DE10232093A1 - Verfahren zum Zusammenfügen von Einzel-Brennstoffzellen zu einem Block oder -Stack sowie derartiger Brennstoffzellen-Block - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenfügen von Einzel-Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Block oder -Stack, wobei die Elektrode und/oder die Bipolarplatte der Einzel-Brennstoffzellen mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktierschicht versehen wird, die im Hinblick auf den Stofftransport in der Brennstoffzelle eine ausreichende Porösität aufweist, und wobei die Kontaktierschicht aus Fasern gebildet ist. Dabei können die Fasern in Form einer Paste oder in einem Lösungsmittel suspendiert auf die Elektrode und/oder Bipolarplatte aufgetragen werden. Die Fasern selbst können bspw. durch Verspinnen eines geeigneten, mit Binder und Lösemittel versetzten Pulvers hergestellt werden, wobei zur Verfestigung das Lösungsmittel ausgetrieben wird, alternativ können die Fasern aus Sol-Gel-Precursoren gesponnen werden. Dabei können den in der Kontaktiermasse enthaltenen Fasern noch weitere metallische Fasern zur weiteren Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit beigemengt sein, ferner können die Fasern Halbbleiter-Eigenschaften aufweisen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenfügen von Einzel-Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Block oder -Stack, wobei die Elektrode und/oder die Bipolarplatte der Einzel-Brennstoffzellen mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktierschicht versehen wird, die im Hinblick auf den Stofftransport in der Brennstoffzelle eine ausreichende Porösität aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen solchermaßen zusammengefügten Brennstoffzellen-Block oder -Stack. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 100 33 944 A1 verwiesen.
• Brennstoffzellen bzw. Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel, die auch als Brennstoffzellen-Block oder -Stack bezeichnet und üblicherweise als „SOFC" (= solid oxid fuel cell) abgekürzt werden, werden aus mehreren Einzel-Brennstoftzellen zusammengesetzt, indem diese aufeinander gestapelt werden. Dabei muss zwischen den Einzel-Brennstoffzellen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit hergestellt werden, denn ein derartiger Stack stellt praktisch eine elektrische Reihenschaltung von stromerzeugenden Elementen (nämlich der Einzelzellen) dar. Bekanntermaßen besteht dabei jede Einzel-Brennstoff-Zelle aus einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit sowie einer sog. Bipolarplatte und es wird im Falle einer anodengestützten SOFC auf die Katode der ersten Einzelzelle die zweite Einzelzelle mit ihrer Bipolarplatte aufgelegt. Im Falle einer kathodengestützten SOFC wird auf die Anode der ersten Einzelzelle die zweite Einzelzelle mit ihrer Bipolarplatte aufgelegt.
• Zur Erzeugung eines ausreichenden elektrischen Kontakts zwischen den jeweiligen Einzel-Brennstoffzellen werden vor dem Fügen dieser Einzelzellen zu einem Brennstoffzellenblock oder -Stack die außenseitige Elektrode (d.h. die Kathode oder die Anode) und/oder die jeweilige Bipolarplatte mit einer geeigneten Suspension oder einer Paste als elektrische Kontaktierschicht versehen. Im Falle einer anodengestützten SOFC besteht diese Suspension oder Paste üblicherweise aus mikrometergroßen Partikeln aus bspw. Lanthanstrontiummanganit (LSM), oder Lanthanstrontiumcobaltit (LSC) oder Lanthanstrontiumcobaltitmanganit, die jeweils in pulvriger Form vorliegen. Während des anschließenden Fügeprozesses des SOFC-Stacks bei Temperaturen in der Größenordnung von (derzeit) 800°C bis 1000°C versintern dann diese Pulverpartikel zu einem porösen Pulverhaufwerk.
• Im Falle einer kathodengestützten SOFC werden andere Kontaktiermaterialien verwendet, bspw. auf Nickelbasis, bilden jedoch, wenn zum Beispiel Nickelpulver eingesetzt werden, ebenso ein aus Pulverpartikeln aufgebautes poröses Pulverhaufwerk aus. Dabei soll diese in Form einer Paste oder einer Suspension aufgetragenen Kontaktierschicht bzw. das daraus gebildete Pulverhaufwerk nicht nur die Bipolarplatte der einen Einzelzelle mit der Elektrodenschicht der angrenzenden Brennstoff-Einzelzelle elektrisch gut verbinden, und somit eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen bzw. eine solche herstellen, sondern es soll gleichzeitig der für die Stromerzeugung in den Einzelzellen erforderliche Stofftransport der Edukte und Produkte aus dem in der Brennstoffzelle ablaufenden elektrochemischen Umwandlungsprozess durch diese Kontaktierschicht möglichst wenig behindert werden. Aus diesem Grunde wird darauf geachtet, eine im Endzustand poröse (und dabei offenporige) Kontaktierschicht bzw. ein solches poröses Pulverhaufwerk zu erzeugen.
• Da jedoch die Körner des im bekannten Stand der Technik verwendeten Kontaktierschicht-Materials (oder Substrats) beim Fügen der SOFC nur leicht zusammensintern und da aufgrund von deren üblicherweise kugelförmiger Gestalt die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Körnern relativ klein sind, ist der elektrische Widerstand einer solchermaßen erzeugten Kontaktierschicht relativ hoch, nämlich in der Größenordnung von 50 mΩ/cm² bis 400 mΩ/cm² liegend. Dies führt zu (wünschenswerterweise zu minimierenden) elektrischen Leistungsverlusten in der SOFC. Darüber hinaus ist bei diesen bekannten Arten von Kontaktierschichten die Porosität in den Kontaktierschichten relativ gering. Eine zu geringe Porosität kann jedoch unter, bestimmten Betriebszuständen den für einen erfolgreichen elektrochemischen Umwandlungsprozess erforderlichen Stofftransport beschränken. Im Falle einer Kathoden-Kontaktierschicht heißt das, dass die Kathode mit zu wenig Sauerstoff versorgt wird und es dadurch zu einer verringerten Abgabe von elektrischer Leistung kommt.
• Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierschicht aus Fasern gebildet ist. Gleiches gilt bezüglich einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Eine erfindungsgemäß aus elektrisch leitenden Fasern aufgebaute bzw. eine Vielzahl von elektrisch leitenden Fasern enthaltende Kontaktierschicht führt naturgemäß zur einer elektrisch gut leitfähigen bzw. einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Schicht oder Struktur, wobei mit einer solchen Faser-Struktur vorteilhafterweise gleichzeitig eine hohe Porösität erzielt werden kann. Fasern, die naturgemäß eine gewisse Längserstreckung aufweisen, können über ihre gesamte Länge mit mehreren anderen Fasern in Kontakt kommen und somit ein elektrisch gut leitfähiges Netzwerk oder dgl. bilden. Gleichzeitig enthält diese Faser- bzw. Netzstruktur oder dgl. eine ausreichende Menge von Zwischenräumen, die einen ausreichend freien Stofftransport durch eine erfindungsgemäße Kontaktierschicht hindurch ermöglichen. Ein besonderer weiterer Vorteil einer erfindungsgemäß aus Fasern aufgebauten Kontaktierschicht liegt im übrigen in einer gewissen Flexibilität derselben. Während sich nämlich bei den im bekannten Stand der Technik üblicherweise in SOFCs eingesetzten Kontaktierschichten eine starre Verbindung zwischen der Elektrode der einen Einzelzelle und der Bipolarplatte der anderen Einzelzelle ausbildet, die kaum Ausgleichsbewegungen bei Wärmedehnung etc. ermöglicht, gestattet eine nunmehr aus Fasern aufgebaute Kontaktierschicht zumindest geringe Ausgleichsbewegungen innerhalb dieser Struktur, und dies vorteilhafterweise ohne dass die elektrische Leitfähigkeit hierdurch verringert wird. Ungünstige mechanische Wärmespannungen können sich somit in einer erfindungsgemäßen Kontaktierschicht praktisch nicht oder zumindest nur in geringem Maße aufbauen.
• Die Fasern bzw. das die Fasern enthaltende und die Kontaktierschicht bildende Material kann bevorzugt in Form einer Paste oder in einem Lösungsmittel suspendiert auf die Elektrode und/oder Bipolarplatte aufgetragen werden. Hierzu können die geeignet hergestellten Fasern (worauf im nächsten Absatz noch eingegangen wird) mit einem geeigneten Pasten-Grundstoff vermengt werden, wobei es jedoch auch möglich ist, die Fasern vor dem Aufbringen auf die jeweilige Einzelzelle vorzusintern. Die Fasern können aber auch in einem geeigneten Lösemittel, das den ggf. zur Bildung der Fasern verwendeten und folglich in diesen enthaltenen organischen Binder nicht löst, als Grünfaser suspendiert werden.
• Das Aufbringen der Suspension oder Paste auf die jeweilige Elektrode bzw. auf die Bipolarplatte der jeweiligen Einzel-Brennstoffzelle kann dann mit den üblichen Methoden wie bspw. Siebdruck, Wet-Powder-Spraying oder ähnlich erfolgen. Der weitere Füge- bzw. Herstellprozess für einen erfindungsgemäßen SOFC-Stack erfolgt dann auf übliche Weise, d.h. unter Versintern bei Temperaturen in der Größenordnung von 800°C bis 1000°C, wobei es im Hinblick auf eine gute Versinterung der Fasern von Vorteil ist, wenn die zunächst aufgebrachten Fasern noch „sinteraktiv" sind, d.h. im Rahmen ihres Herstellungsprozesses, auf dem im nächsten Absatz noch kurz eingegangen wird, noch nicht vollständig fertig gesintert wurden.
• Was die Herstellung der Fasern selbst betrifft, so kann dies durch Verspinnen beispielsweise mittels Düsen (deren Durchmesser in der Größenordnung von 20 μm bis 1000 μm liegt) von mit insbesondere organischem Binder und einem geeigneten Lösemittel versetztem Pulver eines geeigneten Materials (wie eingangs bspw. genannt LSM, LSC etc.) durchgeführt werden. Das anschließende Verfestigen der Fasern kann dann durch Austreiben des Lösemittels bspw. durch Trocknen, durch UV-Bestrahlung oder durch Nassfällung erfolgen. Anschließend können die Fasern geschnitten und ggf. vorgesintert und/oder zur bereits genannten Paste verarbeitet werden. Alternativ ist es auch möglich, die Fasern aus Sol-Gel-Precursoren zu spinnen, so wie dies in der Fasertechnologie oder Textiltechnik bekannt ist. Die Fasern können aber auch in einem Schmelzspinnverfahren oder wie genannt durch ein Lösungsspinnverfahren hergestellt oder in einem mehrere bekannte Spinnverfahren kombinierenden Verfahren gesponnen werden.
• Mit einer vorgeschlagenen Faserstruktur für die Kontaktierungsschicht(en) einer SOFC können höhere Porositäten erzielt werden als bei reinen Pulverschüttungen gemäß dem bekannten Stand der Technik, wodurch ein besserer Stofftransport und damit eine höhere Brennstoffzellen-Leistung ermöglicht wird. Faserartiges Kontaktiermaterial ermöglicht eine höhere elektrische Leitfähigkeit, damit geringere elektrische Verluste und eine höhere Leistung der Brennstoffzelle. Im übrigern können den erfindungsgemäß in der Kontaktiermasse enthaltenen Fasern noch weitere metallische Fasern zur weiterer Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit beigemengt werden oder sein, wobei es für bestimmte Anforderungen auch von besonderem Vorteil sein kann, wenn zumindest einige der in der Kontaktiermasse enthaltenen Fasern die Eigenschaften eines Halbleiters aufweisen.
• Faserartige Strukturen ermöglichen darüber hinaus ein elastisches Verhalten im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur Brennstoffzellen-Betriebstemperatur von etwa 800°C. Dadurch können durch Temperaturwechsel induzierte thermische Spannungen auf die Brennstoffzelle verringert, werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details auch abweichend von obigen Ausführungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Zusammenfügen von Einzel-Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Block oder -Stack, wobei die Elektrode und/oder die Bipolarplatte der Einzel-Brennstoffzellen mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktierschicht versehen wird, die im Hinblick auf den Stofftransport in der Brennstoffzelle eine ausreichende Porösität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierschicht aus Fasern gebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Form einer Paste oder in einem Lösungsmittel suspendiert auf die Elektrode und/oder Bipolarplatte aufgetragen werden
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch Verspinnen eines geeigneten, mit Binder und Lösemittel versetzten Pulvers hergestellt werden, wobei zur Verfestigung das Lösungsmittel ausgetrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in einem Schmelzspinnverfahren oder durch ein Lösungsspinnverfahren hergestellt oder aus Sol-Gel-Precursoren oder in einem mehrere bekannte Spinnverfahren kombinierenden Verfahren gesponnen werden.
5. Brennstoffzellen-Block oder -Stack, der aus Einzel-Brennstoffzellen zusammengefügt ist, wobei die Elektrode und/oder die Bipolarplatte der Einzel-Brennstoffzellen mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktierschicht versehen ist, die im Hinblick auf den Stofftransport in der Brennstoffzelle eine ausreichende Porösität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierschicht aus Fasern gebildet ist.
6. Brennstoffzellen-Block oder -Stack nach Anspruch 5, hergestellt durch eines der in den Ansprüchen 2–4 genannten Verfahren.
7. Brennstoffzellen-Block oder -Stack nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass den in der Kontaktiermasse enthaltenen Fasern noch weitere metallische Fasern zur weiterer Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit beigemengt sind.
8. Brennstoffzellen-Block oder -Stack nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der in der Kontaktiermasse enthaltenen Fasern Eigenschaften eines Halbleiters aufweisen.