[go: up one dir, main page]

DE102006056251A1 - High temperature fuel cell with ferritic component - Google Patents

High temperature fuel cell with ferritic component Download PDF

Info

Publication number
DE102006056251A1
DE102006056251A1 DE102006056251A DE102006056251A DE102006056251A1 DE 102006056251 A1 DE102006056251 A1 DE 102006056251A1 DE 102006056251 A DE102006056251 A DE 102006056251A DE 102006056251 A DE102006056251 A DE 102006056251A DE 102006056251 A1 DE102006056251 A1 DE 102006056251A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
temperature fuel
barrier layer
nickel
cell according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102006056251A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102006056251B4 (en
Inventor
Marco Brandner
Leszek Dr. Niewolak
Jan Froitzheim
Willem J. Quadakkers
Frank Tietz
Thomas Dr. Höfler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG, Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to DE102006056251A priority Critical patent/DE102006056251B4/en
Priority to PCT/EP2007/060020 priority patent/WO2008064938A1/en
Publication of DE102006056251A1 publication Critical patent/DE102006056251A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102006056251B4 publication Critical patent/DE102006056251B4/en
Withdrawn - After Issue legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • H01M8/0208Alloys
    • H01M8/021Alloys based on iron
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/9041Metals or alloys
    • H01M4/905Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223Composites
    • H01M8/0228Composites in the form of layered or coated products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241Composites
    • H01M8/0245Composites in the form of layered or coated products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1231Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbrennstoffzelle nebst einem Verfahren für den Betrieb.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähige und langzeitstabile Hochtemperaturbrennstoffzelle unter Verwendung von ferritischem Material zu schaffen.
Um eine Wechselwirkung zwischen ferritischen Komponenten und Nickelkomponenten einer SOFC zu minimieren, wird eine Barriereschicht zwischen den problematischen Komponenten vorgesehen, also zum Beispiel zwischen Interkonnektor und Nickel-Netz oder zwischen Metallsubstrat und Anode. Eine Barriereschicht im Sinne der Erfindung liegt vor, wenn eine Schicht vorhanden ist, die die Interdiffusion kritischer Elemente, vor allem Eisen, Chrom und Nickel, herabsetzt oder unterbindet. Fehlt es also an dieser Schicht, so liegt dann eine erhöhte Interdiffusion vor.
The invention relates to a high-temperature fuel cell together with a method for operation.
It is an object of the invention to provide an efficient and long-term stable high-temperature fuel cell using ferritic material.
In order to minimize interaction between ferritic components and nickel components of an SOFC, a barrier layer is provided between the problematic components, for example between interconnector and nickel mesh or between metal substrate and anode. A barrier layer according to the invention is present when a layer is present which reduces or eliminates the interdiffusion of critical elements, especially iron, chromium and nickel. So if there is no such layer, then there is an increased interdiffusion.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbrennstoffzelle nebst einem Verfahren für den Betrieb.The The invention relates to a high-temperature fuel cell together with a Procedure for the company.

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, bestehend aus Anode, Elektrolyt und Kathode, der die chemische Energie eines Brennstoffs ohne Verbrennungsprozess in elektrische Energie umsetzen kann. Im Fall der Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) ist das Elektrolytmaterial ein gasdichter Sauerstoffionenleiter. Eine ausreichende ionische Leitfähigkeit ist in Abhängigkeit des Materials und der Dicke des Elektrolyten zwischen 500 °C und 1000 °C gegeben. Nach derzeitigem Stand der Technik wird meist Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) eingesetzt. Die Kathode einer SOFC besteht regelmäßig aus einer Keramik mit perowskitischer Kristallstruktur. Für die Anode wird meist ein Cermet (Keramik/Metall Verbundwerkstoff) aus YSZ und Nickel verwendet.A Fuel cell is an electrochemical energy converter consisting from anode, electrolyte and cathode, the chemical energy of a fuel can convert into electrical energy without combustion process. in the Case of High Temperature Fuel Cell (SOFC) is the electrolyte material a gas-tight oxygen ion conductor. A sufficient ionic conductivity is dependent of the material and the thickness of the electrolyte between 500 ° C and 1000 ° C given. According to the current state of the art, yttrium oxide is usually stabilized Zirconia (YSZ) used. The cathode of a SOFC exists regularly out a ceramic with perovskite crystal structure. For the anode becomes usually a cermet (ceramic / metal composite) of YSZ and nickel used.

Eine planare Ausführung der Zellen mit einer dünnen Elektrolytschicht von wenigen Mikrometern ist vorteilhaft, um hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig niedriger Betriebstemperatur, vorzugsweise unter 800 °C, realisieren zu können. Meist wird die mechanische Stabilität solcher Zellen durch ein Cermet-Anodensubstrat mit einer Dicke von 0,3 bis 2 mm gewährleistet. Um die geforderte Gesamtleistung für ein System zu erreichen, werden Brennstoffzellen mit Hilfe so genannter Interkonnektoren, zum Beispiel bekannt aus DE102005014077A1 oder der DE102005005116A1 , elektrisch in Reihe geschaltet und zu Stapeln (engl. Stocks) aufgebaut.A planar design of the cells with a thin electrolyte layer of a few micrometers is advantageous in order to be able to realize high power densities with a simultaneously low operating temperature, preferably below 800 ° C. Mostly, the mechanical stability of such cells is ensured by a cermet anode substrate having a thickness of 0.3 to 2 mm. In order to achieve the required overall performance for a system, fuel cells are known by means of so-called interconnectors, for example DE102005014077A1 or the DE102005005116A1 , electrically connected in series and built into stacks (English Stocks).

Eine Betriebstemperatur unterhalb von 800 °C ermöglicht den Einsatz ferritischer Stähle für Komponenten der SOFC. Interkonnektoren aus ferritischen Chrom Stählen wurden bereits ausgiebig untersucht und haben sich als geeignet erwiesen. Weiterhin wird versucht, poröse ferritische Tragstrukturen anstelle der etablierten Cermet Anodensubstrate zu nutzen, um die Stabilität gegenüber mechanisch oder thermisch induzierten Spannungen zu verbessern. In der Regel wird diese Tragstruktur anodenseitig eingesetzt. Die funktionellen Zellschichten können über thermische Beschichtungsverfahren, physikalische Beschichtungsverfahren oder sintertechnisch appliziert werden.A Operating temperature below 800 ° C allows the use of ferritic steels for components the SOFC. Interconnectors made of ferritic chrome steels already extensively studied and have proved suitable. Furthermore, it tries to be porous ferritic support structures in place of the established cermet anode substrates use the stability across from mechanically or thermally induced stresses. As a rule, this support structure is used on the anode side. The functional cell layers can be over thermal Coating method, physical coating method or be applied sintering technology.

Wenn ferritische Stähle in einer SOFC eingesetzt werden, stehen sie nach aktuellen Konzepten in direktem, stoffschlüssigem Kontakt mit Komponenten, die Nickel enthalten. So ist bekannt, die elektrische Kontaktierung zwischen keramischen Zellen und Interkonnektoren über Nickel-Netze zu realisieren. Werden auf der Anodenseite poröse, ferritische Metallsubstrate eingesetzt, stehen diese in der Regel im Kontakt zu einer nickelhaltigen Anode.If ferritic steels used in an SOFC, they are based on current concepts in direct, cohesive Contact with components containing nickel. So is known, the electrical contacting between ceramic cells and interconnectors via nickel networks to realize. Become on the anode side porous, ferritic metal substrates used, these are usually in contact with a nickel-containing Anode.

An Grenzflächen zwischen Stahl und Nickel tritt nachteilhaft eine Interdiffusion auf, wobei vor allem die Elemente Eisen, Chrom und Nickel beteiligt sind. Jedoch können auch Spurenelemente der verwendeten Legierungen wie beispielsweise Mangan bei CroFer22APU (Thyssen Krupp VDM) oder Verunreinigungen an der Reaktion beteiligt sein.At interfaces between steel and nickel occurs disadvantageous interdiffusion in particular the elements iron, chromium and nickel are involved. However, you can also trace elements of the alloys used such as Manganese at CroFer22APU (Thyssen Krupp VDM) or impurities to be involved in the reaction.

Die Wechselwirkungen laufen sowohl während der Fertigungsprozesse als auch während des Betriebs ab. Der Kontaktbereich zwischen einem Interkonnektor und einem Nickel-Netz unterliegt nach aktuellen Konzepten einem Hochtemperaturzyklus während der Fügung eines Stocks und der Dauerbelastung im Betrieb. Für den Kontaktbereich zwischen einem metallischen Substrat und einer Anode kommt noch eine Temperaturbelastung im Rahmen der Zellfertigung hinzu. Werden die funktionellen Schichten Anode, Elektrolyt und Kathode durch thermische Spritzverfahren aufgetragen, ist dieser Herstellungsschritt bei hoher Temperatur nur von kurzer Dauer. Werden die funktionellen Schichten durch physikalische Beschichtungsverfahren oder sintertechnisch aufgebracht, finden die Reaktionen über mehrere Stunden statt.The Interactions run both during production processes as well as during operation. Of the Contact area between an interconnector and a nickel network is subject to current concepts a high temperature cycle during the coincidence of a stick and the continuous load in operation. For the contact area between a metallic substrate and an anode is still coming a temperature load in the context of cell production added. Become the functional layers anode, electrolyte and cathode through applied thermal spraying process is this manufacturing step at high temperature only for a short time. Be the functional Layers applied by physical coating methods or by sintering, find the reactions over several hours instead.

Die Interdiffusion der Elemente Eisen, Chrom und Nickel hat sowohl für die ferritische Komponente (Interkonnektor oder metallisches Substrat) als auch für die Nickel Komponente (Nickel-Netz oder nickelhaltige Anode) negative Folgen.The Interdiffusion of the elements iron, chromium and nickel has both for the ferritic Component (interconnector or metallic substrate) as well for the Nickel component (nickel mesh or nickel-containing anode) negative Consequences.

Der Eintrag von Nickel in den ferritischen Stahl kann zu einer Erhöhung der Oxidationsrate und damit zu einer Verkürzug der oxidationsbedingten Lebensdauer führen. Darüber hinaus ist ab einem Nickelanteil von etwa 10 Gew.% eine Austenitisierung des Stahls zu erwarten. Die damit verbundene Erhöhung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt zu einer Fehlanpassung und Spannungen zwischen den keramischen Zellschichten und der Stahlkomponente. Leistungsverlust oder vollständiges Zellversagen durch Rissbildungen und demzufolge Verlust des elektrischen Kontakts können die Folge sein.Of the Entry of nickel into the ferritic steel may increase the Oxidation rate and thus to a shortening of the oxidation-related lifetime to lead. About that In addition, from a nickel content of about 10 wt.% Austenitization of To expect steel. The associated increase in the thermal expansion coefficient leads to a Mismatch and tensions between the ceramic cell layers and the steel component. Loss of performance or complete cell failure due to cracking and consequent loss of electrical contact can to be the result.

Die Diffusion von Eisen und Chrom in Nickel führt während des Betriebs einer SOFC zur Bildung von Eisenoxiden und Chromoxiden auf freien Nickeloberflächen oder auch entlang von Korngrenzen. Da die Oxidation mit einer Volumenzunahme einhergeht, können erhebliche Spannungen in eine Struktur induziert werden, die zu einer Zerstörung der Integrität führen. Die Bildung von Oxiden, vor allem Chromoxid, auf der Nickeloberfläche führt außerdem zu einer Passivierung des katalytisch aktiven Materials.The Diffusion of iron and chromium into nickel results in the operation of a SOFC for the formation of iron oxides and chromium oxides on free nickel surfaces or also along grain boundaries. Because the oxidation with an increase in volume goes along significant stresses are induced in a structure that too a destruction of integrity. The Formation of oxides, especially chromium oxide, on the nickel surface also leads to a passivation of the catalytically active material.

Für einen Verbund aus einem porösen, ferritischen Substrat und einer nickelhaltigen Anode ist die Interdiffusion als besonders kritisch zu betrachten. Zum einen ist das Ausmaß der Wechselwirkungen größer als im Kontaktbereich eines Nickel-Netzes mit dem Interkonnektor, weil die Zellfertigung bereits zu einer Reaktion führt. Zum zweiten führt die Passivierung der Nickeloberfläche zu einer Verminderung der katalytisch aktiven Drei-Phasen-Grenzfläche einer Anode, was zu hohen Leistungseinbußen während des Zellbetriebs führt.For a composite of a porous, ferri In the case of a substrate and a nickel-containing anode, interdiffusion should be regarded as particularly critical. On the one hand, the extent of the interactions is greater than in the contact area of a nickel mesh with the interconnector, because cell production already leads to a reaction. Second, the passivation of the nickel surface leads to a reduction of the catalytically active three-phase interface of an anode, which leads to high power losses during cell operation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähige und langzeitstabile Hochtemperaturbrennstoffzelle unter Verwendung von ferritischem Stahl zu schaffen.It Object of the invention, a powerful and long-term stable high-temperature fuel cell using ferritic steel.

Um eine Wechselwirkung zwischen ferritischen Komponenten und Nickelkomponenten einer SOFC zu minimieren, wird eine Barriereschicht zwischen den problematischen Komponenten vorgesehen, also zum Beispiel zwischen Interkonnektor und Nickel-Netz oder zwischen Metallsubstrat und Anode. Eine Barriereschicht im Sinne der Erfindung liegt vor, wenn eine Schicht vorhanden ist, die die Interdiffusion kritischer Elemente, vor allem Eisen, Chrom und Nickel, herabsetzt oder unterbindet. Fehlt es also an dieser Schicht, so liegt dann eine erhöhte Interdiffusion vor.Around an interaction between ferritic components and nickel components Minimizing a SOFC will create a barrier layer between the problematic components provided, so for example between Interconnector and nickel network or between metal substrate and Anode. A barrier layer according to the invention is present when a layer is present, which is the interdiffusion of critical elements, especially iron, chromium and nickel, reduces or eliminates. If there is no such layer, then there is an increased interdiffusion in front.

Die Barriereschicht kann aus Ce1-x-y (Y, Ln)x (Ti, Nb)yO2, (Ca, Sr, Ba)1-3x/2 (Y, Ln)x TiO3, Cr2O3, (Cr, Mn)3O4, FeO, Fe3O4 oder Ln1-x (Sr, Ca)x (Mg, Al, Cr)O3 (wobei gilt: Ln = Lanthanide) bestehen. Typische ferritische Komponenten bzw. Stähle sind CroFer22APU (Thyssen Krupp VDM), IT-11 und IT-14 (Plansee) oder ZMG232 (Hitachi Metals).The barrier layer may consist of Ce 1-xy (Y, Ln) x (Ti, Nb) y O 2 , (Ca, Sr, Ba) 1-3x / 2 (Y, Ln) x TiO 3 , Cr 2 O 3 , ( Cr, Mn) 3 O 4 , FeO, Fe 3 O 4 or Ln 1-x (Sr, Ca) x (Mg, Al, Cr) O 3 (where: Ln = lanthanides). Typical ferritic components or steels are CroFer22APU (Thyssen Krupp VDM), IT-11 and IT-14 (Plansee) or ZMG232 (Hitachi Metals).

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Barriereschicht so gewählt, dass diese nur einen geringen Beitrag zum elektrischen Widerstand der Zelle leistet. Die Barriereschicht besteht also aus einem Material mit hoher elektronischer Leitfähigkeit. Die flächenspezifische, elektronische Leitfähigkeit der Barriereschicht liegt daher vorzugsweise über 200 S/cm2.In an advantageous embodiment, the barrier layer is chosen so that it makes only a small contribution to the electrical resistance of the cell. The barrier layer thus consists of a material with high electronic conductivity. The area-specific, electronic conductivity of the barrier layer is therefore preferably above 200 S / cm 2 .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Barriereschicht so ausgeführt, dass zumindest auf einer Seite die Oberfläche des Metallsubstrats durch einen dünnen (< 10 μm), dichten Film geschützt ist, das Porennetzwerk des Metallsubstrats jedoch nicht verschlossen wird. Alternativ überdeckt die Barriereschicht die Poren des Metallsubstrats, wenn die Barriereschicht selbst offenporig ist, so dass der Gasdurchtritt zur Anode nicht behindert wird.In According to an advantageous embodiment, the barrier layer is designed so that at least on one side of the surface of the metal substrate through a thin (<10 μm), dense Film protected However, the pore network of the metal substrate is not closed becomes. Alternatively covered the barrier layer covers the pores of the metal substrate when the barrier layer itself is open-pored, so the gas passage to the anode is not is hampered.

Eine dünne Beschichtung der Partikeloberflächen ist besonders zu bevorzugen, um einen geringen Beitrag zum Widerstand der Zelle zu gewährleisten.A thin coating the particle surfaces is especially preferable to a small contribution to resistance to ensure the cell.

Als Material für die Barriereschicht hat sich insbesondere CeO2 als geeignet erwiesen, weil es die Interdiffusion von Eisen, Chrom und Nickel wirkungsvoll unterbindet und dabei eine höhere elektronische Leitfähigkeit besitzt als andere getestete Materialien. Weiterhin ist es im gesamten Temperatur und Sauerstoffpartialdruckbereich während der Herstellung und im Betrieb der SOFC thermodynamisch stabil.In particular, CeO 2 has proven to be suitable as the material for the barrier layer, because it effectively prevents the interdiffusion of iron, chromium and nickel, and has a higher electronic conductivity than other materials tested. Furthermore, it is thermodynamically stable throughout the temperature and oxygen partial pressure range during production and operation of the SOFC.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Material der Barriereschicht Dotierungen zur Steigerung der elektronischen Leitfähigkeit und/oder Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Stahlkomponente auf. So wird mit einer Dotierung von CeO2 mit Niob, Yttrium oder Samarium eine Steigerung der elektronischen Leitfähigkeit erreicht. Eine Dotierung von CeO2 mit Gadolinium verringert das unter anodenseitigen Betriebsbedingungen einer SOFC bekannte Quellverhalten, welches zu Spannungen im Zellverbund führen könnte.In one embodiment of the invention, the material of the barrier layer dopants to increase the electronic conductivity and / or adjustment of the thermal expansion coefficient of the steel component. Thus, an increase in the electronic conductivity is achieved with a doping of CeO 2 with niobium, yttrium or samarium. A doping of CeO 2 with gadolinium reduces the swelling behavior known under anode-side operating conditions of an SOFC, which could lead to stresses in the cell network.

Allgemein ist Ce1-x-y (Y, Ln)x (Ti, Nb)yO2 mit 0 ≤ x ≤ 0,5 und 0 ≤ y ≤ 0,2 als Barriereschichtmaterial besonders gut geeignet, da bei diesem Material regelmäßig eine besonders gute Leitfähigkeit erreicht wird.In general, Ce 1-xy (Y, Ln) x (Ti, Nb) y O 2 with 0 ≦ x ≦ 0.5 and 0 ≦ y ≦ 0.2 is particularly well suited as a barrier layer material, since this material is usually a particularly good Conductivity is achieved.

Besteht die Barriereschicht aus Ln1-x (Sr, Ca)x (Mg, Al, Cr)O3 mit 0,1 ≤ x ≤ 0,5 (wobei gilt: Ln = Lanthanide) oder aus (Ca, Sr, Ba)1-3x/2 (Y, Ln)x TiO3 mit 0 ≤ xy ≤ 0,1 bzw. 0 ≤ xLn ≤ 0,67 (wobei gilt: Ln = Lanthanide), so wird eine besonders gute Barrierewirkung erzielt. Durch Dotierung lässt sich die elektrische Leitfähigkeit steigern und so ein geeignetes Material bereitstellen.If the barrier layer consists of Ln 1-x (Sr, Ca) x (Mg, Al, Cr) O 3 with 0.1 ≤ x ≤ 0.5 (where: Ln = lanthanides) or from (Ca, Sr, Ba) 1-3x / 2 (Y, Ln) x TiO 3 with 0 ≤ x y ≤ 0.1 or 0 ≤ x Ln ≤ 0.67 (where Ln = lanthanides), a particularly good barrier effect is achieved. By doping, the electrical conductivity can be increased and thus provide a suitable material.

Besteht die Barriereschicht aus Cr2O3 und/oder (Cr, Mn)3O4 oder aus FeO und/oder Fe3O4, so sind die Materialkosten gering. Werden sehr dünne Schichten vorgesehen, so spielen die Materialkosten allerdings eine untergeordnete Rolle. Es sind insbesondere dann leistungsfähigere Materialen wie CeO2 (dotiert oder undotiert) zu bevorzugen.If the barrier layer consists of Cr 2 O 3 and / or (Cr, Mn) 3 O 4 or of FeO and / or Fe 3 O 4 , the material costs are low. If very thin layers are provided, the material costs, however, play a subordinate role. In particular, more powerful materials such as CeO 2 (doped or undoped) are to be preferred.

Ausführungsbeispieleembodiments

In einem ersten Beispiel wird eine CeO2 Diffusionsbarriere zwischen einem ferritischen Metallsubstrat und einer gesinterten Ni/YSZ Anode wie folgt hergestellt.

  • 1.) Herstellung eines pulvermetallurgischen, ferritischen Metallsubstrats
  • 2.) Vorsinterung des Metallsubstrats bei 1000 °C, 3 h in Argon Atmosphäre
  • 3.) CeO2 Beschichtung mittels PVD, Magnetronsputtern (alternativ: CVD, Sol Gel Spincoating oder Infiltration, Sintern, thermisches Spritzen)
  • 4.) Beschichtung mit einer NiO/YSZ oder Ni/YSZ Siebdruckschicht
  • 5.) Sintern des Verbundes bei 1250 °C, 3 h in Argon Atmosphäre
  • 6.) Auftrag eines thermisch gespritzten Elektrolyten (alternativ: PVD, Sol Gel, Sintern)
  • 7.) Auftrag einer siebgedruckten Kathode
In a first example, a CeO 2 diffusion barrier is formed between a ferritic metal substrate and a sintered Ni / YSZ anode as follows.
  • 1.) Production of a powder metallurgical, ferritic metal substrate
  • 2.) Presintering of the metal substrate at 1000 ° C, 3 h in argon atmosphere
  • 3.) CeO 2 coating by means of PVD, magnetron sputtering (alternatively: CVD, sol gel spin coating or infiltration, sintering, thermal spraying)
  • 4.) Coating with a NiO / YSZ or Ni / YSZ screen printing layer
  • 5.) sintering of the composite at 1250 ° C, 3 h in argon atmosphere
  • 6.) Application of a thermally sprayed electrolyte (alternatively: PVD, sol gel, sintering)
  • 7.) Application of a screen printed cathode

Es resultierte eine Brennstoffzelle mit einem 1 mm dicken Metallsubstrat 1 aus ferritischem Cr-Stahl, einer 5 μm dicken CeO2 – Barriereschicht 2, einer 20 μm dicken aus Ni/YSZ bestehenden Anode 3, einem 60 μm dicken, aus YSZ bestehenden Elektrolyten 4 und einer 60 μm dicken, aus (LaSr)(CoFe)O3 bestehenden Kathode 5.This resulted in a fuel cell with a 1 mm thick metal substrate 1 of ferritic Cr steel, a 5 μm thick CeO 2 barrier layer 2 , a 20 μm thick Ni / YSZ anode 3 , a 60 μm thick YSZ electrolyte 4 and a 60 μm thick (LaSr) (CoFe) O 3 cathode 5 ,

Durch die CeO2 Diffusionsbarriereschicht zwischen Metallsubstrat und Ni/YSZ-Anode konnten SOFC's hergestellt werden, die im Einzelzelltest Leistungsdichten von 430 mW/cm2 bei 800 °C und 0,7 V erreichten. 2 zeigt die gemessenen Strom-, Spannungskennlinien zu Betriebsbeginn und nach 165 h Dauerbetrieb bei 800 °C und einer Stromdichte von 0,3 A/cm2. Eine Interdiffusion der Elemente Eisen, Chrom und Nickel konnte in einer Nachuntersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenmikroanalyse (EDX) nicht festgestellt werden.By means of the CeO 2 diffusion barrier layer between metal substrate and Ni / YSZ anode, it was possible to produce SOFCs that achieved power densities of 430 mW / cm 2 at 800 ° C and 0.7 V in a single cell test. 2 shows the measured current and voltage characteristics at the start of operation and after 165 h of continuous operation at 800 ° C and a current density of 0.3 A / cm 2 . An interdiffusion of the elements iron, chromium and nickel could not be determined in a follow-up examination by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray microanalysis (EDX).

Durch den Einsatz der CeO2 Diffusionsbarriereschicht war bei einer Stromdichte von 0,3 A/cm2 bei 800 °C ein Betrieb über 165 h möglich, ohne dass es zu einer signifikanten Verschlechterung der Zellleistung kam, wie die 3 verdeutlicht.By using the CeO 2 diffusion barrier layer at a current density of 0.3 A / cm 2 at 800 ° C operation over 165 h was possible, without there being a significant deterioration in cell performance, such as 3 clarified.

Ein Verzicht auf die Diffusionsbarriereschicht führte im Rahmen eines Vergleichsversuchs bei ansonsten gleichem Aufbau zu einem vollständigen Zellversagen, da es durch die Volumenzunahme während der Bildung von Eisenoxiden und Chromoxiden in der Anode zu Rissbildungen im Elektrolyten kam.One Abandonment of the diffusion barrier layer resulted in a comparative experiment with otherwise the same structure to a complete cell failure, since it by the volume increase during the formation of iron oxides and chromium oxides in the anode to cracking came in the electrolyte.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine CeO2 – Diffusionsbarriere zwischen einem ferritischen Metallsubstrat und einer thermisch gespritzten Ni/YSZ Anode wie folgt hergestellt:

  • 1.) Herstellung eines pulvermetallurgischen, ferritischen Metallsubstrats
  • 2.) Sinterung des metallischen Substrats bei zum Beispiel 1250 °C
  • 3.) CeO2 Beschichtung mittels PVD, Magnetronsputtern (alternativ: CVD, Sol Gel, Sintern, thermisch Spritzen)
  • 4.) Thermisches Spritzen einer NiO/YSZ oder Ni/YSZ Anode
  • 5.) Thermisches Spritzen eines Elektrolyten
  • 6.) Thermisches Spritzen einer Kathode
In another embodiment, a CeO 2 diffusion barrier is formed between a ferritic metal substrate and a thermally sprayed Ni / YSZ anode as follows:
  • 1.) Production of a powder metallurgical, ferritic metal substrate
  • 2.) sintering of the metallic substrate at, for example, 1250 ° C
  • 3.) CeO 2 coating by means of PVD, magnetron sputtering (alternatively: CVD, sol gel, sintering, thermal spraying)
  • 4.) Thermal spraying of a NiO / YSZ or Ni / YSZ anode
  • 5.) Thermal spraying of an electrolyte
  • 6.) Thermal spraying of a cathode

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine CeO2 Diffusionsbarriere zwischen einem ferritischen Interkonnektor und einem Nickel Kontaktelement zur keramischen Zelle wie folgt hergestellt:

  • 1.) Fertigung einer SOFC
  • 2.) Fertigung eines ferritischen Interkonnektors
  • 3.) CeO2 Beschichtung des Interkonnektors mittels PVD, Magnetronsputtern (alternativ: CVD, SolGel, Sintern, thermisch Spritzen)
  • 4.) Kontaktierung zwischen der SOFC und dem Interkonnektor mit einem Nickel Kontaktelement (Netz, Gewebe, Gestrick, Pulver)
In a further embodiment, a CeO 2 diffusion barrier between a ferritic interconnector and a nickel contact element to the ceramic cell is produced as follows:
  • 1.) Production of a SOFC
  • 2.) Production of a ferritic interconnector
  • 3.) CeO 2 coating of the interconnector by means of PVD, magnetron sputtering (alternatively: CVD, SolGel, sintering, thermal spraying)
  • 4.) contacting between the SOFC and the interconnector with a nickel contact element (mesh, fabric, knitted fabric, powder)

Die in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) können grundsätzlich auch Merkmale der vorliegenden Erfindung sein.The features of a high temperature fuel cell (SOFC) mentioned in the introduction to the description can in principle also be features of the present invention.

Claims (13)

Hochtemperaturbrennstoffzelle mit einer ferritischen Komponente (1) und einer Nickelkomponente (3) und einer dazwischenliegenden Barriereschicht (2).High-temperature fuel cell with a ferritic component ( 1 ) and a nickel component ( 3 ) and an intermediate barrier layer ( 2 ). Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht aus CeO2 besteht.High temperature fuel cell according to claim 1, wherein the barrier layer consists of CeO 2 . Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Barriereschicht mit Yttrium, Gadolinium Niob oder Samarium dotiert ist.High-temperature fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the barrier layer with yttrium, gadolinium niobium or samarium is doped. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Barriereschicht als dünner, vorzugsweise dichter Film zumindest auf einer Seite die ferritische Komponente bedeckt.High-temperature fuel cell according to claim 1, 2 or 3, the barrier layer being thinner, preferably denser Film covered on at least one side of the ferritic component. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht nicht dicker als 10 μm, vorzugsweise dünner als 2 μm ist.High-temperature fuel cell according to one of the preceding Claims, wherein the barrier layer is not thicker than 10 microns, preferably thinner than 2 μm. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ferritische Komponente ein poröses metallisches Substrat (1) ist und die Nickelkomponente eine Anode (3) ist.High temperature fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the ferritic component is a porous metallic substrate ( 1 ) and the nickel component is an anode ( 3 ). Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ferritische Komponente ein Interkonnektor ist und die Nickelkomponente ein Nickelnetz ist.High-temperature fuel cell according to one of the preceding Claims, wherein the ferritic component is an interconnector and the Nickel component is a nickel network. Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht aus (Ca, Sr, Ba)1-3x/2 (Y, Ln)x TiO3 mit 0 ≤ xy ≤ 0,1 bzw. 0 ≤ xLn≤0,67 (wobei gilt: Ln = Lanthanide) besteht.A high-temperature fuel cell according to any one of the preceding claims, wherein the barrier layer of (Ca, Sr, Ba) 1-3x / 2 (Y, Ln) x TiO 3 with 0 ≤ x y ≤ 0.1 and 0 ≤ x Ln ≤ 0.67 (where Ln = lanthanides). Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht aus Cr2O3 und/oder (Cr, Mn)3O4 besteht.High-temperature fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the barrier layer consists of Cr 2 O 3 and / or (Cr, Mn) 3 O 4 . Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht aus FeO und/oder Fe3O4 besteht.High-temperature fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the barrier layer consists of FeO and / or Fe 3 O 4 . Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht aus Ce1-x-y (Y, Ln)x (Ti, Nb)yO2 mit 0 ≤ x ≤ 0,5 und 0 ≤ y ≤ 0,2 (wobei gilt: Ln = Lanthanide) besteht.High-temperature fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the barrier layer of Ce 1-xy (Y, Ln) x (Ti, Nb) y O 2 with 0 ≤ x ≤ 0.5 and 0 ≤ y ≤ 0.2 (where: Ln = Lanthanides). Hochtemperaturbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Barriereschicht aus Ln1-x (Sr, Ca)x (Mg, Al, Cr)O3 mit 0,1 ≤ x≤ 0,5 (wobei gilt: Ln = Lanthanide) besteht.The high-temperature fuel cell according to claim 1, wherein the barrier layer consists of Ln 1-x (Sr, Ca) x (Mg, Al, Cr) O 3 with 0.1 ≤ x ≤ 0.5 (where Ln = lanthanides). Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturbrennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle während des Betriebes nicht auf Temperaturen von mehr als 800 °C aufgeheizt wird.Method for operating a high-temperature fuel cell according to one of the preceding claims, characterized that the high-temperature fuel cell does not open during operation Temperatures of more than 800 ° C is heated.
DE102006056251A 2006-11-27 2006-11-27 High temperature fuel cell with ferritic component and method of operating the same Withdrawn - After Issue DE102006056251B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006056251A DE102006056251B4 (en) 2006-11-27 2006-11-27 High temperature fuel cell with ferritic component and method of operating the same
PCT/EP2007/060020 WO2008064938A1 (en) 2006-11-27 2007-09-21 High-temperature fuel cell with ferritic component

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006056251A DE102006056251B4 (en) 2006-11-27 2006-11-27 High temperature fuel cell with ferritic component and method of operating the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102006056251A1 true DE102006056251A1 (en) 2008-05-29
DE102006056251B4 DE102006056251B4 (en) 2009-04-09

Family

ID=38806565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006056251A Withdrawn - After Issue DE102006056251B4 (en) 2006-11-27 2006-11-27 High temperature fuel cell with ferritic component and method of operating the same

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006056251B4 (en)
WO (1) WO2008064938A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2154742A1 (en) * 2008-08-07 2010-02-17 ElringKlinger AG Fuel cell unit and method for producing an electrically conductive connection between an electrode and a bipolar board
WO2010037681A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-08 Siemens Aktiengesellschaft Planar high-temperature fuel cell

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010046146A1 (en) * 2010-09-24 2012-03-29 Technische Universität Dresden Process for the production of solid oxide fuel cells with a metal substrate-supported cathode-electrolyte-anode unit and their use

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19681750B4 (en) * 1996-03-18 2005-08-18 Ceramic Fuel Cells Ltd. Electrical connection device for a planar fuel cell and its use
DE102005005116A1 (en) * 2005-02-04 2006-08-10 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnector for high-temperature fuel cells
DE102005014077A1 (en) * 2005-03-23 2006-10-05 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnenctor for high-temperature fuel cells
EP1768205A1 (en) * 2005-09-27 2007-03-28 Ikerlan, S. Coop. Solid-oxide fuel cell with ferritic support
DE102005058128A1 (en) * 2005-11-30 2007-06-06 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. High temperature fuel cell and method of making a high temperature fuel cell
DE102006001552A1 (en) * 2006-01-06 2007-07-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Cathode-electrolyte-anode unit for solid oxide fuel cells and process for their preparation

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10302122A1 (en) * 2003-01-21 2004-07-29 Elringklinger Ag Multi cell fuel stack has sealing between cells provided by layer of insulation and layer of sealing material
DE102004013791B4 (en) * 2004-03-20 2009-09-24 Forschungszentrum Jülich GmbH Electrically conductive steel-ceramic composite and its manufacture and use

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19681750B4 (en) * 1996-03-18 2005-08-18 Ceramic Fuel Cells Ltd. Electrical connection device for a planar fuel cell and its use
DE102005005116A1 (en) * 2005-02-04 2006-08-10 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnector for high-temperature fuel cells
DE102005014077A1 (en) * 2005-03-23 2006-10-05 Forschungszentrum Jülich GmbH Interconnenctor for high-temperature fuel cells
EP1768205A1 (en) * 2005-09-27 2007-03-28 Ikerlan, S. Coop. Solid-oxide fuel cell with ferritic support
DE102005058128A1 (en) * 2005-11-30 2007-06-06 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. High temperature fuel cell and method of making a high temperature fuel cell
DE102006001552A1 (en) * 2006-01-06 2007-07-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Cathode-electrolyte-anode unit for solid oxide fuel cells and process for their preparation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2154742A1 (en) * 2008-08-07 2010-02-17 ElringKlinger AG Fuel cell unit and method for producing an electrically conductive connection between an electrode and a bipolar board
WO2010037681A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-08 Siemens Aktiengesellschaft Planar high-temperature fuel cell
US8940451B2 (en) 2008-09-30 2015-01-27 Siemens Aktiengesellschaft Planar high-temperature fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006056251B4 (en) 2009-04-09
WO2008064938A1 (en) 2008-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102256568B1 (en) Metal supported solid oxide fuel cell
DE69632531T2 (en) CONNECTING DEVICE FOR FUEL CELLS
DE19681750B4 (en) Electrical connection device for a planar fuel cell and its use
EP1287571B1 (en) Material used at high temperatures
KR20160048810A (en) Process for forming a metal supported solid oxide fuel cell
KR20090023252A (en) Metal Support Solid Oxide Fuel Cells
EP1984533A1 (en) Creep-resistant ferritic steel
DE112012001479T5 (en) fuel cell
EP2245692B1 (en) Electrolyte for cost-effective, electrolyte-supported high-temperature fuel cell having high performance and high mechanical strength
DE102013007637B4 (en) Cathode-electrolyte-anode unit of high-temperature fuel cells
EP2619834B1 (en) Method for producing solid oxide fuel cells having a cathode-electrolyte-anode unit borne by a metal substrate, and use of said solid oxide fuel cells
DE19836132B4 (en) High temperature solid electrolyte fuel cell (SOFC) for a wide operating temperature range
WO2008064938A1 (en) High-temperature fuel cell with ferritic component
EP2156499B1 (en) Method for producing a gas-tight solid electrolyte layer and solid electrolyte layer
DE102007015358A1 (en) Layer system for an electrolyte of a high-temperature fuel cell and method for producing the same
DE102006001552B4 (en) Cathode-electrolyte-anode unit for solid oxide fuel cells and process for their preparation
EP2669984B1 (en) Layered anode system for electrochemical applications and process of manufacturing the same
EP3697944B1 (en) Fuel gas electrode and method for producing a fuel gas electrode
DE102008032498A1 (en) Chromium-containing metal substrates, especially for use in high temperature fuel cells, have chromium-free electroless coating containing one or more transition metals (excluding chromium) or noble metals
DE102004050087B4 (en) SOFC fuel cell anode, process for its production and SOFC fuel cell
DE102023208892A1 (en) Solid oxide electrolysis cell with cathode and process
DE112024000074T5 (en) ELECTROCHEMICAL CELL
DE102005059708A1 (en) Reoxidation stable high-temperature fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: FORSCHUNGSZENTRUM JUELICH GMBH, 52428 JUELICH, DE

8364 No opposition during term of opposition
R120 Application withdrawn or ip right abandoned