Verfahren zur Herstellung einer tubulären Festelektrolyt- Brennstoffzelle (SOFC) und zugehörige tubuläre Brennstoffzel- Ie

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer tubulären Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige tubuläre Brennstoffzelle.

In älteren Patentanmeldungen der Anmelderin wurden Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC) beschrieben, die eine poröse metallische Struktur als Träger der Funktionsschichten auf- weisen. Zur Herstellung derartiger Strukturen werden Sintermetalle verwendet, die in die geeignete Form gebracht werden.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren vorzuschlagen, mit dem derartige tubuläre Brennstoffzellen industriell gefertigt werden können. Damit soll eine vereinfachte tubuläre Brennstoffzelle geschaffen werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Abfolge der Maßnah- men des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige tubuläre Brennstoffzelle ist im Patentanspruch 11 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Brennstoffzelle sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Mit der Erfindung ist eine einfache Fertigung eines porösen Metallträgers für tubuläre SOFCs, die ein Δ-Design-Profil mit beliebiger Anzahl von Kanälen haben, geschaffen. Derartige tubuläre SOFC wurden bereits beim Stand der Technik beschrieben. Wesentlich ist bei der Erfindung, dass gleichzei- tig zwei poröse Metallfolien zusammengelötet werden und dass die untere der Folien abgedichtet werden kann, oder ,dass als untere Folie eine dichte Metallfolie verwendet wird, um den Interkonnektor (IC) der Zelle zu schaffen. Die Erfindung er- gänzt eine aktuelle metallbasierte SOFC-Entwicklung, die bereits in nicht vorveröffentlichten Anmeldungen vorgeschlagen wurde .

Bei der Erfindung können zwei poröse Metallfolien verwendet werden, um eine tubuläre poröse Metallstruktur für SOFC s mit einem dreidimensionalen Δ-Profil jeder Größe und jeder Anzahl von Kanälen zu schaffen. Eine der porösen Metallfolien von beliebiger Dicke und Porosität kann heißgepresst werden, um die profilierte Folie mit der gewünschten Anzahl von Wellen und Höhen bzw. Toleranzen zu schaffen. Die in obiger Weise gewellte Folie kann über eine zweite flache poröse Metallfolie gelegt werden, welche vorher mit einer Metalllötfolie oder alternativ mit einem Band, Pulver oder dergleichen be- legt wurde. Die dreidimensionale Anordnung kann in einem Ofen behandelt werden und unter Druck bzw. durch ein Gewicht bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der Lötfolie für eine bestimmte Zeit und Druck (üblicherweise bei Vakuumbedingungen) lang genug gehalten werden, um das Lötmetall zu schmelzen, um die Poren der Metallfolie zu füllen. Durch

Schwerkraft wird sichergestellt, dass der Großteil der Infiltration beim Löten der porösen Metallfolien im unteren Teil stattfindet. Entsprechend den Kapillarkräften wird es ein Teil der metallischen Dichtungen erlauben, den unteren flachen Teil mit dem porösen gewellten oberen Teil zu verbinden. Gleichzeitig- sofern genug Metalldichtung verwendet wird - werden die Poren des unteren Metallteiles gefüllt und bilden eine dichte Struktur, welche den Interkonnektor der Zelle darstellen kann. Alle diese Fabrikationsschritte können nun- mehr in einem einzigen Schritt erreicht werden, bei dem von zwei käuflich erhaltbaren porösen Metallplatten oder Folien ausgegangen wird. Mit der Erfindung ist es möglich, die Kosten signifikant zu reduzieren und die Entwicklung von porösen metallbasierten Trägern für SOFC s mit Δ-Geometrien zu errei- chen. Die Flexibilität wird damit erhöht. Alternativ kann als untere Folie eine dichte Metallfolie eingesetzt werden Beispiele von Metalllot sind Nickel-basierte oder Kupferbasierte Lötfolien oder Pulver (MBF- 15, MBF-20, MBF-30, MBF- 80 etc.) - Alternative Legierungen können ebenfalls genutzt werden. Im Allgemeinen wird eine Methode beansprucht, um po- rose Metallstrukturen abzudichten (bei beliebiger Geometrie wie Platten, Röhren oder dergleichen) mit Metalllot in geometrisch definierten Gebieten, um insbesondere den Interkon- nektor zu schaffen, in der metallbasierten dichtungslosen SOFC. Die Methode für die Entwicklung des Interkonnektors in Metall-basierten SOFCs ist flexibel, billig und effizient.

Nach Kenntnis der Erfinder wurden bisher keine Metall-basierten Brennstoffzellen mit porösen Metallsubstraten auf der Kathodenseite genutzt. Insofern stellt sich das Verfahren zur Herstellung solcher Δ-Strukturen bisher nicht.

Durch Verwendung der Lötfolien oder alternativ Bänder, Pasten oder Pulver können zwei poröse Metallplatten miteinander verbunden werden. Damit wird Zeit und Aufwand erheblich verringert und die Fabrikation von tubulären Δ-geformten porösen Metallträgern für SOFCs vereinfacht. Das Löten kann gleichzeitig mit dem Abdichten der unteren Platte erfolgen, wobei ein metallischer Interkonnektor geschaffen wird, um die Zellen im Stack miteinander zu verbinden.

Vorteilhaft ist bei der Erfindung die billige und flexible

Technologie, um einen porösen Metallträger für tubuläre SOFC zu schaffen, wobei insbesondere ein Δ-Design angestrebt wird. Gleichzeitig können zwei poröse metallische Platten miteinander verbunden werden und die untere Platte abgedichtet wer- den. Alternativ kann, um eine poröse Struktur für metallträ- gerbasierte SOFC zu schaffen, eine kompliziertere und aufwändigere Herstellungsmethode angewendet werden, beispielsweise Extrusion oder Bandgießen (tape casting) . Mit der neuen Technologie können tubuläre poröse Metallträger mit Δ-Geometrie in einfacher Weise hergestellt werden, wobei von kommerziell erhältlichen porösen metallischen Folien ausgegangen wird. Bei Bedarf können die Metallträger mit Δ-Geometrie auch an einem Ende mit einer porösen oder dichten Metallfolie verschlossen werden, wobei diese ebenfalls angelötet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

Es zeigen

Figur 1 den Fabrikationsprozess der tubulären metallischen SOFC mit Δ-Profil anhand der einzelnen Teilschritte und Figur 2 das Verbinden der beiden porösen Metallteile unter gleichzeitigem Abdichten des unteren Teils.

In den Figuren sind für vergleichbare Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Die beiden Figuren werden weitestgehend gemeinsam beschrieben.

In Figur 1 ist mit 1 eine erste poröse Metallfolie bezeichnet. Mit 2 ist eine zweite poröse Metallfolie bezeichnet, auf der eine Lötfolie 3 aufgelegt ist.

Mittels einer Presse 5 mit entsprechendem Wellen- bzw. Δ- Profil wird die erste Metallfolie 1 in eine Form 10 gepresst, welche die Wellen bzw. die dreieckförmige Struktur der Presse 5 wiedergibt. Diese Struktur wird auf den Verbund der beiden Folien 2 und 3 aufgebracht und durch Wärmebehandlung an den Spitzen zur Verbindung gebracht. Bei der Wärmebehandlung in einem Ofen wird gleichermaßen mit geeigneten Mitteln ein

Druck aufgebracht, der beispielsweise durch ein Gewicht realisiert werden kann.

Es ergibt sich eine Struktur 20, die als Träger für eine Me- tall-basierte Brennstoffzelle geeignet ist. Dabei sind die einzelnen zweckförmigen Bereiche aus einem offenporigen metallischen Material gebildet, während der ebene Bereich durch die Lötfolie gleichermaßen abgedichtet ist und somit einen Interkonnektor 25 zum Verbinden mehrerer Brennstoffzellen zum Aufbau einer Brennstoffzellenanlage definiert.

In Figur 2 ist die nach dem Verfahren gemäß Figur 1 herge- stellte Struktur 20 wiedergegeben. Es ist die poröse metallische Oberfläche gezeigt, die entsprechend den oben angegebenen älteren Patentanmeldungen als Träger für die Funktionsschichten der SOFC dienen kann. Weiterhin sind metallische Verbindungspunkte 21, 21', ... dargestellt, die in periodischem Abstand die Wellenstruktur mit der ebenen abgedichteten Struktur verbinden.

In dem vergrößerten Ausschnitt entsprechend Figur 2a ist dargestellt, dass die metallische Trägerstruktur aus einzelnen Körnern besteht, die eine offene Porosität bilden. Im Bereich der unteren Folie sind dabei Poren durch das bei der Arbeitstemperatur verflüssigte Lötmaterial vollständig infiltriert, so dass sich hier ein dichter Verbund ergibt.

Wesentlich bei dem beschriebenen Verfahren ist, dass die beiden porösen metallischen Platten in einfacher Weise miteinander verbunden werden, während die untere Platte gleichzeitig bei der Wärmebehandlung über das Lötmaterial abgedichtet wird. Insofern werden weitere Verfahrensschritte überflüssig.