DE102006045086A1

DE102006045086A1 - Elektrochemische Zellenstrukturen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006045086A1
Application number: DE102006045086A
Authority: DE
Inventors: Anthony Mark Thompson; David John Hamilton Wortman; Harish Radhakrishna Acharya; Richard Arthur Nardi Jr.; Yuk-Chiu Lau; Kenneth Walter Browall
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2007-03-29
Also published as: JP2007113114A; CN1953258A; US20070072046A1

Abstract

Eine elektrochemische Zellenstruktur enthält ein leitfähiges Grundelement, das mehrere Löcher aufweist, und eine Gitterschicht, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet ist. Eine poröse Auflageschicht durchdringt die Gitterschicht wenigstens teilweise bis zu dem leitfähigen Grundelement und/oder den Löchern.

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Zellenstrukturen und konkreter auf einen verbesserten Aufbau einer elektrochemischen Zelle und verbesserte Herstellungs- und Verarbeitungstechniken im Zusammenhang mit diesem.

Elektrochemische Zellen sind Energieumwandlungseinrichtungen, die gewöhnlich entweder als Elektrolysezellen oder als Brennstoffzellen klassifiziert werden. Elektrolysezellen können als Wasserstoffgeneratoren arbeiten, indem sie Wasser elektrolytisch zerlegen, um Wasserstoff- und Sauerstoffgas zu erzeugen. Brennstoffzellen bringen Wasserstoffgas elektrochemisch über eine Austauschmembran oder ein Elektrolyt mit einem Oxidationsmittel zur Reaktion, um Elektrizität zu erzeugen und Wasser zu produzieren. Brennstoffzellen, wie z.B. Festoxid-Brennstoffzellen, haben ein Potential für eine hohe Effizienz und geringe Verunreinigungen bzw. Umweltbelastungen gezeigt, und weisen viele mögliche Anwendungsgebiete auf, die die großtechnische Energieerzeugung, die verteilte Energieerzeugung und die Anwendung in Automobilen enthalten.

Eine der Schlüsselherausforderungen im Zusammenhang mit der Verbesserung von elektrochemischen Zellen ist die Entwicklung von kostengünstigen Verfahren zur Herstellung des Elektroden- und Elektrolytmaterials, insbesondere mit großen Flächeninhalten.

Demnach besteht in der Fachwelt Bedarf an einer verbesserten elektrochemischen Zellenausführung und den zugehörigen Herstellungstechniken.

Kurze Beschreibung

Eine elektrochemische Zellenträgerstruktur weist ein leitfähiges Grundelement bzw. einen leitfähigen Träger, der mehrere Löcher bildet, und eine Gitterschicht auf, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet ist. Eine poröse Auflageschicht durchdringt wenigstens teilweise die Gitterschicht bis zu dem leitfähigen Grundelement oder den Löchern.

Zeichnungen

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen die gleichen Elemente bezeichnen:

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Teilbereiche entfernt sind.

2 zeigt eine andere perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Teilbereiche entfernt sind.

3 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei Teilbereiche entfernt sind.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

6 zeigt ein Flussdiagramm, das Verfahrensschritte im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

7 zeigt eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Eine elektrochemische Zellenträgerstruktur 10 weist ein leitfähiges Grundelement 12, das mehrere sich durch das leitfähige Grundelement 12 hindurch erstreckende Löcher 14 aufweist, eine Gitterschicht 16, die auf dem leitfähigen Grundelement 12 angeordnet ist, und eine poröse Auflageschicht 18 auf, die die Gitterschicht 16 wenigstens teilweise durchdringt, wie es in 1 gezeigt ist.
Wie oben erörtert, besteht eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrochemischen Zellen in den zugehörigen Herstellungs- und Fertigungstechniken, insbesondere für Anwendungen mit größeren Oberflächeninhalten. In einigen konventionellen Zellenausführungen werden die Zellen unter Verwendung traditioneller keramischer Verarbeitungstechniken hergestellt, und die keramischen Zellen werden unter Verwendung einer Bondpaste zu einem metallischen Verbindungsstücks bzw. Interkonnektor gebondet. Die Bondpaste ist eine Ursache für Widerstandsverluste in der Zellenstruktur. In alternativen Verfahren, wie z.B. dem direkten Abscheiden der Brennstoffzellen, ist die Qualität des Elektrolyts von der Rauhigkeit in der darunter liegenden Elektrode (auf der das Elektrolyt abgeschieden wird) und Unvollkommenheiten bzw. Fehlerstellen in derselben abhängig. Wellungen in der Elektrodenschicht können bei der Zellenherstellung insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsabscheidetechniken Unvollkommenheiten erzeugen. Eine der erzeugten Fehlerarten sind Pinholes in der Zelle. Eine Lösung für dieses Problem hat darin bestanden, die Oberfläche der Elektrode nach der Beschichtung zu polieren. Diese Lösung schafft jedoch einen weiteren Verfahrensschritt, von dem nicht erwartet wird, dass er für eine Beschichtung großer Oberflächen robust ist, und der einem bereits ineffizienten Verfahren weitere Ineffizienz hinzufügt.
Die elektrochemische Zellenträgerstruktur 10 wendet sich jedem von diesen Problemen zu. Die Gitterschicht 16 ist auf dem leitfähigen Grundelement 12 angeordnet, und die poröse Auflageschicht 18 dringt in die Gitterschicht 12 hinein. Diese Anordnung erfordert keine Bondpaste, und die Komponenten werden sich während des Gebrauchs wesentlich weniger wahrscheinlich trennen und sind dadurch strukturell stabiler als konventionelle Anordnungen. Zusätzlich schafft die poröse Auflageschicht 18 eine relativ glatte Oberfläche, um atomistische Beschichtungstechniken, wie z.B. das chemische Gasphasenabscheiden (CVD), plasmaunterstütztes CVD (PE-CVD), physikalisches Gasphasenabscheiden (PVD), physikalisches Elektronenstrahl-Gasphasenabscheiden (EB-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheiden, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse oder spezielle Abscheidetechniken, wie z.B. Plasmaspritz-, Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren (HVOF) oder andere Beschichtungstechniken zu unterstützen.
Wie in 1 bis in 3 gezeigt ist, weist das leitfähige Grundelement 12 einen Aufbau vom Typ einer Platte auf, die eine Serie von Löchern 14 aufweist, die sie durchdringen und einer Fluidströmung, z.B. einer Brennstoff- oder Oxidationsmittelströmung, ermöglichen, von einer Seite des leitfähigen Grundelements 12 zu der gegenüberliegenden Seite des leitfähigen Grundelements 12 zu strömen. In einem Ausführungsbeispiel haben diese Löcher einen Durchmesser zwischen etwa 6,4 mm (0,25 Zoll) bis etwa 12,7 mm (0,5 Zoll). Wenn hierin der Ausdruck „Löcher" verwendet wird, bezieht er sich auf jede beliebige Art von Aussparung, Nut oder anderer Hohlraumanordnung, die es einer Fluidströmung ermöglicht, von einer Seite des leitfähigen Grundelements 12 auf die gegenüberliegende Seite hinüber zu strömen. Das leitfähige Grundelement 12 ist typischerweise aus Metallen hergestellt, die unter den Betriebsbedingungen, die mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)- und Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC)-Anwendungen verbunden sind, insbesondere hohen Temperaturen und Drücken, langsam oxidieren. Das leitfähige Grundelement 12 ist typischerweise ein aus Eisen, Chrom, Nickel, Zinn, Kombinationen derselben oder anderen Materialien, die konventionell als Interkonnektormaterialien, insbesondere in SOFC- und SOEC-Anwendungen, verwendet werden, hergestellter metallischer Interkonnektor. Solche Materialien enthalten konventionell z.B. chromhaltige Legierungen, z.B. eisenchrom (FeCr)-, nickelchrom (NiCr)- oder nickeleisenchrom (NiFeCr)-basierte Legie rungen. In einem Ausführungsbeispiel ist das leitfähige Grundelement 12 aus einem ferritischen rostfreien Stahl hergestellt. Die Abmessungen des leitfähigen Grundelements 12 und der zugehörigen Löcher 14 können in Abhängigkeit von den Anwendungs- und Größenanforderungen in einem weiten Bereich variieren. In einem Ausführungsbeispiel hat das leitfähige Grundelement einen Außenumfang, der keine Löcher 14 aufweist, so dass ein Elektrolyt oder Dichtungsmaterial mit dem Umfang überlappend angeordnet sein kann, um die Gasströmung darin abzudichten.
Die Gitterschicht 16 ist auf dem leitfähigen Grundelement 12 angeordnet. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise so angeordnet, dass sie die obere Oberfläche des leitfähigen Grundelements 12 einschließlich der Löcher 14 überzieht. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise an dem leitfähigen Grundelement 12 befestigt, um unter Anwendung eines beliebigen verfügbaren Verfahrens zum Sicherstellen des Bondings, z.B. durch Hartlöten oder Schweißen, die strukturelle Integrität sicherzustellen. Zu Zwecken der Erörterung wird jeder offene Bereich innerhalb der Gitterschicht 16 als ein Zwischenraum 20 bezeichnet. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise ein Stahldrahtgitter, ein Schirm, ein Raster, ein metallisches Drahtgitter, ein leitfähiger Schaum, ein Chromoxidbildnergitter oder besteht aus ähnlichen Materialien. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise aus Metallen hergestellt, die unter den Betriebsbedingungen im Zusammenhang mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)- und Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC)-Anwendungen verbunden sind, insbesondere hohen Temperaturen und hohen Drücken, langsam oxidieren. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise ein aus Eisen, Chrom, Nickel, Zinn, Kombinationen derselben oder andere Materialien, die konventionell als Interkonnektormaterialien, insbesondere in SOFC- und SOEC-Anwendungen, verwendet werden, hergestellter metallischer Interkonnektor. Solche Materialien enthalten konventionell z.B. chromhaltige Legierungen, z.B. FeCr-, NiCr- oder NiFeCr-basierte Legierungen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Gitterschicht aus einem ferritischen rostfreien Stahl hergestellt.
Die funktionalen Anforderungen an die Gitterschicht 16 bestehen darin, dass sie an dem leitfähigen Grundelement 12 befestigt werden kann, um die strukturelle Integrität sicherzustellen, und dass sie Öffnungen oder Zwischenräume 20 aufweist, um eine Fluidströmung zu fördern und in die poröse Auflageschicht 18 einzugreifen, wie es unten genauer erörtert wird. Die Zwischenräume 20 können verschiedene Abmessungen haben und brauchen keinen einheitlichen Querschnitt aufzuweisen. In einem Ausführungsbeispiel weisen die Zwischenräume 20 eine Breite in dem Bereich zwischen etwa 20 bis etwa 2500 μm auf.
Wie in 1 bis 3 gezeigt ist, ist eine poröse Auflageschicht 18 auf der Gitterschicht 16 angeordnet und dringt in die Zwischenräume 20 ein oder durch diese hindurch und bedeckt die obere Oberfläche der Gitterschicht 16, um eine glatte Außenoberfläche 22 zu schaffen. In einem Ausführungsbeispiel ist die poröse Auflageschicht 18 ein Elektrodenmaterial. Die Funktionsanforderungen an die poröse Auflageschicht 18 bestehen darin, dass sie durch die Zwischenräume 20 hindurchdringt, eine Fluidströmung durch ihre poröse Struktur hindurch fördert und eine relativ glatte Außenoberfläche 22 schafft, um Abscheideverfahren zuzulassen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der porösen Auflageschicht 18 im Wesentlichen an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Gitterschicht 16 angepasst, um bei thermischen Wechselbeanspruchungen ein Reißen zu vermeiden.
Um die elektrochemische Zellenstruktur 30 zu vervollständigen, wird ein dichter Elektrolyt 24 (3) auf die poröse Auflageschicht 18 oder in diesem Falle auf die erste Elektrode 18 aufgetragen. In einem Ausführungsbeispiel wird der Elektrolyt 24 unter Anwendung eines Direktbeschichtungsverfahrens, z.B. der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder Plasmaspritzen, auf der glatten Außenoberfläche 22 der porösen Auflageschicht 18 abgeschieden. Typischerweise bedeckt der dichte Elektrolyt 24 die glatte Außenoberfläche 22 der ersten Elektrode 18 vollständig, so dass kein Teil der glatten Außenoberfläche 22 freiliegt. Schließlich wird eine zweite Elektrode 26 gegenüber der ersten Elektrode 18 auf den Elektrolyt 24 aufgebracht. In einem Ausführungsbeispiel wird die zweite Elektrode 26 unter Anwendung eines Direktbeschichtungsverfahrens, z.B. PVD, oder alternativ durch Anwendung von Siebdruck oder Farbspritzen von flüssigkeitsdispergierten Partikeln auf den dichten Elektrolyt 24 aufgetragen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die elektrochemische Zellenstruktur 10 (1) hergestellt, indem zuerst eine metallische Gitterschicht 16 unter Anwendung konventioneller Verfahren wie Hartlöten oder Schweißen an einer metallischen perforierten leitfähigen Grundplatte 12 befestigt wird. Als nächstes wird eine erste Elektrode 18 (poröse Auflageschicht) auf die metallische Gitterschicht 16 aufgetragen. In einem Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung irgendeiner konventionellen Verarbeitungstechnik wie Siebdruck durch Pressen einer verformbaren Masse in die Zwischenräume 20 der Gitterschicht 16 aufgebracht. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrode 18 durch Keramikgießen bzw. Slip Casting der Pulverform der ersten Elektrode 18 in die Gitterschicht 16 und unter Verwendung einer porösen Trägerfolie aufgetragen, um Wasser zu entfernen. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung eines elektropheretischen Beschichtens durch Eintauchen der metallischen Gitterschicht 16 und der leitfähigen Grundplatte 12 in eine Gießmasse und unter einer anliegenden Spannung auf die metallische Gitterschicht 16 aufgebracht, wobei Partikel die Zwischenräume 20 auffüllen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung einer Co-Casting-Technik, wie z.B. Foliengießen, auf die metallische Gitterschicht aufgebracht. Das Metallgitter 16, die Grundplatte 12 und die erste Elektrode 18 werden danach auf Temperaturen zwischen etwa 800°C und etwa 1200°C erhitzt, um starke Bindungen zwischen den Partikeln der ersten Elektrode 18 zu erzeugen. Um die katalytische Aktivität der ersten Elektrode 18 oder der zweiten Elektrode 26 zu steigern, können sie (3) von einem flüssigen Precursor des Elektrodenmaterials oder einer feinen Dispersion von Partikeln durchtränkt werden, um eine Feinstruktur zu bilden, die den für katalytische Aktivität verfügbaren Dreiphasengrenzbereich vergrößert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält eine Elektrodenzellenstruktur 50 ein Maschensubstrat 52 und ein poröses Elektrodenmaterial 54, das auf dem Maschensubstrat 52 aufgetragen worden ist und dieses durchdringt, wie es in 4 gezeigt ist.
Wie oben erörtert besteht eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrochemischen Zellen in den zugehörigen Herstellungs- und Fertigungstechniken, insbesondere für Anwendungen mit größeren Flächeninhalten. In einigen konventionellen Zellenausführungen werden Zellen unter Anwendung traditioneller keramischer Verarbeitungstechnologien hergestellt, und die keramischen Zellen werden unter Verwendung einer Bondpaste an einen metallischen Interkonnektor gebondet. Ein Problem im Zusammenhang mit der traditionellen Keramikverarbeitung besteht darin, das resultierende Elektrodenmaterial mit einer vorteilhaften Mikrostruktur bei einer verringerten Dicke zu bilden.
Die Elektrodenzellenstruktur 50 wendet sich jedem dieser Probleme zu. Das Maschensubstrat 52 ist ein Gitter, typischerweise entweder ein Gitter aus rostfreiem Stahl oder Nickel, oder eine metallische Folie mit einer Vielzahl von Zwischenräumen 56 oder Öffnungen. Ein geeignetes Elektrodenmaterial 54, z.B. Nickel und Yttria-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), wird auf das Maschensubstrat 52 aufgetragen, um eine Mikrostruktur mit großen säulenartigen Poren an den Zwischenräumen 56 des Maschensubstrats 52 zu schaffen, die sich zu kleineren Öffnungen verengen. Diese säulenartige Porenstruktur fördert das Eindringen von Fluid (Brennstoff oder Oxidationsmittel) in die Elektrodenzellenstruktur 50 hinein. In einem Ausführungsbeispiel wird das Elektrodenmaterial 54 sowohl oben als auch unten auf das Maschensubstrat 52 aufgetragen. In dieser Ausführungsform dient das Maschensubstrat 52 als ein Rückgrat für die sich ergebende Elektrode, um säulenartige Poren zu fördern und die Elektrode tragend zu stützen und ein Reißen zu begrenzen.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 5 gezeigt ist, wird das Elektrodenmaterial 54 unter Verwendung eines Beschichtungssystems 58, zum Beispiel eines physikalischen Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidungssystem (EB-PVD) oder eines beliebigen anderen geeigneten Beschichtungssystems auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden. Ein durch die Verwendung eines EB-PVD-Systems erzielter Vorteil besteht darin, dass EB-PVD typischerweise zu einer feinen Mikrostruktur mit Korngrößen im Submikrometerbereich führt, die in elektrochemischen Zellenstrukturen wünschenswert ist.
In einem Ausführungsbeispiel wird als Maschensubstrat 52 ein Gitter aus rostfreiem Stahl verwendet, das eine Dicke von etwa 50 μm und einen Durchmesser der Zwischenräume von etwa 75 μm oder weniger aufweist. Der Abstand bzw. die Teilung der Zwischenräume ist ebenfalls ziemlich klein, z.B. etwa 150 μm am Zentrum. Das Elektrodenmaterial 54 wird durch einen EB-PVD-Prozess auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Koevaporation aus zwei Quellen, z.B. Nickel und YSZ, angewandt. In einem Ausführungsbeispiel ist das Beschichtungssystem 58 unter einem Winkel θ zu der Normalen bezogen auf das Maschensubstrat 52 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel θ zwischen etwa 25° und etwa 65° und vorzugsweise zwischen etwa 35° und etwa 55°. Bei diesen Winkeln tritt eine Abschattung auf und ermöglicht es, die Zwischenräume 56 graduell zu schließen.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Zwischenräume 56 vor der Abscheidung mit einem flüchtigen Material, z.B. Natriumchlorid, bedeckt. Das flüchtige Material in den Zwischenräumen verringert die Größe der Zwischenräume, wobei an der Stelle ein Wachstumsdefekt erzeugt wird. Die Verdampfung des Natriumchlorids erzeugt auch ein hohes Maß an Porosität innerhalb der Elektrode.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren in Verbindung mit dieser Erfindung darstellt. In S1 wird das Maschensubstrat 52 zur Beschichtung angeordnet. Als nächstes wird die Beschichtungsquelle 58 in S2 in einem Winkel θ bezogen auf das Maschensubstrat angeordnet. Wahlweise wird als nächstes in S3 ein flüchtiges Material auf das Maschensubstrat aufgebracht. Abschließend wird in S4 ein poröses Elektrodenmaterial 54 auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist eine elektrochemische Zellenstruktur ein poröses leitfähiges Grundelement 102, z.B. einen metallischen Schaum, und eine Auflageschicht 104 auf, die auf dem porösen leitfähigen Grundelement 102 aufgetragen worden ist und teilweise in das porösen leitfähigen Grundelement 102 eindringt, wie es in 7 gezeigt ist. In einer Ausführungsform enthält das poröse leitfähige Grundelement 102 einen Nickelschaum. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Auflageschicht 104 ein Elektrodenmaterial.
Die Auflageschicht 104 ist auf dem porösen leitfähigen Grundelement 102 angeordnet und dringt in das poröse leitfähige Grundelement 102 ein. Diese Anordnung erfordert keine Bondpaste, und die Komponenten werden sich während der Verwendung wesentlich weniger wahrscheinlich trennen und sind daher strukturell stabiler als konventionelle Anordnungen. Weiterhin schafft die Auflageschicht 104 eine relativ glatte Oberfläche, um atomistische Beschichtungstechniken, wie z.B. die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte CVD (PE-CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), physikalische Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse oder spezielle Abscheidetechniken, wie z.B. Plasmaspritz-, Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritz (HVOF)-Verfahren oder andere Beschichtungstechniken zu unterstützen. In einer Ausführungsform wird die Auflageschicht 104 unter Anwendung einer Beschichtungstechnik, wie z.B. PVD oder EB-PVD, auf dem porösen leitfähigen Grundelement abgeschieden.
Wie hierin erörtert können die Elektrolytmaterialien jedes beliebige konventionelle Elektrolytmaterial enthalten, z.B. einschließlich durch Zusatz von Ytterbiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (Yttria-stabilisiertes Zirkonoxid, YSZ); Lanthangallat; dotiertes Ceroxid; Ceroxid-stabilisiertes Zirkonoxid; ein stabilisertes Zirkonoxid wie CaO-stablisiertes Zirkonoxid, MgO-stabilisiertes Zirkonoxid, M₂O₃-stabilisiertes Zirkonoxid, wobei M aus der Gruppe aus Y, Sc, Yb, Nd, Sm oder Gd ausgewählt ist; Lanthangallat mit einer allgemeinen Zusammensetzung von La_1-x-wSr_x-wGa_1-yMg_y+zO_{3-0,5(x+y+5w-2z)}, wobei 0,3 x ≥ 0,1; 0,3 ≥ y ≥ 0,1, 0,04 ≥ w ≥ 0,01, 0,15 ≥ z ≥ 0,03; dotiertes Zeroxid, wobei CeO₂ mit einem aus oder einer Mischung von La₂O₃, Y₂O₃, Sm₂O₃, Gd₂O₃, anderen Seltenerdoxiden, Gd₂O₃ + Pr₂O₃, CaO, SrO dotiert ist; bestimmten stabilisierten Wismutsesquioxiden, Bi₂O₃-MO, wobei M Kalzium, Strontium oder Barium ist; Pyrochloroxiden von der allgemeinen Formel A₂B₂O₇, insbesondere Ln₂Zr₂O₇, wobei Ln ein Lanthanoid, wie z.B. Gd₂(Zr_xTi_1-x)₂O₇ (GZT) und Y₂ (Zr_xTi_1-x)₂O₇ (YZT) ist; oder Pe rowskitstrukturen, wie z. B. BaCe₀, ₉Gd_0,1O₃, CaAl_0,7Ti_0,3O₃, SrZr_0,9Sc_0,1O₃ oder Kombinationen derselben.
Wie hierin erörtert können die Elektrodenmaterialien Anodenmaterialien und Katodenmaterialien enthalten. Die Anodenmaterialien können jedes beliebige konventionelle Anodenmaterial enthalten, das z.B. enthält: eine Mischung, die ein elektronisch leitfähiges Material, wie z.B. ein Metall und/oder ein Metalloxid aufweist, das anschließend zur Bildung des Metalls reduziert wird, und ein ionisch leitfähiges Material enthält; Nickel, Nickeloxid und/oder ein Metall der Platingruppe; eine Einzelphase eines elektronisch leitfähigen Materials; bestimmte Metalle, die Ni, Co, Pt, Pd oder Ru enthalten; Mischoxidleiter, die das ZrO₂-Y₂O₃-TiO₂-System enthalten oder Kombinationen derselben. Die Kathodenmaterialien können jedes beliebige konventionelle Kathodenmaterial enthalten, das z.B, enthält: eine Mischung, die ein elektronisch leitendes Material, wie z.B. ein Metall und/oder ein Metalloxid, das anschließend zur Bildung des Metalls reduziert wird, und ein ionisch leitendes Material enthält; Nickel, Nickeloxid und/oder ein Metall der Platingruppe; Lanthanstrontiummanganit; dotiertes Lanthankobaltit; eine Mischung, die ein Metall der Platingruppe, Lanthanstrontiummanganit, dotiertes Lanthanferrit und/oder dotiertes Lanthankobaltit sowie ein elektronisch leitfähiges Material enthält; dotiertes Lanthanmanganit; LaMnO₃, das durch verschiedene Kationen, wie z.B. Ba, Ca, Cr, Co, Cu, Pb, Mg, Ni, K, Rb, Na, Sr, Ti oder Y substituiert wird; Lanthanstrontiummanganit mit einer allgemeinen Formel von La_1-xSr_xMnO₃, das ebenfalls mit Co oder Cr weiter dotiert werden kann; Lanthankobaltit; mit Sr, Ca, Mn oder Ni dotiertes LaCoO₃, um die Leitfähigkeit oder Wär meausdehnung einzustellen; dotiertes Lanthanferrit, z.B. La_0,8Sr_0,2Fe_xCo_yO₃ oder Kombinationen derselben.
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf zwei Elektroden, eine Kathode und eine Anode mit einem zwischen diesen angeordneten Elektrolyt, erörtert wird, kann eine andere Ausführungsform zusätzlich weitere Schichten enthalten. Bestimmte Ausführungsformen können z.B. Pufferschichten enthalten, die zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt angeordnet sind. Diese Pufferschichten können aus verschiedenen Gründen einbezogen werden, die ohne eine Beschränkung darauf umfassen, eine schädliche chemische Wechselwirkung zwischen den anderen Schichten zu verhindern. Einige Ausführungsformen können z.B. eine Zwischenschicht aus Cer-Gadolinium-Oxid oder dergleichen enthalten, die verwendet werden kann, um die Interdiffusion und chemische Interaktion zwischen einer Schicht aus YSZ und einer Schicht aus Lanthankobaltit, Lanthanstronziumferrit oder Mischungen derselben zu verringern. In ähnlicher Weise kann eine Zwischenschicht aus Samarium-dotiertem Ceroxid (Ce_1-xSm_xO_2-0,5x) verwendet werden, um die Interdiffusion und chemische Wechselwirkung zwischen einer Kompositanode aus NiO: CeO₂ und LSGM (La_1,8Sr_0,2Ga_1-yMg_yO_2,9-0,5y, wobei 0,05 < y < 0,3) zu verringern.
Mehrere der in dieser Beschreibung erörterten Ausführungsbeispiele schaffen einen Träger oder ein Substrat von hoher Porosität zur Abscheidung, besonders zur Abscheidung bei großem Flächeninhalt, wobei jeder Träger für einen niedrigen Gastransportwiderstand zugeschnitten und gegenüber mechanischen und thermischen Beanspruchungen robust ist. Weiterhin schaffen mehrere der Ausführungsbeispiele eine relativ glatte Außenoberfläche, die für verschiedene Abscheideverfah ren geeignet ist. Das in dieser Verbindung erörterte, leitfähige Grundelement ist typischerweise ein Interkonnektor bzw. Verbindungsstück und spezieller ein Metallinterkonnektor. Das poröse oder mikroporöse Auflagematerial oder Substratmaterial kann entweder das Kathodenmaterial oder das Anodenmaterial enthalten, oder alternativ kann das poröse oder mikroporöse Auflagematerial eine weitere Schicht, wie z.B. eine Gasdiffusionsschicht aufweisen. In zahlreichen der Ausführungsbeispiele ist das poröse oder mikroporöse Auflagematerial die Elektrode und schafft eine relativ glatte Oberfläche zur Abscheidung der restlichen Zellenschichten. Weiterhin beinhalten zahlreiche der Ausführungsbeispiele die Verwendung eines Maschenmaterials, wie einem Gitter, Raster oder Schirm, das an dem leitfähigen Grundelement befestigt ist. Typischerweise ist das Maschenmaterial aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie das leitfähige Grundelement hergestellt. In dem Fall, in dem das leitfähige Grundelement und das Maschenmaterial jeweils aus einem Interkonnektormaterial hergestellt sind, weisen die sich ergebenden Strukturen eine verbesserte mechanische Dauerhaftigkeit auf, wobei der Strompfad weniger empfindlich gegenüber Rissen ist, die sich typischerweise parallel zu der Elektroden/Interkonnektor-Grenzfläche entwickeln, weil der Strom seitlich zu dem Maschenmaterial und danach zu dem leitfähigen Grundelement fließen kann. Weiterhin sind die Abmessungen der ungestützten Elektroden- und Elektrolytschichten bis auf die kleineren Abmessungen der Zwischenräume des Maschenmaterials stark reduziert worden, wodurch der sich ergebenden Zelle noch mehr mechanische Dauerhaftigkeit verliehen wird.
Eine elektrochemische Zellenstruktur enthält ein leitfähiges Grundelement, das mehrere Löcher aufweist, und eine Gitterschicht, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet ist. Eine poröse Auflageschicht durchdringt die Gitterschicht wenigstens teilweise bis zu dem leitfähigen Grundelement und/oder den Löchern.
Während nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten zahlreiche Änderungen und Abwandlungen einfallen. Während mehrere der Ausführungsbeispiele dieser Erfindung im Zusammenhang mit einer Brennstoffzellen-Stackanordnung erörtert worden sind, ist dies keine Beschränkung der Erfindung, sondern diese Erfindung wird auch zur Anwendung in anderen Brennstoffzellenanordnungen in Betracht gezogen, die z.B. röhrenförmige Brennstoffzellenbündel oder -anordnungen enthalten. Es muss daher erkannt werden, dass alle solche Abwandlungen und Änderungen vom wahren Geist der Erfindung umfasst sind, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.

10: Elektrochemische Zellenträgerstruktur
12: Leitfähiges Grundelement
14: Loch
16: Gitterschicht
18: Poröse Auflageschicht
20: Zwischenraum
22: Außenoberfläche
24: Elektrolyt
26: Zweite Elektrode
30: Elektrochemische Zellenstruktur
50: Elektrodenzellenstruktur
52: Maschensubstrat
54: Poröses Elektrodenmaterial
56: Zwischenraum
58: Beschichtungssystem
100: Elektrochemische Zellenträgerstruktur
102: Poröses leitfähiges Grundelement
104: Auflageschicht

Claims

Elektrochemische Zellenträgerstruktur (10), die aufweist: ein leitfähiges Grundelement (12), das mehrere Löcher (14) aufweist, die sich durch das leitfähigen Grundelement (12) hindurch erstrecken, eine Gitterschicht (16), die auf dem leitfähigen Grundelement (12) angeordnet ist, und eine poröse Auflageschicht (18), die die Gitterschicht (16) wenigstens teilweise bis zu dem leitfähigen Grundelement (12) und oder den Löchern (14) durchdringt.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der das leitfähige Grundelement einen metallischen Interkonnektor aufweist, der aus Eisen, Chrom, Nickel, Zinn und/oder Kombinationen derselben hergestellt ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der das leitfähige Grundelement einen metallischen Interkonnektor aufweist, der aus einem ferritischen rostfreien Stahl hergestellt ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die mehreren Löcher eine Abmessung in dem Bereich zwischen etwa 5 und etwa 13 mm aufweisen.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur (10) nach Anspruch 1, bei der die Gitterschicht (16) ein Stahldrahtgitter enthält.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur (10) nach Anspruch 1, bei der die Gitterschicht (16) ein Raster, ein metallisches Drahtgitter, einen leitfähigen Schaum, ein Chromoxidbildnergitter und/oder Kombinationen derselben aufweist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die Gitterschicht viele Zwischenräume aufweist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 7, bei der die vielen Zwischenräume eine Abmessung in dem Bereich zwischen etwa 20 und etwa 2500 μm aufweisen.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die poröse Auflageschicht eine Elektrode aufweist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 9, bei der die Elektrode ein Verbundwerkstoffmaterial enthält.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die poröse Auflageschicht eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweist, um eine Abscheidung auf dieser zu unterstützen.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 11, bei der eine Elektrode und/oder ein Elektrolyt auf der porösen Auflageschicht abgeschieden worden sind.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 12, bei der die Elektrode oder das Elektrolyt unter Verwendung wenigstens einer atomistischen Beschichtungstechnik, wie z.B. der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaverstärkten CVD (PE-CVD), physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), physikalischen Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse oder speziellen Beschichtungstechniken, wie z.B. Plasmaspritz-, Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritz (HVOF-Verfahren) abgeschieden worden sind.
Elektrodenzellenstruktur (50), die aufweist: ein Maschensubstrat (52) und ein poröses Elektrodenmaterial (54), das auf das Maschensubstrat (52) aufgebracht worden ist und durch dieses hindurch dringt.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das poröse Elektrodenmaterial Ni und Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid ist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das poröse Elektrodenmaterial unter Anwendung der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden worden ist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das poröse Elektrodenmaterial unter Anwendung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaverstärkten CVD (PE-CVD), physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), physikalischen E lektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EP-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse, Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren (HVOF) abgeschieden worden ist.
Elektrodenzellenstruktur (50) nach Anspruch 14, bei der das Maschensubstrat ein Raster aus rostfreiem Stahl und/oder ein Nickelraster ist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das Maschensubstrat (52) eine metallische Folie ist, die feine Löcher aufweist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das Maschensubstrat eine Dicke in dem Bereich zwischen etwa 25 μm und etwa 75 μm aufweist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 14, bei der das Maschensubstrat viele Gitterzwischenräume aufweist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 21, bei der die Größe der Gitterzwischenräume an ihrem breitesten Punkt unter etwa 75 μm liegt.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 21, bei der der Abstand zwischen benachbarten Gitterzwischenräumen weniger als etwa 150 μm am Zentrum beträgt.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 21, die weiterhin ein flüchtiges Material enthält, das in wenigstens einem Bereich der Gitterzwischenräume angeordnet ist.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 24, bei der das flüchtige Material ein Salz enthält.
Elektrodenzellenstruktur nach Anspruch 25, bei der das Salz Natriumchlorid enthält.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur (100), die aufweist: ein poröses leitfähiges Grundelement (102) und eine Auflageschicht (104), die auf das poröse leitfähige Grundelement (102) aufgebracht worden ist und teilweise in das poröse leitfähige Grundelement (102) eindringt.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur (100) nach Anspruch 27, bei der das poröse leitfähige Grundelement (102) einen metallischen Schaum aufweist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 28, bei der der metallische Schaum ein rostfreier Stahlschaum und/oder ein Nickelschaum ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 27, bei der das Auflageschichtmaterial unter Anwendung der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützen CVD (PE-CVD), physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), physikalischen Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD), Sputter-Deposition, Elektronenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse, Plasmaspritzen, Flammspritzen oder einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren (HVOF) abgeschieden worden ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 27, bei der die Auflageschicht unter Verwendung der physikalischen Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD) abgeschieden worden ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 27, bei der die Auflageschicht eine Elektrode ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 27, bei der die Auflageschicht eine im Wesentlichen glatte Oberfläche schafft, um eine weitere Abscheidung auf dieser zu unterstützen.
Elektronische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 33, bei der eine Elektrode und/oder ein Elektrolyt auf die Auflageschicht aufgebracht worden sind.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 34, bei der die Elektrode oder das Elektrolyt unter Verwendung wenigstens einer atomistischen Beschichtungstechnik, wie z.B. der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützen CVD (PE-CVD), physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), physikalischen Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse oder speziellen Beschichtungstechniken, wie z.B. Plasmaspritzen, Flammspritzen oder eines Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens (HVOF) abgeschieden worden sind.
Elektrochemische Zellenstruktur, die aufweist: ein leitfähiges Grundelement, das mehrere Löcher aufweist, die sich durch das leitfähige Grundelement hindurch erstrecken, eine Gitterschicht, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet ist, eine poröse Auflageschicht, die wenigstens teilweise die Gitterschicht bis zu dem leitfähigen Grundelement und/oder den Löchern durchdringt, eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht und einen zwischen diesen angeordneten Elektrolyt.
Elektrochemische Zellenstruktur, die aufweist: ein leitfähiges Grundelement, das mehrere Löcher aufweist, die sich durch das leitfähigen Grundelement hindurch erstrecken, eine Gitterschicht, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet ist, eine poröse Auflageschicht, die wenigstens teilweise die Gitterschicht bis zu dem leitfähigen Grundelement und/oder den Löchern durchdringt, einen Elektrolyt, der auf der porösen Auflageschicht angeordnet ist, und eine auf dem Elektrolyt angeordnete Elektrode.
Elektrochemische Zellenstruktur nach Anspruch 37, bei der die poröse Auflageschicht eine Elektrode ist.
Elektrochemische Zellenstruktur nach Anspruch 38, bei der der Elektrolyt die poröse Auflageschicht abdichtend überlappt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zellenträgerstruktur, das die Schritte aufweist: Bereitstellen eines leitfähigen Grundelements, das mehrere Durchgangslöcher aufweist, Befestigen einer Gitterschicht an dem leitfähigen Grundelement, um die Durchgangslöcher zu bedecken, und Aufbringen einer porösen Auflageschicht, die teilweise die Gitterschicht bis zu dem leitfähigen Grundelement und/oder den Löchern durchdringt.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die elektrochemische Zelle eine Festoxid-Brennstoffzelle ist.
Elektrochemische Zellenträgerstruktur nach Anspruch 1, bei der die elektrochemische Zelle eine Festoxid-Elektrolysezelle ist.