thin layer forms on the outer walls within the pores of the foam material 16 with the filling material 30, wherein the pores with the filling material 30 furthermore enclose a space through which a fluid can pass. Accordingly, the foam material 16 is also permeable to gas with the filling material 30.
  • the foam material 16 is previously sintered together with the filler 30. Then that will be produced by the filler 30.
  • Carrier substrate 12 consisting of the foam material 16 and the filling material 30, co-sintered with the functional layer system 14.
  • the foam material 16 is provided with a ceramic filler material 32 comprising forsterite (Mg 2 [SiO 4 ]).
  • the ceramic filler 32 comprises alumina (Al 2 O 3) or zirconia (ZrCh). It would also be conceivable that the ceramic filling material 32 a
  • the ceramic filling material 32 increases the stability of the fuel cell 10.
  • the ceramic filler 32 used is inert, which can be avoided that undesirable reactions with the gas atmosphere in the
  • the foam material 16 is provided with a catalytic filler 34, or a reformer material 36, which is preferably at least nickel (Ni), nickel oxide (NiO) and / or aluminum oxide (Al 2 O 3). has provided.
  • the reformer material 36 is integrated into the foam material 16, whereby a reforming of the
  • a separate reformer unit can be dispensed with. Accordingly, costs are saved.
  • the fuel cell 10 can be cooled, whereby the thermal management of the fuel cell 10 is improved.
  • the foam material 16 with a desulfurizing filler material 38, or a desulfurizing material 40 preferably at least copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO), manganese oxide (Mn0 2 ), Cobalt (Co), molybdenum (Mo) and / or alumina (Al 2 O 3).
  • CuO copper oxide
  • ZnO zinc oxide
  • Mn0 2 manganese oxide
  • Co Co
  • Mo molybdenum
  • Al 2 O 3 alumina
  • Desulfurizing material 34 integrated into the foam material 16 which leads to a cost reduction in the production, since no separate desulfurization is mandatory.
  • the foam material 16 with a chromium and / or silicon-reducing filler 42 which is preferably at least manganese cobalt oxide (Mn2-xCOi + x 0 4 ⁇ o ) and / or lanthanum-strontium-manganese oxide (LaSrMn).
  • Mn2-xCOi + x 0 4 ⁇ o manganese cobalt oxide
  • LaSrMn lanthanum-strontium-manganese oxide
  • the chromium and / or silicon reducing filler 32 is integrated into the foam material 16, resulting in a cost reduction in the production, since no separate unit for reducing chromium and / or silicon in the fuel gas is absolutely necessary.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell 10 according to the invention.
  • the functional layer system 14 has a first electrode 20, in the case shown an anode 22, a second electrode 24, in the case shown a cathode 26, and an electrolyte 28.
  • the electrolyte 28 encloses the first electrode 20, or the anode 22, in an edge region 44, whereby the porous anode 22 is sealed in the edge region 44.
  • the electrolyte 28 encloses the second electrode 24, or the cathode 26, in the edge region 44. It is likewise conceivable for the electrolyte to surround both the first electrode 20 or the anode 22 and also the second electrode 24 or the cathode 26 in the edge region 44.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a fuel cell 10 according to the invention.
  • the first electrode 20 or the anode 22 and the second electrode 24 or the cathode 26 are interchanged.
  • the second electrode 24, or the cathode 26 directly adjoins the carrier substrate 12.
  • FIG. 5 shows a schematic section of a further exemplary embodiment of a fuel cell 10 according to the invention.
  • a further carrier substrate 46 is applied to the functional layer system 14.
  • the further carrier substrate 46 is in
  • the further foam material 48 consists of the same material as the foam material 16.
  • the carrier substrate 12 and the further carrier substrate 46 are made of different materials.
  • the foam material 16 and depending on the embodiment, if necessary, another foam material 48 is formed as an interconnector 52.
  • the electrodes 20, 24 of the functional layer system 14 contacted in a technically elegant manner without the need to add a separate interconnector.
  • the resistance is reduced by the high surface area of the foam material 16 and possibly the further foam material 48, whereby an efficient electrical
  • media guide channels 54 are introduced into the foam material 16 and, depending on the embodiment, if necessary, into the further foam material 48, whereby the supply of media, such as fuel, air or even a coolant, can be selectively influenced and distributed.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 additionally has a separating element 56.
  • the separating element 56 is a metal sheet 58.
  • the foam material 16 and, in the case shown, also the further foam material 48 are bonded to the respective separating element 56 or to the respective metal sheet 58, whereby the
  • Media guide channels are separated from the environment of the fuel cell 10 or sealed.
  • a particularly resistant connection between the foam material 16, or the further foam material 48, and a respective separating element 56 can be produced.
  • separating elements 56 By the separating elements 56, or the metal sheets 58, a further possibility is also provided to contact the fuel cell 10.
  • electrical current can be tapped via the separating elements 56.
  • the additional increase in the current-conducting surface of the electrical resistance is further reduced, whereby an even more efficient electrical contact is possible.
  • Fig. 6 is a schematic representation of an embodiment of a
  • the fuel cell stack 60 has two fuel cells 10, as described in the exemplary embodiment according to FIG. 5 or in the exemplary embodiment according to FIG. 6 with separating elements 56.
  • the fuel cells 10 are stacked on each other, whereby the electric power is increased.
  • FIG. 6 are for a simplified
  • the fuel cell stack 60 or the individual fuel cells 10 have in the embodiment shown separating elements 56, or metal sheets 58, on. Separating elements 56, the media guide channels 54 of adjacent fuel cell 10 are fluidly separated from each other. In addition, contacting of individual fuel cells 10 via the separating elements 58 is made possible. For contacting the fuel cell stack 60 as a whole, it would also be possible to contact, for example, the top and bottom separator 58 of the fuel cell stack 60, so that the top and bottom
  • Separating element 58 act as manifolds 62.
  • the fuel cells 10 of the fuel cell stack 60 were made like the fuel cells 10 of the previous embodiments.
  • the foam material 16, or the metallic foam material 18, and possibly further foam material 48, or further metallic foam material 50, with a filling material 30, according to the described embodiments of FIG. 2 is provided making the properties of a
  • Fuel cell 10 or a fuel cell stack can be extended. It is also possible that in all embodiments, the first electrode 20, the second electrode 24 or both electrodes 20, 24 are coated with the electrolyte 28 in a peripheral region 44, whereby at least one of the electrodes 20, 24 or both sealed from the environment can be.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10), insbesondere Festoxidbrennstoffzelle (19), mit mindestens einem Trägersubstrat (12) und einem auf dem Trägersubstrat (12) aufgebrachten Funktionsschichtsystem (14). Es wird vorgeschlagen, dass das Trägersubstrat (12) zumindest im Wesentlichen aus einem Schaummaterial (16) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Brennstoffzellenstack (60) welcher zumindest eine solche Brennstoffzelle (10) aufweist. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle (10) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellenstacks (60).

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzelle mit verbesserter Robustheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Brennstoffzelle, mit mindestens einem Trägersubstrat und einem auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Funktionsschichtsystem sowie einen Brennstoffzellenstack aufweisend zumindest eine solche Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstack mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellenstacks.
Stand der Technik
Das Dokument DE 10 2007 034 967 AI offenbart eine Brennstoffzelle, welche eine pulvermetallurgisch hergestellte Platte aufweist, die einstückig einen porösen
Substratbereich umfasst, auf den die elektrochemisch aktiven Zellschichten aufgetragen sind.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat demgegenüber den Vorteil, dass das Trägersubstrat zumindest im Wesentlichen aus einem Schaummaterial ausgebildet ist, wodurch die
Herstellungskosten der Brennstoffzelle reduziert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch möglich. So ist es von Vorteil, dass das
Schaummaterial ein metallisches Schaummaterial ist, wodurch die mechanische und thermische Stabilität des Trägersubstrats erhöht wird. Vorteilhaft ist es auch, dass das Schaummaterial eine hohe Porosität aufweist, wodurch eine hohe Gasdurchlässigkeit des Trägersubstrats erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das Schaummaterial mit keinem weiteren Material versehen und besteht insbesondere ausschließlich aus dem metallischen Schaummaterial, wodurch eine besonders hohe Gasdurchlässigkeit ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Schaummaterial mit einem Füllmaterial versehen, wodurch die Eigenschaften des Schaummaterials gezielt modifiziert werden können.
Vorteilhaft ist es, wenn das Schaummaterial mit einem, insbesondere inerten, keramischen Füllmaterial, vorzugsweise aufweisend zumindest Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkoniumoxid (ZrCh) und/oder Forsterit (Mg2[Si04]), versehen ist, wodurch die chemische Stabilität des Trägersubstrats erhöht werden kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Schaummaterial mit einem katalytischen Füllmaterial, insbesondere einem Reformermaterial, vorzugsweise aufweisend zumindest Nickel (Ni), Nickeloxid (NiO) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3), versehen ist, wodurch ein besonders effektiver Reformierungsprozess im Trägersubstrat durchgeführt werden kann.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Schaummaterial mit einem entschwefelndem
Füllmaterial, insbesondere einem Entschwefelungsmaterial, vorzugsweise aufweisend zumindest Kupferoxid (CuO), Zinkoxid (ZnO), Manganoxid (MnCh), Cobalt (Co), Molybdän (Mo) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3), versehen ist, wodurch ein besonders effektiver Entschwefelungsprozess im Trägersubstrat stattfinden kann.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Schaummaterial mit einem Chrom- und/oder Silicium- reduzierenden Füllmaterial, vorzugsweise aufweisend zumindest Mangan-Cobalt-Oxid (Mn2- xCOi+x04± o) und/oder Lanthan-Strontium-Manganoxid (LaSrMn), versehen ist, wodurch das Funktionsschichtsystem besonders effektiv vor einer Chrom- und/oder Siliciumvergiftung bewahrt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist das Schaummaterial als Interconnector ausgebildet wodurch eine technisch elegante, elektrische Kontaktierung mit geringem elektrischen Widerstand ermöglicht wird. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung sind Medienführungskanäle 0 in das Schaummaterial eingebracht, wodurch eine gezielte Zuführung von Medien, wie
Beispielsweise Brennstoff und/oder Luft, zum Funktionsschichtsystem ermöglicht wird und darüber hinaus Druckverluste reduziert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung ist das Schaummaterial stoffschlüssig mit einem Trennelement, insbesondere einem Metallblech, verbunden, wodurch die
Brennstoffzelle gegenüber der Umgebung abgedichtet werden kann und zudem der elektrische Widerstand bei einer elektrischen Kontaktierung reduziert werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Brennstoffzelle nach der vorhergehenden Beschreibung, mit mindestens einem Trägersubstrat und einem auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Funktionsschichtsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat zumindest im Wesentlichen aus einem Schaummaterial ausgebildet wird, wodurch die Herstellungskosten minimiert werden können und des Trägersubstrat flexibel ausgestaltet werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn das Schaummaterial, insbesondere mittels Nasstechnik,
vorzugsweise mittels eines Tunkverfahrens, mit einem Füllmaterial versehen wird, wodurch eine wodurch flexible Weiterentwicklungen der Brennstoffzelle ermöglicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Schaummaterial mit einem Trennelement, insbesondere einem Metallblech, vorzugsweise stoffschlüssig, gesintert wird, wodurch eine besonders gute elektrische Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem
Trennelement hergestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstack, welcher sich dadurch auszeichnet, dass dieser zumindest eine Brennstoffzelle nach der vorhergehenden Beschreibung aufweist, wodurch die bisher genannten Eigenschaften einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzelle für den Brennstoffzellenstack effizient zur Leistungssteigerung eingesetzt werden können.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines
Brennstoffzellenstacks, wobei zumindest eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks mittels eines Verfahrens nach der vorhergehenden Beschreibung hergestellt wird, wodurch eine kostengünstige Herstellung des Brennstoffzellenstacks ermöglicht wird. Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzelle,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzelle,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzelle,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzelle,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzelle,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Brennstoffzellenstacks,
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle 10 gezeigt. Die Brennstoffzelle 10 weist ein Trägersubstrat 12 und ein auf dem
Trägersubstrat 12 aufgebrachtes Funktionsschichtsystem 16 auf. Die Brennstoffzelle 10 zeichnet sich dadurch aus, dass das Trägersubstrat 12 zumindest im Wesentlichen aus einem Schaummaterial 16 ausgebildet ist, wodurch die Herstellungskosten der
Brennstoffzelle 10 reduziert werden. Das Schaummaterial 16 ist als metallisches Schaummaterial 18 ausgeführt, wodurch die mechanische und thermische Stabilität der Brennstoffzelle 10 effizient erhöht wird. Dabei kann das metallische Schaummaterial 18 als Metallschaum 18 verstanden werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das metallische Schaummaterial 18 aus robustem Stahl. Es wäre allerdings auch denkbar, andere Metalle für das metallische Schaummaterial 18 zu verwenden.
Darüber hinaus weist das Schaummaterial 16 eine hohe Porosität auf, wodurch eine hohe Gasdurchlässigkeit des Trägersubstrats 12 erreicht wird.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Schaummaterial 16 mit keinem weiteren Material versehen und besteht ausschließlich aus dem metallischen
Schaummaterial 18, wodurch eine besonders hohe Gasdurchlässigkeit des Trägersubstrats 12 erreicht wird.
Bei der Brennstoffzelle 10 handelt es sich im gezeigten Fall um eine Festoxidbrennstoffzelle 19, bzw. SO FC- Brennstoffzelle 20. Durch die erhöhte mechanische und thermische
Stabilität, kann die Brennstoffzelle 10, bzw. die Festoxidbrennstoffzelle 20, nun dazu vorgesehen sein, in mobilen Anwendungen zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme verwendet zu werden. So lässt sich die Brennstoffzelle 10 beispielsweise in APUs und/oder Range- Extendern verwenden. Auch ist eine Verwendung der Brennstoffzelle 10 zur
Elektrolyse oder Hydrolyse denkbar.
Alternativ wäre es auch denkbar, dass die Brennstoffzelle 10, bzw. die
Festoxidbrennstoffzelle 20, dazu vorgesehen ist, in stationären Anwendungen zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme verwendet zu werden. So könnte die Brennstoffzelle 10 beispielsweise in Kraft- Wärme- Kopplungsanlagen für Gebäude verwendet werden.
Das Funktionsschichtsystem 14 weist eine erste Elektrode 20, im gezeigten Fall eine Anode 22, eine zweite Elektrode 24, im gezeigten Fall eine Kathode 26, und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 28 auf.
Die erste Elektrode 20, bzw. die Anode 22, kann beispielsweise aus NiO und/oder Ni mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) bestehen. Die zweite Elektrode 24, bzw. die Kathode 26, kann beispielsweise aus Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM), Lanthan-
Strontium-Cobaltoxid (LSC), Lanthan-Strontium-Cobalt-Eisenoxid (LSCF) und/oder einem vergleichbaren Material bestehen. Der Elektrolyt 28 kann beispielsweise zu 5mol% bis 10mol%, im gezeigten Fall zu 8mol%, aus stabilisiertem Zirkoniumoxid (8YSZ) und/oder CGO bestehen. Durch die genannten Zusammensetzungen wird ein besonders effektiver Betrieb der Brennstoffzelle 10 ermöglicht. Das Funktionsschichtsystem 14 ist im direkten Kontakt mit dem Trägersubstrat 12, welches aus dem Schaummaterial 16, bzw. dem metallischen Schaummaterial 18, ausgebildet ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt die erste Elektrode 20, bzw. die Anode 22, direkt an das Trägersubstrat 12. Das Funktionsschichtsystem 14 wird während einer Herstellung als Paket in reduzierender Atmosphäre gesintert, wobei der Sauerstoffpartialdruck P02 auf 10 " 19 bar eingestellt wird. Dies wird über ein Formiergas (N2 mit 5% H2) eingestellt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Metalle nicht oxidieren, oxidische Keramiken aber dennoch ohne reduziert zu werden, gesintert werden können.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle 10 gezeigt. In dem gezeigten Fall ist das Schaummaterial 16 mit einem Füllmaterial 30 versehen, wodurch die Eigenschaften des Schaummaterials 30 gezielt beeinflusst und erweitert werden können.
In einem Herstellungsprozess wird das Schaummaterial mittels Nasstechnik, für das gezeigte Ausführungsbeispiel mittels eines Tunkverfahrens, mit dem Füllmaterial 30 versehen. Dabei wird das Füllmaterial 30 derart in das Schaummaterial 16 eingebracht, dass sich mit dem Füllmaterial 30 eine dünne Schicht an den Außenwände innerhalb der Poren des Schaummaterials 16 ausbildet, wobei die Poren mit dem Füllmaterial 30 weiterhin einen Raum umschließen den ein Fluid passieren kann. Entsprechend ist das Schaummaterial 16 auch mit dem Füllmaterial 30 gasdurchlässig.
Zur Herstellung der in Fig. 2 gezeigten Brennstoffzelle 10 wird das Schaummaterial 16 vorab zusammen mit dem Füllmaterial 30 gesintert. Daraufhin wird das
Funktionsschichtsystem 14 auf das Trägersubstrat 12, bestehend aus dem
Schaummaterial 16 und dem Füllmaterial 30, aufgebracht. Anschließend wird das
Trägersubstrat 12, bestehend aus dem Schaummaterial 16 und dem Füllmaterial 30, mit dem Funktionsschichtsystem 14 co-gesintert.
In dem gezeigten Fall ist das Schaummaterial 16 mit einem keramischen Füllmaterial 32 versehen, welches Forsterit (Mg2[Si04]) aufweist. Es ist aber auch möglich, dass das keramische Füllmaterial 32 Aluminiumoxid (AI2O3) oder Zirkoniumoxid (ZrCh) aufweist. Auch wäre es denkbar, dass das keramische Füllmaterial 32 eine
Materialzusammensetzung aufweist, welche sich aus Aluminiumoxid (AI2O3),
Zirkoniumoxid (ZrCh) und/oder Forsterit (Mg2[Si04]) zusammensetzt.
Durch das keramische Füllmaterial 32 wird die Stabilität der Brennstoffzelle 10 erhöht. Zudem ist das verwendete keramische Füllmaterial 32 inert, wodurch vermieden werden kann, dass unerwünschte Reaktionen mit der Gasatmosphäre bei der
Herstellung der Brennstoffzelle 10 stattfinden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls der Darstellung aus Fig. 2 entspricht, ist das Schaummaterial 16 mit einem katalytischen Füllmaterial 34, bzw. einem Reformermaterial 36, welches vorzugsweise zumindest Nickel (Ni), Nickeloxid (NiO) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3) aufweist, versehen. So ist das Reformermaterial 36 in das Schaummaterial 16 integriert, wodurch eine Reformierung eines zum
Funktionsschichtsystem 14 zugeführten Brennstoffs, wie beispielsweise Erdgas, im Schaummaterial 16 stattfinden. So kann bei einem Brennstoffzellensystem, welches mit Brennstoffzellen 10 realisiert ist, auf eine separate Reformereinheit verzichtet werden. Entsprechend werden Kosten gespart. Darüber hinaus kann durch einen endothermen Reformierungsprozess die Brennstoffzelle 10 gekühlt werden, wodurch das Thermomanagement der Brennstoffzelle 10 verbessert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls der Darstellung aus Fig. 2 entspricht, ist das Schaummaterial 16 mit einem entschwefelndem Füllmaterial 38, bzw. einem Entschwefelungsmaterial 40, welches vorzugsweise zumindest Kupferoxid (CuO), Zinkoxid (ZnO), Manganoxid (Mn02), Cobalt (Co), Molybdän (Mo) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3) aufweist, versehen. Dadurch werden die Elektroden vor einer Vergiftung durch Schwefel im Brenngas geschützt. Auch ist das
Entschwefelungsmaterial 34 in das Schaummaterial 16 integriert, was zu einer Kosten red uktion in der Herstellung führt, da keine separate Entschwefelungseinheit zwingend erforderlich ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches ebenfalls der Darstellung aus Fig. 2 entspricht, ist das Schaummaterial 16 mit einem Chrom- und/oder Silicium- reduzierenden Füllmaterial 42, welches vorzugsweise zumindest Mangan-Cobalt-Oxid (Mn2-xCOi+x04± o) und/oder Lanthan-Strontium-Manganoxid (LaSrMn) aufweist, versehen. Dadurch werden die Elektroden vor einer Vergiftung durch Chrom oder Silicium im Brenngas geschützt. Auch ist das Chrom- und/oder Silicium-reduzierenden Füllmaterial 32 in das Schaummaterial 16 integriert, was zu einer Kostenreduktion in der Herstellung führt, da keine separate Einheit zur Reduzierung von Chrom- und/oder Silicium im Brenngas zwingend erforderlich ist.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10. Auch hier weist das Funktionsschichtsystem 14 eine erste Elektrode 20, im gezeigten Fall eine Anode 22, eine zweite Elektrode 24, im gezeigten Fall eine Kathode 26, und einen Elektrolyten 28 auf. Jedoch umschließt hier der Elektrolyt 28 die erste Elektrode 20, bzw. die Anode 22, in einem Randbereich 44, wodurch die poröse Anode 22 in dem Randbereich 44 abgedichtet wird.
Alternativ ist es auch denkbar, dass der Elektrolyt 28 die zweite Elektrode 24, bzw. die Kathode 26, in dem Randbereich 44 umschließt. Ebenso ist es denkbar, dass der Elektrolyt sowohl die erste Elektrode 20, bzw. die Anode 22, als auch die zweite Elektrode 24, bzw. die Kathode 26, in dem Randbereich 44 umschließt.
In Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10. In dem Ausführungsbeispiel sind die erste Elektrode 20, bzw. die Anode 22, und die zweite Elektrode 24, bzw. die Kathode 26, vertauscht. So grenzt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die zweite Elektrode 24, bzw. die Kathode 26, direkt an das Trägersubstrat 12.
Figur 5 zeigt einen schematischen Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10. In diesem Fall ist auf das Funktionsschichtsystem 14 ein weiteres Trägersubstrat 46 aufgebracht. Das weitere Trägersubstrat 46 ist im
Wesentlichen aus einem weiteren Schaummaterial 48, bzw. einem weiteren metallischen Schaummaterial 50, ausgebildet. In dem in Fig. 5 gezeigten Fall ist das weitere Trägersubstrat 46 baugleich zu dem
Trägersubstrat 12. So besteht das weitere Schaummaterial 48 aus demselben Material wie auch das Schaummaterial 16. Es ist allerdings auch denkbar, dass das Trägersubstrat 12 und das weitere Trägersubstrat 46 aus unterschiedliche Materialien bestehen. In allen Ausführungsbeispielen ist das Schaummaterial 16 und je nach Ausführungsbeispiel ggf. ein weiteres Schaummaterial 48 als Interconnector 52 ausgebildet. So können die Elektroden 20, 24 des Funktionsschichtsystems 14 auf technisch elegante Weise kontaktiert werden, ohne dass ein zusätzliches Anbringen eines separaten Interconnectors notwendig ist. Auch wird der Wiederstand durch die hohe Oberfläche des Schaummaterials 16 und ggf. des weiteren Schaummaterials 48 verringert, wodurch eine effiziente elektrische
Kontaktierung ermöglicht wird.
Auch sind in allen Ausführungsbeispielen Medienführungskanäle 54 in das Schaummaterial 16 und je nach Ausführungsbeispiel ggf. in das weitere Schaummaterial 48 eingebracht, wodurch die Zuführung von Medien, wie beispielsweise Brennstoff, Luft oder sogar einem Kühlmittel, gezielt beeinflusst und verteilt werden kann.
In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzelle 10 gezeigt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzelle 10 zusätzlich ein Trennelement 56 auf. Bei dem Trennelement 56 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Metallblech 58. Dabei ist das Schaummaterial 16 und im gezeigten Fall auch das weitere Schaummaterial 48 stoffschlüssig mit dem jeweiligen Trennelement 56, bzw. mit dem jeweiligen Metallblech 58, verbunden, wodurch die
Medienführungskanäle von der Umgebung der Brennstoffzelle 10 getrennt bzw. abgedichtet werden. Während der Herstellung der Brennstoffzelle 10 wird das Schaummaterial 16, bzw. auch das weitere Schaummaterial 48, mit dem jeweiligen Trennelement 56, bzw. dem jeweiligen Metallblech 58, stoffschlüssig gesintert. So kann eine besonders beständige Verbindung zwischen dem Schaummaterial 16, bzw. dem weiteren Schaummaterial 48, und einem jeweiligen Trennelement 56 hergestellt werden.
Durch die Trennelemente 56, bzw. die Metallbleche 58 wird zudem eine weitere Möglichkeit geliefert die Brennstoffzelle 10 zu kontaktieren. So kann auch elektrischer Strom über die Trennelemente 56 abgegriffen werden. Durch die zusätzliche Erhöhung der stromleitenden Oberfläche wird der elektrische Widerstand nochmals reduziert, wodurch eine noch effizientere elektrische Kontaktierung möglich ist.
In Fig. 6 ist eine schematisch Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Brennstoffzellenstacks 60 gezeigt. Der Brennstoffzellenstack 60 weist zwei Brennstoffzelle 10 auf, wie sie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, bzw. in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 mit Trennelementen 56, beschrieben wurden. Die Brennstoffzellen 10 sind aufeinandergestapelt, wodurch die elektrische Leistung erhöht wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 sind der für eine vereinfachte
Darstellung lediglich zwei Brennstoffzellen 10 aufeinandergestapelt. Es ist aber auch möglich eine deutlich höhere Anzahl an Brennstoffzellen 10 aufeinander zu stapeln. So wäre es auch möglich beispielsweise 400 Brennstoffzellen 10 dieser Bauart aufeinanderzustapeln.
Der Brennstoffzellenstack 60, bzw. die einzelnen Brennstoffzellen 10 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel Trennelemente 56, bzw. Metallbleche 58, auf. Trennelemente 56 werden die Medienführungskanäle 54 benachbarter Brennstoffzellen 10 strömungstechnisch voneinander getrennt. Zudem wird eine Kontaktierung einzelner Brennstoffzellen 10 über die Trennelemente 58 ermöglicht. Für eine Kontaktierung des Brennstoffzellenstack 60 im gesamten, wäre es auch mögliche beispielsweise das oberste und unterste Trennelement 58 des Brennstoffzellenstacks 60 zu kontaktieren, so dass das oberste und unterste
Trennelement 58 als Sammelleitungen 62 fungieren.
Die Brennstoffzellen 10 des Brennstoffzellenstacks 60 wurden wie die Brennstoffzellen 10 aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen hergestellt.
Es ist möglich, dass in allen Ausführungsbeispielen das Schaummaterial 16, bzw. das metallische Schaummaterial 18, und ggf. weiteres Schaummaterial 48, bzw. weiteres metallisches Schaummaterial 50, mit einem Füllmaterial 30, gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen zu Fig. 2, versehen ist, wodurch die Eigenschaften einer
Brennstoffzelle 10 oder eines Brennstoffzellenstacks erweitert werden. Auch ist es möglich, dass in allen Ausführungsbeispielen die erste Elektrode 20, die zweite Elektrode 24 oder beide Elektroden 20, 24 mit dem Elektrolyten 28 in einem Randbereich 44 überzogen sind, wodurch zumindest eine der Elektroden 20, 24 oder gar beide gegenüber der Umgebung abgedichtet werden können.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (10), insbesondere Festoxidbrennstoffzelle (19), mit
mindestens einem Trägersubstrat (12) und einem auf dem Trägersubstrat (12) aufgebrachten Funktionsschichtsystem (14), dadurch
gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (12) zumindest im
Wesentlichen aus einem Schaummaterial (16) ausgebildet ist.
2. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) ein metallisches Schaummaterial (18) ist
3. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) eine hohe Porosität aufweist.
4. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Schaummaterial (16) mit keinem weiteren Material versehen ist und insbesondere ausschließlich aus dem metallischen Schaummaterial (18) besteht.
5. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem Füllmaterial (30) versehen ist.
6. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem, insbesondere inerten, keramischen Füllmaterial (32), vorzugsweise aufweisend zumindest Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkoniumoxid (ZrCh) und/oder Forsterit (Mg2[Si04]), versehen ist.
7. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem katalytischen Füllmaterial (34), insbesondere einem Reformermaterial (36),
vorzugsweise aufweisend zumindest Nickel (Ni), Nickeloxid (NiO) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3), versehen ist.
8. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem
entschwefelndem Füllmaterial (38), insbesondere einem
Entschwefelungsmaterial (40), vorzugsweise aufweisend zumindest Kupferoxid (CuO), Zinkoxid (ZnO), Manganoxid (Mn02), Cobalt (Co), Molybdän (Mo) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3), versehen ist.
9. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem Chrom- und/oder Silicium-reduzierenden Füllmaterial (42), vorzugsweise aufweisend zumindest Mangan-Cobalt-Oxid (Mn2-xCOi+x04± o) und/oder Lanthan-Strontium-Manganoxid (LaSrMn), versehen ist.
10. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) als Interconnector (52) ausgebildet ist.
11. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medienführungskanäle (54) in das
Schaummaterial (16) eingebracht sind.
12. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) stoffschlüssig mit einem Trennelement (56), insbesondere einem Metallblech (58), verbunden ist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (10), insbesondere einer Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem Trägersubstrat (16) und einem auf dem Trägersubstrat (12) aufgebrachten Funktionsschichtsystem (14), dadurch
gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (12) zumindest im
Wesentlichen aus einem Schaummaterial (16) ausgebildet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
Schaummaterial, insbesondere mittels Nasstechnik, vorzugsweise mittels eines Tunkverfahrens, mit einem Füllmaterial (30) versehen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das Schaummaterial (16) mit einem Trennelement (56), insbesondere einem Metallblech (58), vorzugsweise stoffschlüssig, gesintert wird.
16. Brennstoffzellenstack (60), dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest eine Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
17. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstacks (60),
insbesondere eines Brennstoffzellenstacks (60) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellenstacks (60) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 16 hergestellt wird.
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