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WO2004093211A2 - Brennstoffzelle und/oder elektrolyseur sowie verfahren zu deren/dessen herstellung - Google Patents

Brennstoffzelle und/oder elektrolyseur sowie verfahren zu deren/dessen herstellung Download PDF

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WO2004093211A2
WO2004093211A2 PCT/EP2004/003893 EP2004003893W WO2004093211A2 WO 2004093211 A2 WO2004093211 A2 WO 2004093211A2 EP 2004003893 W EP2004003893 W EP 2004003893W WO 2004093211 A2 WO2004093211 A2 WO 2004093211A2
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WO
WIPO (PCT)
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layer
fuel cell
contacting device
cathode
interconnector
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2004/003893
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English (en)
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WO2004093211A3 (de
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Robert Ruckdäschel
Erich Bittner
Olav Finkenwirth
Carola Schneider
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.)
Bayerische Motoren Werke AG
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell and / or an electrolyser according to the preamble of claim 1 and a method for their production according to the preamble of claim 23.
  • bipolar plates In the case of a planar stack structure, in addition to the electrical connection of the individual cells, the bipolar plates also take on the task of supplying fuel and oxide gas to the electrodes of the fuel cells and separating the fuel and oxide gases from neighboring cells.
  • the bipolar plates are bonded to a metallic substrate of vacuum plasma-sprayed solid electrolyte fuel cells (so-called SOFC), for example by brazing, capacitor discharge welding, laser soldering, etc.).
  • SOFC vacuum plasma-sprayed solid electrolyte fuel cells
  • This ensures a low-resistance connection between a bipolar plate and the ceramic anode of the solid electrolyte fuel cell, which is arranged adjacent to the metallic substrate.
  • the ceramic cathode of the solid electrolyte fuel cell is usually connected to the bipolar plate by a non-positive connection. This type of connection has a significantly higher contact resistance than the anode-side, material connection.
  • a deformable ceramic suspension is applied before the assembly of the solid electrolyte fuel cell stack between the cathode and the adjacent bipolar plate - z. B. using screen printing or wet powder spraying. This suspension dries and solidifies during the initial start-up of the fuel cell stack and forms a porous functional layer. A complete sintering of the functional layer and cathode does not take place, however, since the usual operating temperatures of the solid electrolyte fuel cell, which are in the range between 750 ° C. and 900 ° C., are below the sintering temperature of the materials used, which is approximately 1400 ° C.
  • the frictional connection of a bipolar plate and a solid electrolyte fuel cell cathode has the following disadvantages: 1.
  • the functional layer must be made relatively thick in order to allow the highest possible manufacturing tolerances of the solid electrolyte fuel cells and the bipolar plates.
  • a thicker functional layer represents a high oxygen transport resistance to the cathode and thereby reduces the electrical performance of the cell.
  • the ceramic functional layer is not able to sinter onto a metallic surface (eg a bipolar plate), the connection between the bipolar plate and the cathode has only a low adhesive strength and is not able to absorb tensile stresses.
  • the functional layer shows little mechanical flexibility. Especially in cyclical use with many and rapid temperature changes, such as occur particularly in the mobile use of a solid electrolyte fuel cell as an auxiliary power supply unit in a motor vehicle, this can lead to failure of the functional layer in the form of high electrical contact resistances at the connecting surfaces between the metallic bipolar plate and the ceramic Lead functional layer.
  • DE 19836351 A1 discloses a high-temperature fuel cell in which a nickel mesh is arranged between the anode and the bipolar plate closest to the anode, the nickel mesh being attached to the bipolar plate in an electrically conductive manner by means of metallic soldering.
  • a fuel cell according to DE 19836351 AI also has the disadvantages mentioned above, since the connection of the interconnector plate is only non-positively connected to the anode.
  • DE 4237602 AI describes a high-temperature fuel cell or a high-temperature fuel cell stack and a method. Ren known for their / its manufacture, wherein a functional layer is provided between the electrodes and the respectively adjacent bipolar plates and wherein the functional layer is electronically conductive and easily deformable at the operating temperature of the stack.
  • a high-temperature fuel cell described in DE 4237602 A1 essentially corresponds to the prior art described at the outset.
  • DE 4340153 Cl discloses a device for contacting electrodes of high-temperature fuel cells.
  • This device is essentially designed as an electrically conductive, elastic and gas-permeable contact pad with a deformable surface structure. During operation of the fuel cell, this device only lies non-positively on the adjacent separator plate and on the electrode to be contacted, so that this device, too, cannot prevent the disadvantages mentioned above.
  • DE 19932194 A1 discloses a method for producing a contact layer on the cathode side of a fuel cell, the contact layer between the cathode and an interconnector plate or an intermediate protective layer layer is provided and the method essentially comprises the following steps:
  • a fuel cell produced in this way disadvantageously has an increased contact resistance between the cathode and the associated interconnector plate after some operating time.
  • a mixture of individual oxides and individual carbonates (starting material) is specified as the connecting medium, which is incorrectly referred to as solder in DE 19932194 A1, which react by heating and pressing to form a lanthanum perovskite.
  • a ceramic layer of the same material as is used for the production of a cathode is thus formed as the connecting layer.
  • soldering When joining a fuel cell stack, a chemical calcination or a sintering process creates a connection layer between the cathode and a protective layer, intermediate products being formed during the chemical reaction which have a different volume compared to end products.
  • This process is referred to in DE 19932194 AI as soldering.
  • a soldered connection is according to Dubbel, 16th edition, page G20; 1.2.1 through the bind heated metals that remain in the solid state defined by melting metallic fillers. There is no chemical reaction of the solder.
  • "soldering" according to DE 19932194 AI only has the heating of the components to be connected in common with the definition of soldering.
  • the resulting contact layer is a ceramic contact layer which is sensitive to mechanical stresses.
  • the mechanical stresses can arise in a solid electrolyte fuel cell, which works as a high-temperature fuel cell, for example as a result of different thermal expansions of the layers present in the fuel cell stack.
  • the ceramic contact layer according to DE 19932194 is characterized by sensitivity to brittle fracture, so that even with only slight mechanical deformation, damage to the contact layer and thus deterioration in the electrical contact resistance between a cathode and an associated interconnector plate can occur.
  • the object of the invention is to provide a fuel cell and / or an electrolyzer which is resistant to high mechanical and thermal alternating loads and also has a high electrical power density.
  • a method for producing a fuel cell and / or an electrolyser is to be specified, which is simple and inexpensive to carry out. In particular, the method should be suitable for large-scale production.
  • an air-permeable metallic contact element is cohesively applied to the side of the bipolar plate which establishes the electrical connection to the cathode of the adjacent solid electrolyte fuel cell, e.g. B. by means of brazing, laser soldering or resistance welding.
  • the metallic contact element it can, for. B. a knitted fabric, knitted fabric, braid, fabric or a perforated metal foil.
  • the task of the metallic contact element is to make electrical contact with the cathode, possibly in conjunction with a functional layer which is applied with a wet ceramic material for additional contact area enlargement.
  • the contact element should still have a certain elasticity even at the operating temperature of the solid electrolyte fuel cell. H. have a certain spring effect in order to maintain the necessary contact pressure over the entire contact surface even after many temperature cycles.
  • the contact element can therefore be designed especially constructively, for. B. with a wave or channel structure.
  • defined material properties, such as. B. the spring hardness can be used.
  • a second metallic phase can be advantageous Characterize properties that the first phase does not have or only insufficiently, such as. B. high electrical conductivity, catalytic activity and / or high spring stiffness. It can either be in the form of wires, fibers and / or surface coatings of the first phase.
  • the metallic contact element is exposed to a highly reactive oxidant at high temperature, it is important that the metal used forms a stable, passivating surface.
  • the oxide skin of the material used must have sufficient electrical conductivity at operating temperature, e.g. B. be designed as an electrical high-temperature semiconductor.
  • the coefficient of thermal expansion of the metal used is preferably matched to that of the cathode and the bipolar plate.
  • a ceramic functional layer is still arranged between the metallic contact element and the cathode, because otherwise the electrical contact resistance between the metallic contact element and the ceramic cathode would be high due to the low coupling of the two materials, and because of this the performance of the solid electrolyte Fuel cell would be reduced. This applies in particular if the fuel cell is thermally is exposed to mixing cycles, which cause the mechanical contact forces to swell and then swell and, as a result, break off the material-to-material connections. Therefore, above all, a firm connection between the metallic and the ceramic component is desired, which under the given operating conditions of a solid electrolyte fuel cell auxiliary power supply unit is also able to absorb mechanical stresses.
  • a particularly firm connection between the metallic and the ceramic component can be achieved by applying the ceramic functional layer to the surfaces of the metallic contact element that contact the cathode by means of thermal coating processes, e.g. the vacuum plasma spraying process can be achieved.
  • thermal coating processes e.g. B. vacuum plasma spraying, which are suitable for applying high-melting ceramics to a wide variety of substrates.
  • Ceramics from the group of perovskites come into consideration as functional layer materials, which are similar to cathode ceramics and therefore allow good electrical contact due to the affinity of the materials.
  • the contact layer materials it must be ensured that no undesired chemical reactions with the material and the oxide skins of the metallic contact element can occur.
  • the functional layer should be able to prevent any chemical reactions between the metallic contact element and the cathode.
  • Further desirable properties of the functional layer are a coefficient of thermal expansion matched to the cathode and the metallic contact element and an oxidation ons-inhibiting effect on the wire surface at the interface between the contact element and functional layer.
  • the thermal functional coating is only at the points of contact between the metallic contact element and the cathode; it is not applied over the entire surface or is reduced to a minimum thickness when using a second wet ceramic applied functional layer. This means a significant reduction in the oxygen diffusion resistance through the functional layer and thus a low oxygen activation potential at the cathode, which in turn leads to increased cell performance. Due to its high porosity, the metallic contact element itself represents almost no transport resistance for the oxygen.
  • thermal coating processes are better suited for coating uneven surfaces (e.g. due to manufacturing tolerances), in contrast to e.g. B. the screen printing process, which places high demands on the surface flatness of the substrate to be printed.
  • FIG. 2 shows an enlarged detailed view X from FIG. 1 of a contacting of a cathode according to the invention with an adjacent bipolar plate;
  • FIG. 3 shows an enlarged detailed view X of a second embodiment of the invention in a partial exploded view.
  • a fuel cell stack 1 (FIG. 1) has a plurality of individual fuel cells 2.
  • the individual fuel cells 2 have an electrolyte layer 3, an anode layer 4 and a cathode layer 5, which are designed in a known manner in the manner of a solid electrolyte fuel cell (SOFC).
  • the electrolyte layer 3 usually consists of yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • the cathode layer 5 usually consists, for. B.
  • the anode layer 4 is shown thicker in the figures than the electrolyte layer 3 and the cathode layer 5.
  • the anode layer 4 may be arranged on a mechanically load-bearing substrate layer (not shown). With a free side 6 opposite the electrolyte layer 3 the anode layer 4 or the substrate layer is connected to a first interconnector 7.
  • the first interconnector 7 is constructed essentially in the form of a plate from a metal and has a first flat side 8 and a second flat side 9.
  • Both flat sides 8, 9 optionally have gas channels 10 and 11 in the area of the electrically active layers 3, 4, 5, the gas channels 10, which are arranged in the area of the first flat side 8, being fuel gas channels facing the anode layer 4.
  • the gas channels 10 are each separated by webs 12, the gas channels 11 by webs 13.
  • the free side 6 of the anode layer 4 is electrically conductive and preferably mechanically integrally connected to free ends of the webs 12 of the first interconnector 7.
  • the anode layer 4 or the substrate layer is connected to the first interconnector 7, for example, by hard soldering, by a capacitor discharge welding or by laser soldering or roller seam welding or the like.
  • a contacting device 21 is arranged on a free side 20 of the cathode layer 5 opposite the electrolyte layer 3.
  • the contacting device 21 is essentially layer-shaped and is, for example, a knitted fabric, knitted fabric, net or a perforated sheet.
  • the contacting device 21 is also formed from an electrically conductive material, which is also designed to be elastic in a direction 22 perpendicular to the layer planes of the electrolyte layer 3, the anode layer 4, the cathode layer 5 and the contacting device 21.
  • the contacting device 21 is thus preferably used in particular their resiliently compressible metal wire mesh, metal wire mesh, metal wire mesh, metal wire bulge or perforated metal foil.
  • the channels 10, 11 in the interconnector 7 can be omitted.
  • the gas-permeable contacting device 21 takes over the gas supply or the reaction product discharge.
  • the contacting device 21 is an air-permeable, porous, flexible, metallic structure. It is formed from a metal, which forms a stable, passivating surface, so that the oxide skin does not reduce the electrical current flow at the points of contact of the metallic contacting device 21 with the cathode layer 5 and a second interconnector 30.
  • the oxide skin of the metal used must have sufficient electrical conductivity at the operating temperature of the solid electrolyte fuel cell, which is usually in the range above 700 ° C., ie it must be a so-called high-temperature semiconductor. These requirements meet e.g. B. ferritic, steels with high chromium and low aluminum content.
  • a small proportion of rare earth elements, such as. B. yttrium or lanthanum improves the adhesive strength of the passivating oxide skin on the surface of the material forming the contacting device 21.
  • the contacting device 21, which is designed as a layer, is connected with a free flat side to the second interconnector 30 of an adjacent individual fuel cell 2 in an electrically conductive and mechanically cohesive manner.
  • a mechanically integral connection 31 between the contacting device 21 and the second interconnector 30 is designed, for example, as a suitable type of brazing, capacitor discharge welding or laser soldering or the like.
  • the contacting device 21 is designed as a wire bulge made of a thin metal wire 32, with metal wire arch sections 33 facing the second interconnector 30 and metal wire arch sections 34 facing the contacting device 21 of the cathode layer 5.
  • the metal wire arc sections 33 are connected by means of the integral connection 31 to the second interconnector 30, z. B. the metal wire arc sections 33 are embedded in a layer of the integral connection 31 and are thus firmly, in particular tensile, connected to the second interconnector 30 in a direction 22.
  • connection layer 40 is designed as a ceramic functional layer applied to the free side of the contacting device 21 by means of a thermal application process, for example the vacuum plasma spraying process.
  • the connecting layer 40 is preferably formed from ceramics from the group of the Perovskite, which are similar to the material of the cathode layer 5 and thus due to their affinity ensure good electrical contact and a good mechanical connection.
  • connection layer 40 is preferably not formed over the entire surface, but only in the areas on a free surface 70 of the cathode layer 5 in which the metal wire arc sections 34 run in the vicinity of the cathode layer 5.
  • the connecting layer 40 is preferably arranged in partial areas on the free surface of the contacting device 21 in such a way that partial areas' of the metal wire arc sections 34 are embedded in the connecting layer 40 in a form-fitting manner, the embedding preferably taking place in the areas of the metal wire arc sections 34 which correspond to a free surface 70 of the cathode layer 5 are arranged closest.
  • the contacting device 21 is cohesive with an interconnector plate 30, as described above connected so that the connection between a cathode 5 and an interconnector plate 30 as a whole is highly resistant to tensile forces in one direction 22, without the electrical contacting properties between the interconnector plate 30 and the cathode 5 being adversely affected.
  • a second functional layer 90 is additionally present. This embodiment is explained in more detail below using the detail X from FIG. 1, which is shown in FIG. 3, as an example.
  • the second embodiment of the invention according to FIG. 3 is constructed essentially identically to the embodiment of FIG. 2, to which reference is made in full.
  • the second embodiment has a second functional layer 90, which is applied as a very thin layer to the free surface 70 of the cathode layer 5.
  • This second functional layer 90 is formed from a ceramic material which is very similar to the ceramic material of the connecting layer 40 and the cathode material, so that good sintering between these materials and thus a good material connection can be achieved when the fuel cell stack is joined.
  • the functional layer 90 is preferably by means of wet application techniques, such as. B. screen printing, spraying, brushing, applied as a pasty mass or suspension on the free surface 70 of the cathode 5.
  • the sections of the connecting layer 40 applied to the contacting device 21 by means of thermal coating processes reach the still pasty or deformable second functional layer 90 and dip into it, so that the connecting layer 40 or its sections are at least partially surrounded by pasty ceramic mass.
  • the materials of the second functional layer 90 are preferably provided with sintering aids, so that a reduction in the sintering temperature required for connecting the functional layer 90 to the connecting layer 40 can be achieved.
  • the contacting device 21 is cohesive connected to the interconnector 30, so that in the synopsis a high tensile load-resistant connection is formed between the interconnector 30 and the cathode 5.
  • the embodiment according to FIG. 3 is characterized by a somewhat higher tensile load-resistant connection between the contacting device 21 and the cathode 5, in return a slightly higher oxygen diffusion resistance due to the full coverage of the cathode 5 with the functional layer 90 compared to the embodiment according to FIG.
  • the method according to the invention for producing a fuel cell is explained in more detail below:
  • the sequence of the method steps selected below is not binding for the chronological sequence of the production method. It only serves to illustrate the method and represents a possible, particularly preferred sequence of the production steps.
  • the electrochemically active layer structure consisting of anode layer 4, electrolyte layer 3 and cathode layer 5, for a high-temperature solid electrolyte fuel cell is produced in a substantially known manner.
  • This can usually be done by means of the vacuum plasma spray manufacturing process or by means of a sintered ceramic manufacturing process by mixing a metallic-ceramic suspension and a subsequent sintering process for the respective layer.
  • the layer structure of the individual layers 3, 4, 5 is produced by blowing the materials that form the layers in each case into a plasma jet of a plasma torch, the plasma torch being guided, for example, in a meandering manner over a substrate layer, so that the change-like process of the plasma torch is achieved in layers.
  • the composite of anode layer 4, electrolyte layer 3 and cathode layer 5 is connected on the anode side to a free flat side 8 of a first interconnector 7, the connection being electrically conductive and / or preferably mechanically cohesive.
  • the types of fastening of brazing, capacitor discharge welding or laser soldering are particularly suitable for this.
  • the contacting device 21 is fastened to the second flat side 9 of a second interconnector 30 in the same way as the anode layer 14 is fastened on the first interconnector 7, so that an electrically conductive, mechanically tensile connection between the contacting device 21 and the associated one second interconnector 30 is produced.
  • a thermal application method for. B. the vacuum plasma spraying, a ceramic connection layer 40 is applied, wherein a high material strength can be achieved between the connection layer 40 and the contacting device 21 by using a thermal application method.
  • a porous contacting device for example in the form of a wire crust, is also partially positively connected to the connecting layer 40 applied by the thermal application process, because, for example, metal wire arches 34 are surrounded by the ceramic connecting layer 40 during application and thus form-fitting after the ceramic of the connecting layer 40 has hardened are embedded in the ceramic connection layer 40.
  • the connecting layer 40 applied by means of thermal coating processes is already hardened when the fuel cell stack is joined, but due to its material similarity to the cathode material 5 it has a high affinity and a high tendency to sinter with the material of the cathode 5.
  • a hard connection layer 40 applied with thermal coating methods it is possible, by means of a hard connection layer 40 applied with thermal coating methods, to achieve a good material connection and thus tensile strength-resistant bond between the ceramic connection layer 40 and the cathode manufacture ceramics.
  • This material bond is formed by a sintering process when the fuel cell stack is started up for the first time, the fuel cell stack preferably being heated once to a temperature above the later operating temperature of the fuel cell stack in order to ensure the sintering to a sufficient extent.
  • a punctiform or partial area arrangement of the connecting layer 40 can take place such that the starting materials for the connecting layer 40 are only partially applied to the side of the contacting device 21 facing the cathode layer 5, wherein it is ensured that the materials forming the connecting layer 40 merely be attached to the areas of the contacting device 21 which are to come into contact with the cathode layer 5 later.
  • a second ceramic functional layer 90 is additionally applied to the free surface 70 of the cathode layer 5.
  • the second ceramic functional layer 90 is in the form of a suspension and / or a paste by means of so-called wet application techniques, e.g. B. screen printing, wet powder spraying and the like, applied to the cathode 5 before the joining process of the fuel cell stack 1.
  • wet application techniques e.g. B. screen printing, wet powder spraying and the like
  • the ceramics of the cathode 5 and the layers 40, 90 are sintered together, so that a mechanical tensile force-resistant composite is formed.
  • the fuel cell stack 1 is exposed to a temperature significantly above the usual operating temperature of the fuel cell stack 1, so that these materials are well sintered.
  • the second ceramic functional layer 90 is a ceramic which, through its structure and / or the addition of so-called sintering aids, brings about a reduction in the required sintering temperature.
  • the second functional layer 90 can by means of wet ceramic coating methods, such as. B. screen printing, wet powder spraying or dispensers can be applied with one travel unit.
  • each individual fuel cell forms a bond with an adjacent individual fuel cell which can absorb tensile forces in a direction opposite to the joining direction of the fuel cell stack.
  • This ensures long-term high-quality electrical contact between the cathode and the adjacent interconnector.
  • the method according to the invention specifies a manufacturing method which can be carried out in a simple manner and can be used in particular in the field of large series production.
  • a fuel cell according to the invention has an increased electrical power density, since the inventive design of the integral connection between the contacts Clocking device 21 and the cathode layer 5 free surface sections 70a of the free surface 70 are formed, which are not covered by the functional layer and thus in no way hinder the diffusion of the oxygen ions through the cathode.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und/oder einen Elektrolyseur mit einer Elektrolytschicht, welche einseitig mit einer Kathodenschicht und andererseits mit einer Anodenschicht in Verbindung steht, und die Anodenschicht elektrisch und/oder mechanisch mit einem ersten Interkonnektor in Verbindung steht, wobei im Bereich einer freien Seite der Kathodenschicht eine Kontaktierungseinrichtung angeordnet ist, welche sowohl mit einem zweiten Interkonnektor als auch mit der Kathodenschicht elektrisch leitend und mechanisch stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist.

Description

Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur sowie Verfahren zu deren/dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und/oder einen E- lektrolyseur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu deren/dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 23.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass aufgrund der geringen Spannung, die eine einzelne Brennstoffzelle in der Lage ist, zu liefern für technische Anwendungen mehrere Zellen zu einem Brennstoffzellenstapel (englisch: stack) in Reihenschaltung zusammengeschaltet werden müssen. Die elektrische Verbindung erfolgt über so genannte Interkonnektoren oder Bipolarplatten. Im Falle eines planaren Stapelaufbaus übernehmen die Bipolarplatten neben der elektrischen Verbindung der einzelnen Zellen zusätzlich die Aufgabe der Brenn- und Oxidgaszuführung zu den Elektroden der Brennstoffzellen sowie die Separierung der Brenn- und Oxidgase benachbarter Zellen.
Die Bipolarplatten sind mit einem metallischen Substrat vaku- umplasmagespritzter Festelektrolyt-Brennstoffzellen (so genannte SOFC) stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch Hartlöten, Kondensator-Entladungsschweißen, Laserlöten etc.). Dadurch ist eine niederohmige Verbindung zwischen einer Bipolarplatte und der keramischen Anode der Festelektrolyt- Brennstoffzelle, welche benachbart zum metallischen Substrat angeordnet ist, gewährleistet. Die keramische Kathode der Festelektrolyt-Brennstoffzelle wird üblicherweise durch eine kraftschlüssige Verbindung mit der Bipolarplatte verbunden. Diese Verbindungsart weist einen deutlich höheren Kontaktierungswiderstand auf als die anoden- seitige, materialschlüssige Verbindung. Hinzu kommt, dass aufgrund der geringen Flexibilität der Bipolarplatte und der Festelektrolyt-Brennstoffzelle Oberflächenunebenheiten durch Fertigungstoleranzen nur durch sehr hohe Anpresskräfte ausgeglichen werden können, welche wiederum zu einer mechanischen Beschädigung der empfindlichen Keramikschichten der Festelektrolyt-Brennstoffzellen führen können.
Um die elektrische Kontaktierung der Kathode zu verbessern und gleichzeitig Fertigungstoleranzen, wie z. B. Oberflächenrauhigkeiten und Oberflächenwelligkeiten, auszugleichen, wird vor dem Zusammenbau des Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapels zwischen der Kathode und der benachbarten Bipolarplatte eine verformbare, keramische Suspension aufgetragen - z. B. mittels Siebdruck oder Nasspulverspritzverfahren. Diese Suspension trocknet und verfestigt sich während der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels und bildet eine poröse Funktionsschicht. Eine vollständige Versinterung von Funktionsschicht und Kathode erfolgt dabei allerdings nicht, da die üblichen Betriebstemperaturen der Festelektrolyt-Brennstoffzelle, welche im Bereich zwischen 750 °C und 900 °C liegen, unterhalb der Sintertemperatur der verwendeten Materialien, welche etwa 1400 °C beträgt, liegen.
Die kraftschlüssige Verbindung einer Bipolarplatte und einer Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Kathode hat folgende Nachteile: 1. Es existiert ein Zielkonflikt bei der Optimierung der Dicke der Funktionsschicht. Zum einen muss die Funktionsschicht relativ dick ausgeführt werden, um möglichst hohe Fertigungstoleranzen der Festelektrolyt-Brennstoffzellen und der Bipolarplatten zulassen zu können. Eine dickere Funktionsschicht stellt darüber hinaus trotz ihrer Porosität einen hohen Sauerstofftransportwiderstand zur Kathode dar und vermindert dadurch die elektrische Leistung der Zelle.
2. Da die keramische Funktionsschicht nicht in der Lage ist, an eine metallische Oberfläche (z. B. eine Bipolarplatte) an- zusintern, erreicht die Verbindung zwischen Bipolarplatte und Kathode nur eine geringe Haftfestigkeit und ist nicht in der Lage, Zugspannungen aufzunehmen. Darüber hinaus weist die Funktionsschicht kaum mechanische Flexibilität auf. Besonders im zyklischen Einsatz bei vielen und schnellen Temperaturwechseln, wie sie besonders im mobilen Einsatz einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle als Hilfsenergieversorgungseinheit in einem Kraftfahrzeug auftreten, kann dies zu einem Versagen der Funktionsschicht in Form von hohen elektrischen Kontaktwiderständen an den Verbindungsflächen zwischen der metallischen Bipolarplatte und der keramischen Funktionsschicht führen.
Aus der DE 19836351 AI ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle bekannt, bei der zwischen der Anode und der zur Anode nächst- liegenden Bipolarplatte ein Nickelnetz angeordnet ist, wobei das Nickelnetz mittels einer metallischen Lötung an der Bipolarplatte elektrisch leitend befestigt ist. Eine Brennstoffzelle gemäß der DE 19836351 AI weist ebenfalls die oben genannten Nachteile auf, da die Verbindung der Interkonnek- torplatte lediglich kraftschlüssig mit der Anode erfolgt.
Aus der DE 4237602 AI ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle bzw. ein Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel und ein Verfah- ren zu deren/dessen Herstellung bekannt, wobei zwischen den Elektroden und den jeweils angrenzenden Bipolarplatten jeweils eine Funktionsschicht vorgesehen ist und wobei die Funktionsschicht bei Betriebstemperatur des Stapels elektronisch leitend und leicht verformbar ist. Eine in der DE 4237602 AI beschriebene Hochtemperaturbrennstoffzelle entspricht im Wesentlichen dem eingangs beschriebenen Stand der Technik.
Aus der DE 4340153 Cl ist eine Vorrichtung zum Kontaktieren von Elektroden von Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt. Diese Vorrichtung ist im Wesentlichen als elektrisch leitendes, elastisches und gasdurchlässiges Kontaktkissen mit einer verformbaren Oberflächenstruktur ausgebildet. Diese Vorrichtung liegt im Betrieb der Brennstoffzelle jeweils an der benachbarten Separatorplatte und an der zu kontaktierenden E- lektrode lediglich kraftschlüssig an, sodass auch diese Vorrichtung die oben genannten Nachteile nicht verhindern kann.
Aus der DE 19841919 AI ist ein Brennstoffzellenmodul und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem die Anode mit Hilfe eines Lotes an ihrer zugehörigen Interkonnektorplatte befestigt ist und die Kathode mittels einer keramischen Funktionsschicht elektrisch mit ihrer zugehörigen Interkonnektorplatte verbunden ist. Auch eine solche Brennstoffzelle weist als Nachteil eine mangelnde mechanische Zugfestigkeit zwischen Kathode und deren zugewandter Interkonnektorplatte auf, da die keramische Funktionsschicht sich nicht stoffschlüssig mit der Kathode verbindet und somit Zugkräfte nur unzureichend übertragbar sind.
Aus der DE 19932194 AI ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht auf der Kathodenseite einer Brennstoffzelle bekannt, wobei die Kontaktschicht zwischen der Kathode und einer Interkonnektorplatte bzw. einer dazwischenliegenden Schutz- schicht vorgesehen ist und das Verfahren im Wesentlichen folgende Schritte aufweist:
1. Aufbringen von mindestens einer Art von Einzelkarbonaten des Endproduktes Lanthan-Perovskit auf die Interkonnektorplatte oder die Kathode in Form von Pulver, Verlöten der einzelnen Bauelement der Brennstoffzelle unter Last und Wärmeentwicklung, wobei die Einzelkarbonate der Kontaktschicht zunächst kalziniert werden und gleichzeitig die aus den Einzelkarbonaten entstandene Oxidphase der Lanthan-Perovskite zur Kontaktschicht versintert. Anschließend wird die Brennstoffzelle abgekühlt. Somit ist die gemäß dieser Druckschrift herzustellende Kontaktschicht einseitig mit einer angrenzenden Schicht versintert. Hierdurch entsteht wiederum der in Zugrichtung mangelhaft belastbare Verbund zur Bipolarplatte, sodass eine derart hergestellte Brennstoffzelle nach einiger Betriebszeit nachteiligerweise einen erhöhten Übergangswiderstand zwischen Kathode und der zugehörigen Interkonnektorplatte aufweist. Als Verbindungsmedium, welches in der DE 19932194 AI fälschlicherweise als Lot bezeichnet wird, wird eine Mischung aus Einzeloxiden und Einzelkarbonaten (Ausgangsmaterial) angegeben, welche durch Erhitzen und Pressen zu einem Lanthan-Perovskit reagieren. Somit entsteht als verbindende Schicht eine keramische Schicht aus dem gleichen Material, wie es für die Herstellung einer Kathode verwendet wird. Beim Fügen eines Brennstoffzel- lenstapels wird durch einen chemischen Kalzinierungs- bzw. durch einen Sinterprozess eine Verbindungsschicht zwischen der Kathode und einer Schutzschicht erzeugt, wobei während der chemischen Reaktion Zwischenprodukte entstehen, welche gegenüber Endprodukten ein unterschiedliches Volumen aufweisen. Dieser Vorgang wird zwar in der DE 19932194 AI als Lötung bezeichnet. Dies stimmt jedoch mit der allgemein gängigen Definition einer Lötverbindung nicht überein. Eine Lötverbindung ist nach Dubbel, 16. Auflage, Seite G20; 1.2.1 durch das Ver- binden erwärmter, in festem Zustand verbleibender Metalle durch schmelzende metallische Zusatzwerkstoffe (Lote) definiert. Eine chemische Reaktion des Lots erfolgt hierbei nicht. Insofern hat das "Löten" gemäß der DE 19932194 AI mit dem definitionsgemäßen Lötungsbegriff nur das Erwärmen der zu verbindenden Bauteile gemeinsam.
Bei einer Brennstoffzelle gemäß der DE 19932194 AI ist weiterhin von Nachteil, dass die entstehende Kontaktschicht eine keramische Kontaktschicht ist, welche auf mechanische Spannungen empfindlich reagiert. Die mechanischen Spannungen können in einer Festelektrolytbrennstoffzelle, welche als Hochtemperaturbrennstoffzelle arbeitet, beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen der im Brennstoffzellen- stapel vorhandenen Schichten entstehen. Die keramische Kontaktschicht gemäß der DE 19932194 ist durch Sprödbruch- Empfindlichkeit gekennzeichnet, sodass auch bei nur geringer mechanischer Verformung bereits eine Beschädigung der Kontaktschicht und somit eine Verschlechterung des elektrischen Übergangswiderstandes zwischen einer Kathode und einer zugehörigen Interkonnektorplatte auftreten kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle und/oder einen Elektrolyseur anzugeben, welche® widerstandsfähig gegen hohe mechanische und thermische Wechselbelastung ist und zudem eine hohe elektrische Leistungsdichte aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs angegeben werden, welches einfach und kostengünstig durchführbar ist. Insbesondere soll das Verfahren für eine Großserienproduktion geeignet sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Brennstoffzelle und/oder einem Elektrolyseur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zu deren/dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweils von den unabhängigen Hauptansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird auf die Seite der Bipolarplatte, welche die elektrische Verbindung zur Kathode der benachbarten Festelektrolyt-Brennstoffzelle herstellt, erstmals ein luftdurchlässiges metallisches Kontaktelement stoffschlüssig aufgebracht, z. B. mittels Hartlöten, Laserlöten oder Widerstandsschweißen. Bei dem metallischen Kontaktelement kann es sich z. B. um ein Gestrick, Gewirk, Geflecht, Gewebe oder einer perforierte Metallfolie handeln. Das metallische Kontaktelement hat die Aufgabe, ggf. im Verbund mit einer zur zusätzlichen Kontaktflächenvergrößerung nasskeramisch aufgebrachten Funktionsschicht, die Kathode elektrisch zu kontaktieren.
Das Kontaktelement soll auch bei Betriebstemperatur der Festelektrolyt-Brennstoffzelle noch über eine gewisse Elastizität, d. h. eine gewisse Federwirkung, verfügen, um auch nach vielen Temperaturzyklen noch den notwendigen Anpressdruck über die gesamte Kontaktfläche aufrechtzuerhalten. Das Kontaktelement kann daher speziell konstruktiv gestaltet werden, z. B. mit einer Wellen- oder Kanalstruktur. Außerdem können definierte Materialeigenschaften, wie z. B. die Federhärte, genutzt werden. Durch die Variation von Maschenweite, Umschlingung und Verschlingungswinkel sowie Drahtdurchmesser des Kontaktelements können in das Kontaktelement zur Brennstoffzelle sowohl laterale als auch senkrechte Dichtegradienten eingearbeitet werden, welche eine Optimierung des Sauerstofftransports ermöglichen.
Weitere Verbesserungen des metallischen Kontaktelements können durch die Einbringung einer zweiten metallischen Phase erzielt werden. Dieses zweite Material kann sich durch vorteilhafte Eigenschaften auszeichnen, über die die erste Phase nicht oder nur unzureichend verfügt, wie z. B. hohe elektrische Leitfähigkeit, katalytische Aktivität und/oder hohe Federsteifig- keit. Es kann entweder in Form von Drähten, Fasern und/oder Oberflächenbeschichtungen der ersten Phase vorliegen.
Da das metallische Kontaktelement bei hoher Temperatur einem hoch reaktiven Oxidanten ausgesetzt ist, ist es wichtig, dass das verwendete Metall eine stabile, passivierende Oberfläche ausbildet. Um zu verhindern, dass die Oxidhaut den elektrischen Stromfluss an den Berührungspunkten der Drähte untereinander herabsetzt, muss die Oxidhaut des verwendeten Materials eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit bei Betriebstemperatur aufweisen, z. B. als elektrischer Hochtemperatur- Halbleiter ausgebildet sein.
Ferner ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des eingesetzten Metalls bevorzugt an diejenigen der Kathode und der Bipolarplatte angepasst.
Die genannten Anforderungen erfüllen z. B. ferritische Stähle mit hohem Chrom- und niedrigem Aluminium- und Siliziumgehalt. Ein geringer Anteil von Seltenerdelementen, wie z. B. Yttrium oder Lanthan verbessert die Haftfestigkeit der passivierenden Oxidhaut auf der Oberfläche der Drähte.
Zusätzlich zum metallischen Kontaktelement ist auch weiterhin eine keramische Funktionsschicht zwischen dem metallischen Kontaktelement und der Kathode angeordnet, weil sonst der e- lektrische Kontaktwiderstand zwischen dem metallischen Kontaktelement und der keramischen Kathode aufgrund der geringen Ankopplung der beiden Materialien hoch wäre und durch ihn die Leistung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle verringert werden würde. Dies gilt insbesondere, wenn die Brennstoffzelle ther- mischen Zyklen ausgesetzt ist, die ein An- und Abschwellen der mechanischen Kontaktkräfte und damit ggf. ein Abreißen der materialschlüssigen Verbindungen bewirken. Daher ist vor allem o eine feste Verbindung zwischen der metallischen und der keramischen Komponente gewünscht, die unter den gegebenen Betriebsbedingungen einer Festelektrolyt-Brennstoffzellen- Hilfsenergieversorgungseinheit auch in der Lage ist, mechanische Zuspannungen aufzunehmen.
Eine besonders feste Verbindung zwischen der metallischen und der keramischen Komponente kann durch das Aufbringen der keramischen Funktionsschicht auf die die Kathode kontaktierenden Flächen des metallischen Kontaktelements mittels thermischer Beschichtungsverfahren, z.B. dem Vakuum-Plasmaspritzverfahren, erreicht werden. Als Beschichtungsverfahren bieten sich alle thermischen Beschichtungsverfahren, z. B. Vakuum- Plasmaspritzen, an, die geeignet sind, hoch schmelzende Keramiken auf verschiedenste Trägermaterialien festhaftend aufzubringen.
Als Funktio.nsschicht-Materialien kommen Keramiken aus der Gruppe der Perowskite in Betracht, welche der Kathodenkeramik ähnlich sind und daher einen guten elektrischen Kontakt aufgrund der Affinität der Materialien ermöglichen. Bei der Auswahl der Kontaktschichtmaterialien muss sichergestellt werden, dass keine unerwünschten chemischen Reaktionen mit dem Material und den Oxidhäuten des metallischen Kontaktelements auftreten können. Darüber hinaus soll die Funktionsschicht in der Lage sein, eventuelle chemische Reaktionen zwischen dem metallischen Kontaktelement und der Kathode zu unterbinden.
Weitere wünschenswerte Eigenschaften der Funktionsschicht sind ein an die Kathode und das metallische Kontaktelement ange- passter thermischer Ausdehnungskoeffizient und eine Oxidati- ons-hemmende Wirkung auf die Drahtoberfläche an der Grenzfläche zwischen Kontaktelement und Funktionsschicht.
Zur Ausbildung und Verstärkung der Haftkräfte zwischen der Funktionsschicht und der Kathode ist es notwendig, dass beide Keramiken miteinander versintern. Dazu ist es entweder notwendig, den gefügten Brennstoffzellenstapel einer Temperatur deutlich oberhalb der üblichen Betriebstemperatur auszusetzen oder eine zweite keramische Funktionsschicht einzufügen, die durch ihre Struktur und/oder den Zuschlag von so genannten "Sinterhilfsmitteln" ein Absinken der benötigten Sintertemperatur bewirkt. Zur Applikation der zweiten Funktionsschicht bieten sich verschiedene nasskeramische Beschichtungsverfahren an, wie z. B. Siebdrucktechnik, Nasspulversprühen oder Dispen- soren mit einer Verfahreinheit.
Die Erfindung hat durch die Kombination "Bipolarplatte mit materialschlüssig verbundenem, luftdurchlässigem, metallischem Kontaktelement - keramische Funktionsschicht - Kathode" gegenüber der bisher angewendeten Kombination "Bipolarplatte - Funktionsschicht - Kathode" folgende Vorteile:
1. Fertigungstoleranzen der Bipolarplatte und der Festelektrolyt-Brennstoffzelle werden während des Fügens des Stapels durch die elastischen Eigenschaften des kathodenseitigen metallischen Kontaktelements ausgeglichen.
2. Auch bei nach langer Betriebszeit bzw. vielen thermischen Betriebszyklen nachlassender Federsteifigkeit (z. B. durch Zeit-, Temperatur- und lastabhängige Kriechvorgänge) des metallischen Kontaktelements und dem damit verbundenen Nachlassen der Anpresskräfte bis hin zum Übergang in den Bereich der flächigen Zugbelastung bleibt der elektrische Kontakt zwischen einer Bipolarplatte und einer Kathode erhalten, da sowohl die versinterten Keramiken der Funktionsschicht (en) und der Kathode als auch die thermisch beschichtete Verbindung von der Funktionsschicht und dem metallischen Kontaktelement bei Betriebstemperatur noch in der Lage sind, mechanische Spannungen aufzunehmen.
3. Die thermische Funktionsbeschichtung befindet sich nur noch an den Berührungspunkten zwischen dem metallischen Kontaktelement und der Kathode; sie wird nicht vollflächig aufgetragen bzw. wird, bei Verwendung einer zweite nasskeramisch aufgetragenen Funktionsschicht, auf eine minimale Dicke reduziert. Dies bedeutet eine deutliche Verringerung des Sauerstoffdiffusionswiderstands durch die Funktionsschicht und damit ein niedriges Sauerstoff-Aktivierungspotential an der Kathode, welches wiederum zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit der Zelle führt. Das metallische Kontaktelement selbst stellt aufgrund seiner hohen Porosität nahezu keinen Transportwiderstand für den Sauerstoff dar.
4. Eine Optimierung der Luftverteilung über der Zellfläche des Festelektrolyt-Brennstoffzelle ist durch eine eingeprägte Kanalstruktur sowie einen gradierten Aufbau des Kontaktelements leicht zu realisieren.
5. Thermische Beschichtungsverfahren eignen sich prinzipiell besser zum Beschichten unebener Oberflächen (z. B. wegen Fertigungstoleranzen) im Gegensatz z. B. zum Siebdruckverfahren, welches hohe Ansprüche an die Oberflächenebenheit des zu bedruckenden Substrats stellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen Brennstoff- zellenstapel mit Einzelbrennstoffzellen gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht X aus Fig. 1 einer erfindungsgemäßen Kontaktierung einer Kathode mit einer benachbarten Bipolarplatte;
Fig.3 eine vergrößerte Detaiansicht X einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer teilweisen Explosionsdarstellung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung einer Brennstoffzelle erläutert. Alle Angaben gelten selbstverständlich entsprechend für den Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle als Elektrolyseur.
Ein Brennstoffzellenstapel 1 (Fig. 1) weist mehrere Einzelbrennstoffzellen 2 auf. Die Einzelbrennstoffzellen 2 besitzen eine Elektrolytschicht 3, eine Anodenschicht 4 und eine Kathodenschicht 5, welche in bekannter Art und Weise nach Art einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sind. Die Anodenschicht 4 ist als ein Keramik-Metall-Verbundwerkstoff (englisch: Cermet = Keramik und Metal) aufgebaut und besteht z. B. aus Nickel und Zirkondioxid. Die Elektrolytschicht 3 besteht üblicherweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid. Die Kathodenschicht 5 besteht üblicherweise z. B. aus keramischem Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM) , welches oftmals zusätzlich mit Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) vermischt ist. Die Anodenschicht 4 ist in den Figuren dicker dargestellt als die Elektrolytschicht 3 und die Kathodenschicht 5. Die Anodenschicht 4 ist ggfs. auf einer mechanischtragenden Substratschicht (nicht gezeigt) angeordnet. Mit einer der Elektrolytschicht 3 gegenüberliegenden freien Seite 6 der Anodenschicht 4 bzw. der Substratschicht steht diese mit einem ersten Interkonnektor 7 in Verbindung. Der erste Interkonnektor 7 ist im Wesentlichen plattenförmig aus einem Metall aufgebaut und weist eine erste Flachseite 8 und eine zweite Flachseite 9 auf. Beide Flachseiten 8 , 9 weisen im Bereich der elektrisch aktiven Schichten 3, 4, 5 ggfs. Gaskanäle 10 und 11 auf, wobei die Gaskanäle 10, welche im Bereich der ersten Flachseite 8 angeordnet sind, der Anodenschicht 4 zugewandte Brenngaskanäle sind. Die Gaskanäle 11, welche im Bereich der zweiten Flachseite 9 einer Kathodenschicht 5 zugewandt sind, führen im Betrieb der Brennstoffzelle ein zur Oxidation des Brenngases erforderliches Oxidationsgas, z. B. Luftsauerstoff . Die Gaskanäle 10 sind jeweils durch Stege 12, die Gaskanäle 11 durch Stege 13 voneinander getrennt. Die Anodenschicht 4 steht mit ihrer freien Seite 6 elektrisch leitend und bevorzugt mechanisch stoffschlüssig mit freien Enden der Stege 12 des ersten Interkonnektors 7 in Verbindung. Die Anodenschicht 4 bzw. die Substratschicht ist beispielsweise durch eine Hartlötung, durch eine Kondensatorentladungsschweißung oder durch Laserlöten oder Rollnahtschweißen oder dergleichen geeignete stoffschlüssige Verbindungsarten mit dem ersten Interkonnektor 7 verbunden.
Auf einer der Elektrolytschicht 3 gegenüberliegenden freien Seite 20 der Kathodenschicht 5 ist eine Kontaktierungseinrichtung 21 angeordnet. Die Kontaktierungseinrichtung 21 ist im Wesentlichen schichtför ig ausgebildet und ist beispielsweise ein Gestrick, Gewirk, Netz oder ein perforiertes Blech. Die Kontaktierungseinrichtung 21 ist ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet, welches zudem in einer Richtung 22 senkrecht zu den Schichtebenen der Elektrolytschicht 3, der Anodenschicht 4, der Kathodenschicht 5 und der Kontaktierungseinrichtung 21 elastisch ausgebildet ist. Bevorzugt ist die Kontaktierungseinrichtung 21 somit als insbeson- dere federnd kompressibles Metalldrahtgestrick, Metalldrahtgewirk, Metalldrahtnetz, Metalldrahtgewölle oder perforierte Metallfolie ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die Kanäle 10, 11, im Interkonnektor 7 entfallen. In diesem Falle übernimmt die gasdurchlässige Kontaktierungseinrichtung 21 die Gaszufuhr bzw. die Reaktionsproduktabfuhr.
Die Kontaktierungseinrichtung 21 ist ein luftdurchlässiges, poröses, flexibles, metallisches Gebilde. Sie ist aus einem Metall ausgebildet, welches eine stabile, passivierende Oberfläche ausbildet, damit die Oxidhaut den elektrischen Stro - fluss an den Berührungspunkten der metallischen Kontaktierungseinrichtung 21 mit der Kathodenschicht 5 und einem zweiten Interkonnektor 30 nicht herabgesetzt wird. Zu diesem Zweck muss die Oxidhaut des verwendeten Metalls eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit bei Betriebstemperatur der Festelektrolytbrennstoffzelle, welche üblicherweise im Bereich o- berhalb von 700 °C liegt, aufweisen, also ein so genannter Hochtemperatur-Halbleiter sein. Diese Anforderungen erfüllen z. B. ferritische, Stähle mit hohem Chrom- und niedrigem Aluminium-Gehalt. Ein geringer Anteil von Seltenerdelementen, wie z. B. Yttrium oder Lanthan verbessert die Haftfestigkeit der passivierenden Oxidhaut auf der Oberfläche des die Kontaktierungseinrichtung 21 ausbildenden Materials.
Die Kontaktierungseinrichtung 21, welche als Schicht ausgebildet ist, steht mit einer freien Flachseite mit dem zweiten Interkonnektor 30 einer benachbarten Einzelbrennstoffzelle 2 e- lektrisch leitend und mechanisch stoffschlüssig in Verbindung. Eine mechanisch stoffschlüssige Verbindung 31 zwischen der Kontaktierungseinrichtung 21 und dem zweiten Interkonnektor 30 ist beispielsweise als Hartlötung, Kondensatorentladungs- schweißung oder Laserlötung oder dergleichen geeignete Befestigungsart ausgebildet.
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform des stoffschlüssigen und formschlüssigen Verbunds zwischen der Kathodenschicht 5 und dem zweiten Interkonnektor 30 über die Kontaktierungseinrichtung 21 anhand des Details X aus Figur 1, welches in Fig. 2 dargestellt ist, beispielhaft näher erläutert.
Beispielhaft ist in der Fig. 2 die Kontaktierungseinrichtung 21 als Drahtgewölle aus einem dünnen Metalldraht 32 ausgebildet, wobei Metalldrahtbogenabschnitte 33 dem zweiten Interkonnektor 30 zugewandt sind und Metalldrahtbogenabschnitte 34 der Kontaktierungseinrichtung 21 der Kathodenschicht 5 zugewandt sind. Die Metalldrahtbogenabschnitte 33 sind mittels der stoffschlüssigen Verbindung 31 mit dem zweiten Interkonnektor 30 verbunden, wobei z. B. die Metalldrahtbogenabschnitte 33 in einer Schicht der stoffschlüssigen Verbindung 31 eingebettet sind und somit mit dem zweiten Interkonnektor 30 fest, insbesondere zugfest, in einer Richtung 22 verbunden sind.
Die Metalldrahtbogenabschnitte 34, welche der Kathodenschicht 5 zugewandt sind, sind mittels einer Verbindungsschicht 40, welche zum einen stoffschlüssig mit der Kathodenschicht 5 und zum anderen stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit der Kontaktierungseinrichtung 21 in Verbindung steht, verbunden. Die Verbindungsschicht 40 ist erfindungsgemäß als keramische, mittels einem thermischen Auftragsverfahren, z.B. dem Vakuum- Plasmaspritzverfahren auf die freie Seite der Kontaktierungseinrichtung 21 aufgebrachte Funktionsschicht ausgebildet. Die Verbindungsschicht 40 ist vorzugsweise aus Keramiken aus der Gruppe der Perovskite ausgebildet, welche dem Werkstoff der Kathodenschicht 5 ähnlich sind und somit aufgrund ihrer Affi- nität einen guten elektrischen Kontakt und eine gute mechanische Verbindung gewährleisten. Die Verbindungsschicht 40 ist bevorzugt nicht vollflächig ausgebildet, sondern lediglich in den Bereichen auf einer freien Oberfläche 70 der Kathodenschicht 5 vorhanden, in denen die Metalldrahtbogenabschnitte 34 in der Nähe der Kathodenschicht 5 verlaufen. Vorzugsweise ist die Verbindungsschicht 40 teilbereichsweise auf der freien Oberfläche der Kontaktierungseinrichtung 21 derart angeordnet, dass Teilbereiche' der Metalldrahtbogenabschnitte 34 in der Verbindungsschicht 40 formschlüssig eingebettet sind, wobei die Einbettung vorzugsweise in den Bereichen der Metalldrahtbogenabschnitte 34 erfolgt, welche einer freien Oberfläche 70 der Kathodenschicht 5 nächstgelegen angeordnet sind. Hierdurch entsteht eine kleinflächige, insbesondere punktuelle stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Kontaktierungseinrichtung 21 und der Kathode 5, bei der von besonderem Vorteil ist, dass Teilbereiche der freien Oberfläche 70 der Kathodenschicht 5 von der Verbindungsschicht 40 unbedeckt bleiben, sodass in diesen Bereichen ein ungehinderter Sauerstoffaustausch stattfinden kann, was zu einer erhöhten Leistung einer Brennstoffzelle 2 beiträgt. Wegen der hinsichtlich des Werkstoffs vorhandenen Affinität zwischen der keramischen Verbindungsschicht 40 und dem Kathodenmaterial ist eine zugfeste stoffschlüssige Verbindung zwischen der Verbindungsschicht 40 und der Kathode 5 durch Versinterung der Materialien der VerbindungsSchicht 40 und der Kathode 5 sichergestellt. In der Verbindungsschicht 40 sind die Metalldrahtbogenabschnitte stoff- und/oder formschlüssig eingebettet, sodass die Kontaktierungseinrichtung 21 in einer Richtung 22 zugkraftwiderstandsfähig und elektrisch leitend mit der Kathode 5 verbunden ist.
Anderseitig ist die Kontaktierungseinrichtung 21 wie oben beschrieben stoffschlüssig mit einer Interkonnektorplatte 30 verbunden, sodass die Verbindung zwischen einer Kathode 5 und einer Interkonnektorplatte 30 insgesamt in hohem Maße zugkraftwiderstandsfähig in einer Richtung 22 ist, ohne dass die elektrischen Kontaktierungseigenschaften zwischen der Interkonnektorplatte 30 und der Kathode 5 nachteilig beeinflusst werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform des stoffschlüssigen Verbunds zwischen der Kathodenschicht 5 und dem zweiten Interkonnektor 30 über die Kontaktierungseinrichtung 21 ist zusätzlich eine zweite Funktionsschicht 90 vorhanden. Diese Ausführungsform wird im Folgenden anhand des Details X aus Fig. 1, welches in Fig. 3 dargestellt ist, beispielhaft näher erläutert.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 ist im Wesentlichen identisch aufgebaut wie die Ausführungsform der Fig. 2, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform jedoch eine zweite Funktionsschicht 90 auf, welche als sehr dünne Schicht auf die freie Oberfläche 70 der Kathodenschicht 5 aufgebracht ist. Diese zweite Funktionsschicht 90 ist aus einem keramischen Material ausgebildet, welches dem keramischen Material der Verbindungsschicht 40 und dem Kathodenmaterial sehr ähnlich ist, sodass beim Fügen des Brennstoffzellenstapels eine gute Versinterung zwischen diesen Materialien und somit eine gute stoffschlüssige Verbindung erreicht werden kann. Die Funktionsschicht 90 ist bevorzugt mittels nasser Applikationstechniken, wie z. B. Siebdruck, Sprühen, Streichen, als pastöse Masse oder Suspension auf die freie Oberfläche 70 der Kathode 5 aufgetragen. Beim Zusammenfügen der Brennstoffzellenstapel gelangen die mittels thermischer Beschichtungsverfahren auf die Kontaktierungseinrichtung 21 aufgebrachten Abschnitte der Verbindungsschicht 40 in die noch pastöse bzw. verformbare zweite Funktionsschicht 90 und tauchen in diese ein, sodass die Verbindungsschicht 40 bzw. deren Abschnitte zumindest teilbereichsweise von pastöser Keramikmasse umgeben sind. Die Materialien der zweiten Funktionsschicht 90 sind bevorzugt mit Sinterhilfsmitteln versehen, sodass eine Herabsetzung der erforderlichen Sintertemperatur zur Verbindung der Funktionsschicht 90 mit der Verbindungsschicht 40 erreicht werden kann. Bei der ersten Inbetriebnahme eines so gefügten Brennstoffzellenstapels versintern die thermisch aufgetragenen Keramikmaterialien der Verbindungsschicht 40 zuverlässig und mit hoher Festigkeit mit der nass aufgetragenen keramischen Funktionsschicht 90, sodass eine in einer Richtung 22 auf Zug hoch belastbare stoffschlüssige keramische Verbindung zwischen den Schichten 40 und 90 entsteht. Zusammen mit dem Stoff- und/oder Formschluss der Verbindungsschicht 40 zu den Metalldrahtbögen 34 der Kontaktierungseinrichtung 21 hin entsteht insgesamt ein hoch zugbelastbarer Verbund zwischen der Kontaktierungseinrichtung 21 und der Kathode 5. Wie anhand der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bereits beschrieben ist die Kontaktierungseinrichtung 21 stoffschlüssig mit dem Interkonnektor 30 verbunden, sodass in der Zusammenschau eine hoch zugkraftbelastbare Verbindung zwischen dem Interkonnektor 30 und der Kathode 5 ausgebildet ist. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2 zeichnet sich die Ausführungsform gemäß Fig. 3 durch eine noch etwas höher zugkraftbelastbare Verbindung zwischen der Kontaktierungseinrichtung 21 und der Kathode 5 aus, wobei im Gegenzug durch die vollflächige Bedeckung der Kathode 5 mit der Funktionsschicht 90 ein etwas höherer Sauerstoffdiffusionswiderstand gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2 in Kauf genommen werden muss. Dieser Sauerstoffdiffusionswiderstand ist jedoch wesentlich geringer als beim Stand der Technik, da durch die Kombination der Verbindungsschichten 40 und" 90 die Dicke der Funktionsschicht 90 wesentlich reduziert werden konnte, sodass der Sauerstoffdiffusionswiderstand gegenüber dem bekannten Stand der Technik wesentlich reduziert werden konnte, was eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle zur Folge hat.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle näher erläutert: Die im Folgenden gewählte Reihenfolge der Verfahrensschritte ist für den zeitlichen Ablauf des Herstellverfahrens nicht bindend. Sie dient lediglich zur veranschaulichten Beschreibung des Verfahrens und stellt eine mögliche, insbesondere bevorzugte Abfolge der Herstellungsschritte dar.
Zunächst wird in im Wesentlichen bekannter Art und Weise der elektrochemisch aktive Schichtaufbau, bestehend aus Anodenschicht 4, Elektrolytschicht 3 und Kathodenschicht 5, für eine Hochtemperatur-Festelektrolytbrennstoffzelle hergestellt. Dies kann üblicherweise mittels des Vakuum-Plasmaspritz- Fertigungsverfahrens oder mittels eines sinterkeramischen Fertigungsverfahrens durch Mischen einer metallisch-keramischen Suspension und einem anschließenden Sinterprozess für die jeweilige Schicht erfolgen. Bei dem Vakuum-Plasmaspritz- Fertigungsverfahren wird der Schichtaufbau der einzelnen Schichten 3, 4, 5 durch Einblasen der die Schichten jeweils ausbildenden Materialien in einem Plasmastrahl eines Plasmabrenners hergestellt, wobei der Plasmabrenner beispielsweise mäanderför ig über eine Substratschicht geführt wird, sodass durch das äanderförmige Verfahren des Plasmabrenners ein schichtweiser Aufbau erreicht wird.
Der Verbund aus Anodenschicht 4, Elektrolytschicht 3 und Kathodenschicht 5 wird anodenseitig mit einer freien Flachseite 8 eines ersten Interkonnektors 7 verbunden, wobei die Verbindung elektrisch leitend und/oder bevorzugt mechanisch stoffschlüssig ausgebildet wird. Hierfür eignen sich insbesondere die Befestigungsarten des Hartlötens, des Kondensatorentladungsschweißens oder des Laserlötens. In bevorzugt gleicher Art und Weise wie die Befestigung der Anodenschicht 14 auf dem ersten Interkonnektor 7 erfolgt eine Befestigung der Kontaktierungseinrichtung 21 mit einer zweiten Flachseite 9 eines zweiten Interkonnektors 30, sodass eine e- lektrisch leitende, mechanisch zugfeste Verbindung zwischen der Kontaktierungseinrichtung 21 und dem zugehörigen zweiten Interkonnektor 30 hergestellt wird.
Auf einer dem zweiten Interkonnektor 30 gegenüberliegenden freien Seite der Kontaktierungseinrichtung 21 wird erfindungsgemäß mittels eines thermischen Auftragsverfahrens, z. B. des Vakuum-Plasmaspritzens eine keramische Verbindungsschicht 40 aufgetragen, wobei durch die Verwendung eines thermischen Auftragverfahrens eine hohe stoffschlüssige Festigkeit zwischen der Verbindungsschicht 40 und der Kontaktierungseinrichtung 21 erreicht werden kann. Zudem kommt, dass eine poröse oder beispielsweise als Drahtgewölle ausgebildete Kontaktierungseinrichtung auch teilweise formschlüssig mit der durch thermisches Auftragsverfahren aufgetragenen Verbindungsschicht 40 verbunden ist, weil beispielsweise Metalldrahtbögen 34 von der keramischen Verbindungsschicht 40 beim Auftragen umflossen werden und nach dem Aushärten der Keramik der Verbindungsschicht 40 somit formschlüssig in die keramische Verbindungsschicht 40 eingebettet sind. Die mittels thermischer Beschichtungsverfahren aufgebrachte Verbindungsschicht 40 ist beim Fügen des Brennstoffzellenstapels bereits ausgehärtet, hat jedoch aufgrund ihrer Materialähnlichkeit zum Kathodenmaterial 5 eine hohe Affinität und eine hohe Neigung, mit dem Material der Kathode 5 zu versintern. Insofern gelingt es erfindungsgemäß, mittels einer harten, mit thermischen Beschichtungsverfahren aufgebrachten Verbindungsschicht 40 einen guten stoffschlüssigen und somit zugkraftwiderstandsfähigen Verbund zwischen der keramischen Verbindungsschicht 40 und der Kathoden- keramik herzustellen. Dieser Stoffschluss bildet sich durch einen Versinterungsprozess bei einer ersten Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels aus, wobei dieser bevorzugt einmalig auf eine Temperatur oberhalb der späteren Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels erhitzt wird, um die Versinterung in einem ausreichenden Maße sicherzustellen.
In besonders bevorzugter Weise kann eine punktuelle oder teilbereichsweise Anordnung der Verbindungsschicht 40 derart erfolgen, dass die Ausgangsmaterialien für die Verbindungsschicht 40 auf die der Kathodenschicht 5 zugewandten Seite der Kontaktierungseinrichtung 21 nur teilbereichsweise aufgetragen werden, wobei sichergestellt ist, dass die die Verbindungsschicht 40 ausbildenden Materialien lediglich an den Bereichen der Kontaktierungseinrichtung 21 angebracht werden, welche später mit der Kathodenschicht 5 in Berührung gelangen sollen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich eine zweite keramische Funktionsschicht 90 auf die freie Oberfläche 70 der Kathodenschicht 5 aufgetragen. Die zweite keramische Funktionsschicht 90 wird als Suspension und/oder eine Paste mittels so genannter nasser Applikationstechniken, z. B. dem Siebdruck, dem Nasspulversprühen und dergleichen, vor dem Fügeprozess des Brennstoffzellenstapels 1 auf die Kathode 5 aufgetragen. Beim Fügeprozess des Brennstoffzellenstapels 1 wird dann der zweite Interkonnektor 30 mit der angebundenen Kontaktierungseinrichtung 21 und der thermisch aufgetragenen ersten Funktionsschicht 40 auf die freie Seite 20 der Kathodenschicht 5 aufgesetzt, sodass die erste Funktionsschicht 40 in die nasse zweite Funktionsschicht 90 eintaucht. Somit befinden sich zwischen den Metalldrahtbogenabschnitten 34 der Kontaktierungseinrichtung 21 und der Kathodenschicht 5 die vorher aufgetragenen Schichten 40, 90, welche besonders gut miteinander versintern und somit eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden.
Nach dem Fügen des Brennstoffzellenstapels 1 werden die Keramiken der Kathode 5 und der Schichten 40, 90 miteinander versintert, sodass ein mechanischer Zugkraft-widerstandsfähiger Verbund ausgebildet wird. Hierzu wird der Brennstoffzellenstapel 1 einer Temperatur deutlich oberhalb der üblichen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 1 ausgesetzt, sodass eine gute Versinterung dieser Materialien erfolgt.
Die zweite keramische Funktionsschicht 90 ist eine Keramik, die durch ihre Struktur und/oder den Zuschlag von so genannten Sinterhilfsmitteln eine Absenkung der erforderlichen Sintertemperatur bewirkt. Die zweite Funktionsschicht 90 kann mittels nasskeramischer Beschichtungsverfahren, wie z. B. Siebdruck, Nasspulversprühen oder Dispensoren mit einer Verfahreinheit aufgetragen werden.
Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bzw. dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren zu deren bzw. dessen Herstellung ist, dass jede Einzelbrennstoffzelle mit einer benachbarten Einzelbrennstoffzelle einen Verbund eingeht, welcher Zugkräfte in einer Richtung entgegen der Fügerichtung des Brennstoffzellenstapels aufnehmen kann. Hierdurch ist eine auch langfristig hochwertige elektrische Kontaktierung der Kathode mit dem benachbarten Interkonnektor sichergestellt. Zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine in einfacher Art und Weise durchführbare und insbesondere im Bereich der Großserienherstellung anwendbare Herstellmethode angegeben. Gleichzeitig weist eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle eine erhöhte e- lektrische Leistungsdichte auf, da durch die erfindungsgemäße Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kon- taktierungseinrichtung 21 und der Kathodenschicht 5 freie 0- berflächenabschnitte 70a der freien Oberfläche 70 ausgebildet werden, die nicht von der Funktionsschicht bedeckt sind und somit die Diffusion der Sauerstoff-Ionen durch die Kathode in keiner Weise behindern.

Claims

Patentansprüche
Brennstof zelle und/oder Elektrolyseur mit einer Elektrolytschicht (3) , welche einseitig mit einer Kathodenschicht (5) und anderseitig mit einer Anodenschicht (4) in Verbindung steht, und die Anodenschicht (4) elektrisch und/oder mechanisch mit einem ersten Interkonnektor (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer freien Seite (20) der Kathodenschicht (5) eine Kontaktierungseinrichtung (21) angeordnet -ist, welche sowohl mit einem zweiten Interkonnektor (30) als auch mit der Kathodenschicht (5) elektrisch leitend und mechanisch stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist.
Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Kathodenschicht (5) und der Kontaktierungseinrichtung (21) eine keramische Verbindungsschicht (40) ist, welche mittels eines thermischen Auftragsverfahrens mit der Kontaktierungseinrichtung (21) verbunden ist.
Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung zwischen der Kathodenschicht (5) und der Kontaktierungseinrichtung (21) eine weitere keramische Verbindungsschicht (90) aufweist, welche als Funktionsschicht (90) ausgebildet ist und mittels nasser Applikationstechniken, z. B. einem Siebdruckverfahren, einem Sprühverfahren, auf die Kathode 5 aufgetragen ist.
4. Brennstoffzelle und/der Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite FunktionsSchicht (90) aus einem keramischen Material besteht, welches ggf. mit Sinterhilfsmitteln versetzt ist.
5. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (31) zwischen der Kontaktierungseinrichtung (21) und dem zweiten Interkonnektor (30) stoffschlüssig, z. B. als Kondensatorentladungsschwei- ßung oder Rollnahtschweißung oder Hartlötung ausgebildet ist .
6. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verbindungsschicht (40) aus Keramiken, insbesondere aus der Gruppe der Perovskite, ausgebildet ist, welche der Kathodenkeramik ähnlich sind.
7. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (4) aus einem Keramik-Metall- Verbundwerkstoff aufgebaut ist und z. B. aus Nickel und Zirkondioxid besteht.
8. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytschicht (3) aus einem Keramikwerkstoff besteht, z. B. aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid.
9. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Kathodenschicht (5) aus keramischem Lanthan- Strontium-Manganoxid (LSM) besteht, welches ggf. zusätzlich mit Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) vermischt ist.
10. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (4) auf einer mechanisch tragenden metallischen oder keramischen Substratschicht aufgetragen ist.
11. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (4) mit einer der Elektrolytschicht (3) gegenüberliegenden freien Seite (6) mit einem ersten Interkonnektor (7) in Verbindung steht.
12. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (7) gaskanalfrei ausgebildet ist .
13. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) gasdurchlässig ausgebildet ist.
14. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (4) mittels einer Hartlötung, einer Kondensatorentladungsschweißung oder durch Laserlöten oder Rollnahtschweißen mit dem ersten Interkonnektor (7) verbunden ist.
5. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Elektrolytschicht (3) gegenüberliegenden freien Seite (20) der Kathodenschicht (5) die Kontaktierungseinrichtung (21) angeordnet ist, wobei die Kontaktierungseinrichtung (21) im Wesentlichen schichtförmig ausgebildet ist und beispielsweise ein Gestrick, Gewirk, Netz oder ein perforiertes Blech ist.
16. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) aus einem e- lektrisch leitenden Material ausgebildet ist, wobei die Kontaktierungseinrichtung (21) in einer Richtung (22) senkrecht zu den Schichtebenen der Elektrolytschicht (3) , der Anodenschicht (4), der Kathodenschicht (5) und der Kontaktierungseinrichtung (21) elastisch ausgebildet ist.
17. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) als federnd kompressibles Metalldrahtgestrick, Metalldrahtgewirk, Metalldrahtnetz oder Metalldrahtgewölle ausgebildet ist.
18. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) aus einem Metall ausgebildet ist, welches eine stabile passivierende Oberfläche ausbildet.
19. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidhaut des Metalls ein Hochtemperatur- Halbleiter ist.
20. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) aus einem ferritischen Stahl mit hohem Chrom- und niedrigem Aluminiumgehalt sowie ggf. mit einem geringen Anteil von Seltenerdelementen, wie z. B. Yttrium oder Lanthan besteht.
21. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) aus einem dünnen Metalldraht (32) ausgebildet ist, wobei Metalldrahtbogenabschnitte (33) und Metalldrahtbogenabschnitte (34) stoffschlüssig und/oder formschlüssig und zugfest in einer Richtung (22) mit den jeweils benachbarten Schichten (30,
5) verbunden sind.
22. Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) nur bereichsweise mit der Kathodenschicht (5) verbunden ist.
23. Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle und/oder eines Elektrolyseurs mit einer Elektrolytschicht (3), einer Anodenschicht (4) und einer Kathodenschicht (5) , wobei die Anodenschicht (4) mit einem ersten Interkonnektor (7) e- lektrisch leitend und/oder mechanisch verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktierungseinrichtung
(21) sowohl mit der Kathodenschicht (5) als auch mit einem zweiten Interkonnektor (30) elektrisch leitend und mechanisch stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrisch leitenden und mechanisch stoffschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung der Kontaktierungseinrichtung (21) mit der Kathodenschicht (5) zumindest eine keramische Verbindungsschicht (40) verwendet wird, welche mittels eines thermischen Applikationsverfahrens mit der Kontaktierungseinrichtung (21) verbunden wird.
25. Verfahren nach Anspruch 23 und/oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbund aus der Anodenschicht (4), der Elektrolytschicht (3) und der Kathodenschicht (5) anoden- seitig mit einer freien Flachseite eines ersten Interkonnektors (7) verbunden wird, wobei die Verbindung elektrisch leitend und bevorzugt mechanisch stoffschlüssig ausgebildet wird.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Anodenschicht (4) und dem ersten Interkonnektor (7) mittels Hartlötens und/oder mittels Kondensatorentladungsschweißens und/oder mittels Laserlötens hergestellt wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungseinrichtung (21) mit einem zweiten Interkonnektor (30) mittels Hartlötens und/oder Kondensatorentladungsschweißens und/oder Laserlötens hergestellt wird.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Funktionsschicht
(90) verwendet wird, welche als Paste und/oder keramische Suspension auf eine freie Oberfläche (70) der Kathodenschicht (5) mittels einem nassen Applikationsverfahren, z. B. Sprühen, Siebdruck, Steichen aufgetragen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der Verbindungsschicht (40) und der Funktionsschicht (90) durch Sintern hergestellt wird.
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