DE19730003B4

DE19730003B4 - Elektrisch leitfähiges Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteil und Verwendung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs zur Herstellung eines Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteils

Info

Publication number: DE19730003B4
Application number: DE19730003A
Authority: DE
Inventors: Peter Kraus
Original assignee: MTU CFC Solutions GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions Augsburg GmbH
Priority date: 1997-07-12
Filing date: 1997-07-12
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2017-07-13
Also published as: DE19730003A1

Abstract

Elektrisch leitfähiges Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteil, das aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht, wobei das Metall Aluminium und die Keramik Aluminiumoxid ist.

Description

Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie Festoxidbrennstoffzellen oder Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, enthalten bekanntlich elektrisch leitfähige Komponenten, wie insbesondere die beiden Elektroden (Anode und Kathode) oder Bipolarplatten. Bipolarplatten bestehen aus dem Trennblech und den gewellten Stromsammlern, von denen letztere an den Anoden bzw. Kathoden anliegen. An solche elektrisch leitfähigen Komponenten von Hochtemperaturbrennstoffzellen werden hohe Anforderungen gestellt. Sie müssen nämlich eine hinreichende mechanische Festigkeit besitzen, so dass während des Betriebs weder Deformationen noch Risse oder Brüche eintreten. Insbesondere ist natürlich ein Zusammenfallen der porösen Struktur von Anode und Kathode zu vermeiden. Des Weiteren wird Korrosionsbeständigkeit gefordert und zwar unter reduzierender Atmosphäre auf der Anodenseite und oxidierender Atmosphäre auf der Kathodenseite. Bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen wird zudem Beständigkeit gegenüber dem aggressiven Elektrolyten verlangt. Um hohe elektrische Wirkungsgrade und eine gute Energiedichte der Zellen zu erreichen, ist im Weiteren eine gute elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden Bauteile Voraussetzung.

Bis heute gibt es keinen Werkstoff, der alle diese Anforderungen in der Summe in befriedigender Weise erfüllt. Es wird versucht, durch die unterschiedlichsten Kombinationen von Werkstoffen, Schutzschichten und Behandlungsmethoden den obigen Anforderungen nachzukommen. Beispielsweise wird bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen die Kathodenseite der Bipolarplatte aus Chromnickelstahl hergestellt. Die Anodenseite der Bipolarplatte besteht aus Nickel, das aus Steifigkeitsgründen auf einer Metallschicht aufgebracht ist. Für die Kathode wird lithiiertes Nickeloxid verwendet. Die Anode besteht aus Nickel mit den Legierungsbestandteilen Chrom oder Aluminium für erhöhte mechanische Festigkeit.

Aus der EP 0 459 351 B1 geht es im Weiteren als bekannt hervor, zur Herstellung von Elektroden für Schmelzkarbonatbrennstoffzellen Nickelpulver und Oxide wie z. B. Al₂O₃ in Pulverform miteinander zu vermischen und unter Zugabe von organischen Lösungsmitteln und einem Binder eine breiige Paste herzustellen, die zu Folien gegossen wird. Durch Sintern der Folie wird eine poröse Elektrode erhalten. Aufgrund der Dichtigkeitsunterschiede zwischen Nickel- und Oxidpulver neigen die Oxide jedoch offensichtlich dazu, sich beim Gießen der Folie in einer oberen Schicht anzusammeln, was zu unerwünschten Inhomogenitäten führt.

In der Zeitschrift TR Transfer Nr. 26, 1996, Seiten 44 und 45 ist ein neuer Al₂O₃/Al-Verbundwerkstoff beschrieben, der bei Raumtemperatur über eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit verfügt, mit Stahl vergleichbare Festigkeitseigenschaften besitzt und in der Fertigung zu geringen Verzügen neigt. Über die Anwendungsmöglichkeiten des Werkstoffs finden sich jedoch keine Hinweise.

Aus dem Anspruch 1 der DD 300 725 A5 geht ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff als bekannt hervor, der aus einer porösen, mit Metall infiltrierten Keramik besteht, wobei nach Anspruch 6 das Metall Aluminium und nach Anspruch 14 die Keramik Aluminiumoxid ist.

Aus dem Anspruch 1 der EP 115 742 A1 geht ein Bestandteil einer elektrolytischen Zelle als bekannt hervor, der aus einer porösen Aluminiumoxidmatrix besteht, deren Poren mit Aluminium gefüllt sind.

Aus der DE-OS 2 363 328 ist es bekannt, einen Verbundwerkstoff aus Aluminium und Aluminiumoxid durch gemeinsames Verpressen von pulverförmigen Teilchen beider Komponenten und anschließender Wärmebehandlung herzustellen.

Die EP 0 840 388 B1 zeigt die Ausbildung einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenbatterie mit einem Bauteil, das aus einer bei hohen Temperaturen beständigen Legierung besteht, die Aluminium enthält. Im Betrieb bildet sich in Anwesenheit von Sauerstoff eine aus Aluminiumoxid bestehende Oxidschicht aus.

Obwohl eine Vielzahl von Werkstoffen und Werkstoffkombinationen zur Darstellung von Brennstoffzellen und deren Komponenten betrachtet worden sind, so ist es dennoch bis heute nicht gelungen, insbesondere Schmelzkarbonatbrennstoffzellen mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit und damit entsprechender Lebensdauer, guter innerer Leitfähigkeit und geringen ohmschen Verlusten zu niedrigen Kosten herzustellen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein elektrisch leitfähiges Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteil und die Verwendung eines Metall-Keramik-Verbundformteils zur Herstellung des Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteils anzugeben, das den Brennstoffzellen eine hohe Lebensdauer und hohe Leistung bei niedrigen Herstellkosten verleiht.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 3 bzw. 4 aufgeführten Merkmale gelöst. Danach besteht der Werkstoff für die elektrisch leitfähigen Komponenten der Hochtemperaturbrennstoffzelle aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, der ein Metall, nämlich Aluminium und ein Metalloxid, nämlich Al₂O₃ enthält. Der Werkstoff besitzt ein feines, homogenes und mechanisch stabiles Gefüge, in dem die Ausgangswerkstoffe vermengt sind. Al₂O₃ entsteht bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise in der oben zitierten Zeitschrift dargestellt. Vorzugsweise besteht der für Brennstoffzellen verwendete Werkstoff zu 2/3 aus Aluminiumoxid und zu 1/3 aus Aluminiummetall. Sowohl die keramische als auch die metallische Phase haben eine durchgehende dreidimensionale Struktur. Der Werkstoff besitzt, im Gegensatz zu rein keramischen Werkstoffen, eine bei Raumtemperatur gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, sowie eine sehr hohe Festigkeit und deutlich bessere Duktilität als rein keramische Werkstoffe. Aufgrund der Einbettung des Aluminiums in die Keramikmatrix erhält der Verbundwerkstoff seine Formstabilität auch bei Temperaturen, die weit oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium liegen. Außerdem bleibt das Aluminium, wie in Untersuchungen jetzt nachgewiesen werden konnte, auch bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre in metallischem Zustand, so dass auch die elektrische Leitfähigkeit bei diesen hohen Temperaturen erhalten bleibt. So lassen sich die Anforderungen, die an elektrisch leitfähige Komponenten von Hochtemperaturbrennstoffzellen gestellt werden, mit diesem Material erfüllen.

Als Herstellverfahren für die elektrisch leitfähigen Komponenten kommen bevorzugt pulvermetallurgische Prozesse in Frage. Hierbei wird beispielsweise feinkörniges Aluminiumoxidpulver unter hohen Drücken in die gewünschte Form verpresst und das Pressteil anschließend in einer Aluminiumschmelze mit Aluminium gesättigt. Aluminiumoxidpulver und Aluminiumpulver können auch miteinander vermischt sein, wenn sie zur endgültigen Raumform verpresst werden. Das entstandene Pressteil wird dann bei hohen Temperaturen gesintert. Zur Herstellung von porösen Elektroden sind Porenbildner beigesetzt, die sich beim Sintern verflüchtigen. Wenn eine Elektrode nach dem Foliengießverfahren hergestellt werden soll, so sind die entsprechenden Pulver aus Aluminium und Aluminiumoxid mit einem Lösungsmittel und einem Binder zu versetzen, die eine breiförmige Masse ergeben, die zu Folien gegossen werden kann. Nach dem Trocknen und Sintern entstehen poröse Elektroden aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff.

Claims

Elektrisch leitfähiges Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteil, das aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht, wobei das Metall Aluminium und die Keramik Aluminiumoxid ist.
Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zwischen 40 und 70 Masse-% Al₂O₃ und zwischen 30 und 60 Masse-% Al enthält.
Verwendung eines – durch Verpressen feinkörnigen Al₂O₃-Pulvers trocken in eine Form – und Sättigung eines solchermaßen hergestellten Formteils in einer Aluminiumschmelze mit Aluminium gewonnenen Metall-Keramik-Verbundformteils zur Herstellung eines Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteils.
Verwendung eines – durch Vermischen feinkörnigen Al₂O₃-Pulvers mit feinkörnigem Al-Pulver, – Verpressen der trockenen Mischung in eine Form – sowie durch Erhitzen eines solchermaßen hergestellten Formteils auf Temperaturen, dass dieses gesintert wird, gewonnenen Metall-Keramik-Verbundformteils zur Herstellung eines Hochtemperaturbrennstoffzellenbauteils.