WO2002019455A2

WO2002019455A2 - Verfahren zum herstellen einer festkeramischen brennstoffzelle

Info

Publication number: WO2002019455A2
Application number: PCT/EP2001/009760
Authority: WO
Inventors: Gérard BARBEZAT; Robert Fleck; Thomas Jansing; Michael Loch
Original assignee: Sulzer Metco AG; Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Oerlikon Metco AG; Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2003-02-28
Also published as: US20040076866A1; EP1344272A2; WO2002019455A3; AU2001282121A1; US7141271B2

Abstract

Bei dem Verfahren festkeramischen Brennstoffzelle wird innerhalb einer Beschichtungskammer (10) eine Festelektrolytschicht (8) auf eine Elektrode (4) mittels eines Plasmaspritzverfahrens gasdicht aufgebracht, wobei in der Beschichtungskammer (10) ein Druck von kleiner etwa 15 mbar eingestellt wird. Im Plasmastrahl (20) ist ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial, vorzugsweise mit einem Partikelmesser von deutlich unter 10 mu m, derart dünn verteilt, dass die einzelnen Partikel isoliert voneinander auf der Elektrode (4) auftreffen. Dadurch lässt sich eine sehr homogene und dichte Festelektrolytschicht (8) aufbringen.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen einer festkeramischen Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer festkeramischen Brennstoffzelle mit einer zwischen zwei porösen Elektroden angeordneten Festelektrolytschicht.

Eine Brennstoffzelle umfasst regelmäßig zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, zwischen denen eine Elektrolytschicht angebracht ist. Über die Anodenoberfläche wird ein Brennstoff und über die Kathodenoberfläche wird Sauerstoff geleitet. Über die Elektrolytschicht findet ein Ionen- austausch zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff statt, so dass sich zwischen Anode und Kathode eine Spannung ausbildet.

Entscheidend für die Effizienz einer Brennstoffzelle ist u.a. die Elektrolytschicht, welche einerseits gut leitfähig für die Ionen sein muss und andererseits weitgehend gasundurchlässig sein sollte, um einen Gasaustausch zwischen Brennstoff und Sauerstoff zu verhindern. An die Elektrolytschicht werden daher hohe Anforderungen gestellt.

Bei sogenannten festkeramischen Brennstoffzellen (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) ist die Anode sowie die Kathode aus einem porösen keramischen Material gebildet, zwischen denen eine Festelektrolytschicht angeordnet ist. Es sind festkeramische Brennstoffzellen mit einer planaren Geometrie bekannt, bei der die Anode und die Kathode im Wesentlichen planparallel zueinander verlaufen. Daneben ist auch eine zylindrische oder röhrenförmige Ausgestaltung bekannt. Eine derartige röhrenförmige Brennstoffzelle umfasst als Kathode einen porösen ke- ramischen Innenzylinder, auf dem die Elektrolytschicht und anschließend die Anode als Mantel aufgebracht ist. Zur elektrischen Verbindung der Kathode ist ein sogenannter mit der Kathode direkt verbundener Interkonnektor vorgesehen, wobei die Elektrolytschicht und die Anode im Bereich des Interkon- nektors unterbrochen sind.

Zum Aufbringen der Festelektrolytschicht sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Aus der DE 196 09 418 C2 ist beispielsweise zu entnehmen, auf eine plane Elektrode eine Suspension aufzubringen, die Feststoffanteile aus dem Festelektrolytmaterial enthält. Überschüssiges Lösungsmittel wird durch Erzeugen eines ünterdrucks auf der der Suspension gegenüberliegenden Seite der porösen Elektrode abgeführt. Die Suspension weist hierbei grobe und feine Feststoffanteile auf, wobei die groben Feststoffanteile zunächst die Poren der Elektrode zusetzen und für eine gute Anbindung zwischen der Elektrolytschicht und der Elektrode sorgen. Die feinen Anteile scheiden sich anschließend auf den groben Anteilen ab. Die Feststoffschicht wird getrocknet und anschließend zur Ausbildung der Festelektrolytschicht gesintert. Dieses Be- schichtungsverfahren erfordert ein nachträgliches Sintern der Elektrolytschicht bei hoher Temperatur.

Aus der DE 196 09 418 C2 ist zudem zu entnehmen, dass es bekannt ist, die Elektrolytschicht mittels Elektrophorese oder mittels Foliengießen herzustellen.

Aus dem Aufsatz „Status of Solide Oxide Fuel Cell Technologie" von S.C. Singhai, entnommen aus: High Temperatur Elec- trochemistry: Ceramics and Metals, 17^th Ris0 International Symposium und Material Sience, Roskilde, Denmark, September 1996, ist zum Aufbringen der Elektrolytschicht ein EVD-Pro- zess bekannt (EVD: Electrochemical Vapor Deposition) . Dieses Verfahren eignet sich auch für komplexe Oberflächengeometrien, insbesondere für die gekrümmten Oberflächen, wie sie bei einer zylinder- oder rohrförmigen Brennstoffzelle vorlie- gen. Der EVD-Prozess ist jedoch sehr teuer und aufwendig. Aus dem Aufsatz ist zu entnehmen, dass sowohl die Elektrolytschicht als auch der Interkonnektor und die Anode üblicherweise mittels des EVD-Prozesses aufgebracht werden. Der Aufsatz befasst sich mit dem Problem, den teueren EVD-Prozess durch andere Beschichtungssysteme zu ersetzen. Während neue Beschichtungsverfahren, beispielsweise Plasmabeschichtungs- verfahren, für den Interkonnektor und die Anode vorgeschlagen werden, ist für die Elektrolytschicht weiterhin der EVD-Prozess vorgesehen, um eine ausreichend hohe Qualität zu gewähr- leisten.

Ein Problem bei der Elektrolytschicht ist insbesondere in der geforderten Gasdichtheit zu sehen. Mit einem - gegenüber dem EVD-Prozess deutlich kostengünstigeren - herkömmlichen Plas- mabeschichtungsverfahren lässt sich die Festelektrolytschicht in der Regel nicht ausreichend gasdicht ausbilden. Bei einem Plasmabeschichtungsverfahren wird gewöhnlich innerhalb eines vergleichsweise kleinen Spritzflecks mit einem Durchmesser bis zu 4 cm eine schmelzflüssige oder teigige Beschichtungs- asse auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht, welche anschließend erstarrt. Bei großflächigen Bauteilen, beispielsweise bei den bekannten röhrenförmigen Brennstoffzellen, ist aufgrund der geringen Ausdehnung des Spritzflecks eine Auftragung der Beschichtung in mehreren Bahnen erforder- lieh.

Ein derartiges Plasmabeschichtungsverfahren wirft für die Ausbildung einer Festelektrolytschicht insbesondere zwei gravierende Probleme auf: Zum einen schrumpft die schmelzflüs- sige Masse beim Erstarren, so dass sich eine dem Schrumpfungsgrad entsprechende Porosität in der Festelektrolytschicht ausbildet. Damit ist also eine gasdichte Schicht nicht ermöglicht. Zum zweiten ist mit einem derartigen Verfahren eine homogene Ausbildung der Festelektrolytschicht mit gleichmäßiger Dicke kaum möglich, da sich die einzelnen Bahnen an ihren Randbereichen überlappen. Die Dickeschwankungen im Bereich der Festelektrolytschicht verringern in deutlichem Maße die Effizienz einer Brennstoffzelle, da die Ionenleitfähigkeit über die Festelektrolytschicht negativ beeinflusst ist .

Aufgrund der deutlichen Kostenvorteile eines Plasmabeschich- tungsverfahrens beispielsweise gegenüber dem EVD-Prozess gehen neuere Entwicklungen dahin, auch für die Festelektrolytschicht Plasmabeschichtungsverfahren einzusetzen. Dies zeigen beispielsweise der wissenschaftliche Aufsatz von Rudolf Henne „Potential of Vacuum Plasma Spraying for the Production of

SOFC Components" sowie der Aufsatz von Heiko R. Grüner et al. „SOFC Elements by Vacuum-Plasma-Spraying (VPS)", beide enthalten in „Proceedings of first European Solid Oxide Fuel Cell Conference", Lucerne, Switzerland, 3. bis 7. Okto- ber 1994, Band 2, Seiten 617 bis 627, bzw. S. 611 bis 616. Diesen beiden Aufsätzen ist gemeinsam, dass ein Vakuumplasmaverfahren^' vorgeschlagen wird, wobei in der Beschichtungskammer ein Druck von etwa lOOmbar eingestellt wird.

Aus der FR 2 729 400 AI sowie dem Patent Abstract zu der japanischen Patentanmeldung 63000450 werden jeweils Druckwerte im Bereich von 0,1 bis 20mbar bzw. 10 bis 100 torr (13 bis 130mbar) vorgeschlagen.

Auch mit diesen bekannten Plasmabeschichtungsverfahren ist allerdings eine qualitativ hochwertige Festelektrolytschicht, die die Qualität einer mit dem EVD-Prozess hergestellten Festelektrolytschicht aufweist, nicht erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zum Herstellen einer festkeramischen Brennstoffzelle mit hohem Wirkungsgrad anzugeben.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfah- ren zum Herstellen einer festkeramischen Brennstoffzelle mit einer zwischen zwei porösen Elektroden angeordneten Festelektrolytschicht, wobei innerhalb einer Beschichtungskammer die Elektrolytschicht auf eine der Elektroden mittels eines Plas- maspritzverfahrens gasdicht aufgebracht wird. In der Beschichtungskammer wird ein Druck von kleiner etwa 15 bar, und insbesondere ein Druck im Bereich zwischen 1 bis 5 mbar eingestellt wird. In einem Plasmastrahl werden einzelne Partikel aus einem Beschichtungsmaterial mitgeführt, welche im Plasmastrahl derart dünn verteilt sind, dass sie auf dem Substrat (Elektrode) im Wesentlichen isoliert aufgebracht werden.

Mit einem derartigen Plasmabeschichtungsverfahren wird eine qualitativ hochwertige Festelektrolytschicht ausgebildet, die mit einer mittels EVD-Prozess erzeugten Festelektrolytschicht durchaus vergleichbar ist und insbesondere eine sehr hohe Gasdichtigkeit aufweist. Wesentlich hierfür ist, dass die einzelnen Partikel im Plasmastrahl äußerst dünn verteilt sind und isoliert aufgebracht werden. Die Schicht wird also durch „punktweises" Aufbringen einzelner Partikel erzeugt. Die einzelnen Partikel sind im Plasmastrahl fein und dispers ver- teilt. Unter „punktförmig" wird hierbei das lokal begrenzte Aufbringen von Beschichtungsmaterial verstanden, und zwar in Abgrenzung zu dem Aufbringen einer dichten Beschichtungsmasse bei den herkömmlichen Verfahren. Das punktweise Aufbringen ist wesentlich für die Ausbildung einer Schicht mit einer sehr geringen Porosität, da jedes einzelne Partikel beim Abkühlen im Wesentlichen isoliert erstarrt und dadurch auch isoliert schrumpft. Der durch die Schrumpfung des einzelnen Partikels sich ergebende Freiraum (Porosität) wird durch nachfolgend auftreffende Partikel, die wiederum im Wesent- liehen isoliert erstarren, verschlossen. Durch das isolierte Erstarren wird also die zwangsläufig auftretende Porosität während des Verfahrens mit nachfolgenden Beschichtungs- partikeln aufgefüllt, so dass eine dichte Schicht ausgebildet wird.

Das isolierte Auftragen wird unterstützt durch den geringen Druckwert in der Beschichtungskammer, welcher einen relativ weit aufgeweiteten Plasmastrahl ermöglicht. Durch die Auf eitung des Plasmastrahls wird bei gleichem Anteil an Beschichtungsmaterial (Partikelkonzentration) im Plasmastrahl pro Flächeneinheit des zu beschichtenden Substrats eine sehr geringe Material-Flächendichte erzielt und eine sehr große Beschichtungsflache ermöglicht. Das Beschichtungsmaterial wird also sehr dünn aufgetragen, wodurch eine geringe Porosität erreicht ist. Gleichzeitig wird ein sehr großer Bereich der zu beschichtenden Fläche überstrichen, so dass ein ein- bahniges Auftragen ohne Überlappbereiche oder Auftragen mit nur wenigen Überlappbereichen ermöglicht ist. Falls Überlappbereiche erforderlich sind, so sind diese zumindest aufgrund des dünnen Auftrags im Hinblick auf ihre Gesamtdicke unkritisch. Darüber hinaus wirkt sich der geringe Druck in der Beschichtungskammer dahingehend günstig aus, dass eine Wechselwirkung der einzelnen Teilchen im Plasmastrahl mit der Umgebung weitgehend verhindert ist, und somit eine gute Ionenleitfähigkeit erzielbar ist. Zudem treten aufgrund des geringen Drucks wenig Stoßprozesse zwischen den einzelnen Partikeln auf.

Ein derartiges Beschichtungsverfahren läßt sich beispielsweise in Anlehnung an das in der US 5,853,815 beschriebene Plasmaspritzverfahren durchführen. Das hieraus bekannte Ver- fahren wird dort als LPPS- (Low Pressure Plasma Spraying)

Dünnfilmverfahren bezeichnet. Hierbei wird in der Beschichtungskammer ein sehr niedriger Druckwert eingestellt der unterhalb des üblicherweise in einem herkömmlichen LPPS-Verfah- ren eingesetzten Druckbereichs von etwa 30mbar liegt. Bei diesem Verfahren wird ein großer Druckunterschied zwischen den Innenraum einer eingesetzten Plasmakanone und dem Außenraum eingestellt. Die hohe Druckdifferenz unterstützt die Strahlaufweitung.

Vorzugsweise wird zum Erzeugen einer durchgehenden, also geschlossenen Schicht auf der Elektrode diese vom Plasmastrahl mehrfach überstrichen. Es werden also mehrere Übergänge (Pas- sagen) mit dem Plasmastrahl durchgeführt, wobei durch das dabei stattfindende „punktförmige" Beschichten in besonders vorteilhafter Weise die Schrumpfungsporosität zwischen den einzelnen Beschichtungsflecken („spots") verschlossen wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Plasmastrahl über die Elektrode geführt wird, ist also ausreichend hoch, um das „punktförmige" Beschichten zu gewährleisten.

Um eine besonders dichte Schicht auszubilden, sind die ein- zelnen Beschichtungsflecken bei einmaligen Überstreichen derart dünn verteilt, dass vorteilhafterweise erst nach 20- 60maligem Überstreichen mit dem Plasmastrahl die Schicht durchgehend, also geschlossen, ausgebildet ist. Die dann durchgehende Schicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von 5μm bis lOμm auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Gesamtschichtdicke der Festelektrolytschicht etwa 30μm. Mit dem „punktförmigen" Beschichten stellt sich nach etwa 20-60 Pas- sagen mit dem Plasmastrahl eine geschlossene Schicht mit der besagten Schichtdicke von 5 bis lOμ dar. Dies bedeutet, dass zwischen 60 und 400 Passagen durchgeführt werden, um die Elektrolytschicht auszubilden.

Falls die Beschichtung durch bahnweises Aufbringen erfolgt, werden die Überlappbereiche der Einzelschichten vorteilhafterweise versetzt zueinander vorgesehen, so dass eine homogene Gesamtdicke der Festelektrolytschicht erreicht wird.

Vorzugsweise weist der Plasmastrahl auf der Elektrode einen Strahldurchmesser zwischen 30 und 50 cm, insbesondere einen Strahldurchmesser von 40 cm, auf. Gegenüber einem herkömmlichen Verfahren mit einem Plasmastrahldurchmesser von typischerweise 4 cm bedeutet dies eine Vergrößerung der Plasma- strahlfläche um den Faktor 100. Zur Ausbildung einer besonders dichten Schicht wird ein pul- verförmiges Beschichtungsmaterial mit einem mittleren Partikeldurchmesser unter 20 μm in den Plasmastrahl eingebracht. Vorzugsweise ist dabei der mittlere Partikeldurchmesser klei- ner lOμm. Der bevorzugte Partikeldurchmesser liegt deutlich unter 10 μm. Unter mittlerer Partikeldurchmesser wird hierbei der sogenannte D-50-Wert verstanden, welcher angibt, dass 50% der Partikel einen Durchmesser unterhalb von beispielsweise 10 μm aufweisen (bei einem mittleren Partikeldurchmesser von 10 μm) . Die geringen Partikeldurchmesser erlauben ein weitgehendes Aufschmelzen der einzelnen Partikel im Plasmastrahl.

Mit dem Plasmabeschichtungsverfahren wird vorzugsweise eine Elektrolytschicht erzeugt, welche eine Leckrate unterhalb von etwa 10 * 10^"4 mbar 1/sec/cm² aufweist. Insbesondere liegt die Leckrate unterhalb von 2,3 * 10^~4 mbar 1/sec/m². Eine derartige Leckrate ist damit vergleichbar mit der, wie sie mittels eines EVD-Prozesses erreichbar ist. Damit lässt sich mit dem im Vergleich zu einer EVD-Beschichtung sehr günstigen Plas a- beschichtungsverfahren eine Festelektrolytschicht mit gleich guter Qualität ausbilden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung wird die Dichte der Beschichtung, und damit ihre Porosität, durch Variation der Prozessparameter eingestellt. Dies ermöglicht mit Hilfe des gleichen Plasmabeschichtungsverfahrens verschiedene Schichten unterschiedlicher Dichtheit vorzusehen. Insbesondere können dies auch Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung sein. In diesem Fall wird das in den Plasma- strahl eingebrachte pulverförmige Beschichtungsmaterial variiert.

Vorzugsweise wird die Dichte durch Wahl der mittleren Partikelgröße eingestellt. Die übrigen Prozessparameter, insbe- sondere der geringe Druck in der Beschichtungskammer, bleiben also im Wesentlichen gleich. Zum Erzeugen einer porösen Schicht werden beispielsweise Partikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von > lOμm und insbesondere mit Partikeldurchmessern im Bereich von 45 μm verwendet. Derart große Partikel schmelzen kaum oder nur geringfügig auf. Insgesamt lässt sich durch die Wahl der Partikelgröße eine Porosität zwischen etwa 0 und 10 % bezogen auf das Volumen der Schicht einstellen. Das Verfahren ermöglicht also in einfacher Weise, mehrere Schichten der festkeramischen Brennstoffzelle zu erzeugen.

Vorzugsweise wird als weitere Schicht ein Interkonnektor mittels des Plasmaspritzverfahrens aufgebracht. Ein solcher Interkonnektor ist generell bei röhrenförmigen Brennstoffzellen vorgesehen und dient zum Anschluss der von der Anode zylindrisch umgebenen Kathode. Der Interkonnektor ist mit der Ka- thode leitend verbunden.

Weiter bevorzugt wird zumindest eine der porösen festkeramischen Elektroden mittels des Plasmaspritzverfahrens erzeugt. Hierzu werden insbesondere die bereits erwähnten Partikel- durchmesser im Bereich von 45 μm und mehr herangezogen. Auch bei der Ausbildung der porösen Elektrode bleibt der Vorteil der großen Strahlaufweitung bei dem Plasmabeschichtungsverfahren sowie der Aufbau aus „punktförmig" erzeugten Schichten bestehen. Durch die Größe der einzelnen Partikel, die kaum aufgeschmolzen werden, bleiben zwischen den einzelnen Partikeln Hohlräume bestehen, die die Porosität bilden.

Gemäß einer besonders zweckdienlichen Ausgestaltung werden die Prozessparameter während des Beschichtens variiert. Da- durch lassen sich unterschiedliche Schichten in einem quasi kontinuierlichen Beschichtungsvorgang aufbringen. Insbesondere können Schichten mit einem Gradienten bezüglich der chemischen Zusammensetzung und/oder der Porosität aufgebracht werden. Mit dem Verfahren kann daher in einem kontinuierli- chen Beschichtungsprozess die Brennstoffzelle bestehend aus zwei Elektroden, der Festelektrolytschicht und dem Interkon- nektor, bei geeigneter Prozessführung nahezu vollständig erzeugt werden.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für eine Brennstoff- zelle, welche als röhrenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

FIG 1 eine Querschnittsansicht einer röhrenförmigen Brennstoffzelle, FIG 2 einen Aufbau zur Durchführung des Plasmabeschich- tungsVerfahrens, und FIG 3 einen Aufbau zur Bestimmung der Leckrate der aufgebrachten Beschichtung.

Gemäß FIG 1 umfasst eine festkeramische, röhrenförmige Brennstoffzelle 2 eine erste als Kathode 4 bezeichnete Elektrode und eine zweite als Anode 6 bezeichnete Elektrode. Die Kathode 4 und die Anode 6 sind als konzentrisch zueinander angeordnete Zylinder ausgebildet und bestehen aus einem porösen keramischen Werkstoff. Eine derartige Brennstoffzelle 2 mit festkeramischen Elektroden wird auch als „SOFC-Brennstoff- zelle" (Solide Oxide Fuel Cell) bezeichnet. Durch die innere röhrenförmige Kathode 4 wird Luft oder Sauerstoff geleitet, während an der die Kathode 4 umgebenden Anode 6 ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, vorbeigeführt wird. Die Kathode 4 wird auch als Luftelektrode und die Anode 6 als Brennstoffelektrode bezeichnet. Zwischen der Kathode 4 und der Anode 6 ist eine Festelektrolytschicht 8 angeordnet.

Die Festelektrolytschicht 8 muss einerseits gasdicht sein, um einen Kontakt der Luft und des Brennstoffes über die porös ausgebildeten Elektroden 4,6 zu vermeiden. Gleichzeitig muss die Festelektrolytschicht 8 eine gute Ionenleitfähigkeit aufweisen, damit beim Betrieb der Brennstoffzelle Ionen zwischen der Kathode 4 und der Anode 6 wandern können, um eine Spannung aufzubauen. Um eine gute Ionenleitfähigkeit zwischen den beiden Elektroden 4 , 6 zu erreichen, ist vorzugsweise zwischen der Festelektrolytschicht 8 und der Anode 6 eine spezielle Zwischenschicht eingefügt.

Sowohl die Festelektrolytschicht 8 als auch die Anode 6 sind nicht vollständig ringförmig ausgebildet. Sie weisen vielmehr eine Ringöffnung auf, in der ein sogenannter Interkonnektor 9 angebracht und unmittelbar mit der Kathode 4 elektrisch leitend verbunden ist. Über den Interkonnektor 9 ist die innenliegende Kathode 4 elektrisch verbindbar.

Um eine möglichst hohe Effizienz der Brennstoffzelle 2 zu er- reichen, werden an die Festelektrolytschicht 8 hohe Anforderungen im Hinblick auf ihre Gasdichtheit und ihre Ionenleitfähigkeit gestellt. Für das Aufbringen der Festelektrolytschicht 8 kommen daher nur Verfahren in Betracht, die in der Lage sind sowohl ein dichte Festelektrolytschicht 8 als auch eine sehr homogene Festelektrolytschicht 8 mit konstanter

Schichtdicke zu erzeugen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde die Festelektrolytschicht 8 herkömmlich mittels des teueren EVD-Beschichtungsprozesses aufgebraucht (EVD: Electron Vapor Deposition) .

Aus FIG 2 ist der prinzipielle Aufbau zur Durchführung eines speziellen, als LPPS-Dünnfilmverfahren bezeichneten, Plasmaspritzverfahrens dargestellt. In einer Beschichtungskammer 10 sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 angeordnet, die zur Beschichtung vorgesehen sind. Diese Brennstoffzellen 2 werden in die Beschichtungskammer 10 über Schleusen 12 ein- bzw. ausgeschleust. Jede einzelne der Brennstoffzellen 2 ist um eine gestrichelt dargestellte Rotationsachse 14 rotierbar, um eine allseitige und gleichmäßige Beschichtung zu ermögli- chen. Zur Durchführung des Plasmabeschichtungsverfahrens ist in der Beschichtungskammer 10 eine sogenannte Plasmakanone 16 angeordnet. In dieser wird in gewöhnlicher Weise ein Plasma

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1

Zur Bestimmung der Leckrate q_L wird folgendermaßen vorgegangen: Die Messung des Druckanstiegs erfolgt über eine Messzeit dt von 30-β00sec. Der Differenzdruck Δ beträgt lbar, die Messung erfolgt bei Raumtemperatur und das Prüfgas ist Luft. Mit einem derartigen Messaufbau wird für eine nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgebrachte Festelektrolytschicht eine Leckrate von kleiner 2,3 * 10^"4 mbar 1/sec/cm² erreicht.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer festkeramischen Brennstoffzelle (2) mit einer zwischen zwei porösen Elektroden (4,6) angeordneten Festelektrolytschicht (8) die in einer Beschichtungskammer (10), in der ein Druck von kleiner etwa 15 mbar herrscht, mittels eines Plasmaspritzverfahrens auf eine der Elektroden (4) gasdicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Plasmastrahl (20) einzelne Partikel aus einem Beschichtungsmaterial mitgeführt werden, die im

Plasmastrahl (20) derart dünn verteilt sind, dass sie auf der Elektrode (4) im Wesentlichen isoliert aufgebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erst nach mehrfachem Überstreichen der Elektrode (4) mit dem

Plasmastrahl (20) eine durchgehende Schicht erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach etwa 20 bis 60fachem Überstreichen mit dem Plasmastrahl (20) die Schicht durchgehend ausgebildet ist und insbesondere etwa eine Schichtdicke von 5μm bis lOμm hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke der Festelektro- lytschicht (8) etwa 30 μm beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (20) auf der Elektrode (4) einen Strahldurchmesser (D) zwischen 30 und 50 cm, ins- besondere von 40 cm, aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner als 20μm und insbesondere etwa kleiner als lOμm in den Plasmastrahl (20) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckrate der Festelektrolytschicht (8) unterhalb von etwa 10 * 10^~4 mbar 1/sec/cm² und insbesondere unterhalb von 2,3 * 10^~4 mbar 1/sec/cm² liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Beschichtung durch Variation der Prozessparameter eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte durch Wahl der mittleren Partikelgröße eingestellt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass als weitere Schicht ein Interkonnektor (9) mittels des Plasmaspritzverfahrens aufgebracht wird..

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Elektroden (6) mittels des Plasmaspritzverfahrens erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter während des Beschichtens variiert werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als röhrenförmiger Hohlkörper ausgebildet ist.