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WO2018191765A1 - Electrode-electrolyte unit - Google Patents

Electrode-electrolyte unit Download PDF

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Publication number
WO2018191765A1
WO2018191765A1 PCT/AT2018/000017 AT2018000017W WO2018191765A1 WO 2018191765 A1 WO2018191765 A1 WO 2018191765A1 AT 2018000017 W AT2018000017 W AT 2018000017W WO 2018191765 A1 WO2018191765 A1 WO 2018191765A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
layer
gas
carrier substrate
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/AT2018/000017
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Markus HAYDN
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.)
Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Plansee SE filed Critical Plansee SE
Publication of WO2018191765A1 publication Critical patent/WO2018191765A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232Metals or alloys
    • HELECTRICITY
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    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
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    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an electrode-electrolyte unit for a metal-based electrochemical module according to claim 1 and an electrochemical module according to claim 21.
  • the electrode-electrolyte unit according to the invention is used in an electrochemical module which is used inter alia as a high-temperature fuel cell or solid oxide fuel cell (SOFC), as a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) and as a reversible catalyst Solid oxide fuel cell (R-SOFC) can be used.
  • SOFC high-temperature fuel cell or solid oxide fuel cell
  • SOEC solid oxide electrolyzer cell
  • R-SOFC Solid oxide fuel cell
  • Basic configuration includes an electrochemically active cell of the
  • electrochemical module a gas-tight solid electrolyte, which is arranged between a gas-permeable anode and gas-permeable cathode.
  • the electrochemically active components such as anode, electrolyte and cathode are often formed as comparatively thin layers.
  • a mechanical support function required thereby can be achieved by one of the electrochemically active layers, e.g. through the electrolyte, the anode or the cathode, which are then each made correspondingly thick (in these cases we speak of an electrolyte, anode or cathode-supported cell), or by an electrolyte these functional layers separately formed component, such as an electrically conductive ceramic or metallic carrier substrate.
  • metallic carrier substrate one speaks of a metal-supported cell (MSC). Since with an MSC the electrolyte, its electrical resistance with decreasing thickness and with increasing
  • Temperature decreases can be made relatively thin (e.g., with a thickness in the range of 2 to 10 m), MSCs at a
  • MSCs are particularly suitable for mobile applications, such as For example, suitable for the electrical supply of passenger cars or commercial vehicles (APU - auxiliary power unit).
  • the electrochemically active cell units are formed as flat individual elements, which in conjunction with corresponding
  • MSC Metal housing parts (such., Interconnector, frame plate, gas lines, etc.) are stacked on a stack and electrically contacted in series. MSC have a great advantage in this regard, as the connection and sealing of individual modules to a stack
  • fuel for example, hydrogen or conventional hydrocarbons, such as methane, natural gas, biogas, etc.
  • Gas separation function is taken over by the gas-tight electrolyte in the region of the electrochemically active layers, whereby a major challenge in the sealing in the transition region from the porous carrier substrate to a subsequent gas-tight surface.
  • WO2014187534 of the applicant is a powder metallurgically produced metallic
  • carrier substrate in which a porous central region, over which the electrochemically active layers are arranged, is surrounded by a pressed edge region, the surface of which is additionally melted for the purpose of gas-tightness by a laser treatment and thereby sealed gas-tight.
  • the electrolyte layer becomes over the porous area with the anode layer
  • this transition region from the porous central region to the gas-tight Edge area is a weak point and there may be problems with the gas tightness. For example, occur in the transition region repeatedly flaking of the layers, which inter alia on a conditional on the melting by the laser beam irregular, partially meandering, surface structure of the edge region
  • the present invention is based on the object, an electrode-electrolyte unit for a metal-based electrochemical module,
  • the electrode-electrolyte unit according to the invention is in a metal-based electrochemical module, in particular in a high-temperature fuel cell or solid oxide fuel cell (SOFC), a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) or in a reversible solid oxide fuel cell (R-SOFC), can be used. It instructs
  • metallic, in particular plate-shaped carrier substrate having a porous, gas-permeable central region and a materially connected to the central region along an edge portion thereof, at least superficially gas-tight on the cell-facing side
  • the gas-permeable surface of the carrier substrate is separated from the at least superficially gas-tight surface of the edge region by a boundary line.
  • On the porous central area of the carrier substrate is separated from the at least superficially gas-tight surface of the edge region by a boundary line.
  • Carrier substrate is at least one porous gas-permeable first electrode, and arranged at least one gas-tight ceramic electrolyte layer which extends beyond the first electrode in the direction of the edge region and gas-tight with the gas-tight edge region of the carrier substrate.
  • At least one porous, ceramic bonding layer is formed, which extends at least over a bordering to the boundary portion of the edge region.
  • the central region of the carrier substrate and the edge region may be two originally separate components which are interconnected by a material connection such as a welded or soldered connection.
  • a material connection such as a welded or soldered connection.
  • the central region and the edge region are made in one piece (monolithic), the carrier substrate then consists of two imaginary components, which are in material contact.
  • the edge region is rendered gas-tight at least superficially, for example by pressing the porous carrier substrate on the edge side and / or by superficial superficial melting in the edge region on the side of the carrier substrate facing the electrochemically active layers (as described, for example, in WO2014187534).
  • a gas-permeable surface is present, while at least the surface of the edge region is gas-tight.
  • a boundary line is defined, wherein surfaces with gas-tight welds or solder joints are assigned to the gas-tight surface.
  • the metallic carrier substrate is preferably produced by powder metallurgy.
  • Suitable materials for the carrier substrate are in particular iron (Fe) based (ie at least 50 wt.%, In particular at least 70 wt.% Fe-containing), a high chromium content (chromium: Cr) containing alloys (eg at least 16 wt.% Cr ), to which further additives, such as, for example, yttrium oxide (Y 2 O 3) (for increasing the oxidation resistance), titanium (Ti) and molybdenum (Mo) may be added, the proportion of these additives overall being preferably less than 3% by weight (cf.
  • the electrochemically active layers such as first and second electrode (anode, cathode) and
  • Electrolyte layer arranged.
  • the electrodes are gas-permeable and can be constructed both as a single layer and as a layer composite of several layers.
  • the anode is usually the electrochemically active layer next to the carrier substrate (first
  • Electrode while the cathode (second electrode) is formed on the side facing away from the carrier substrate of the electrolyte.
  • the cathode second electrode
  • the first electrode is formed by the cathode.
  • Electrochemically active layers are preferably carried out in a known manner by means of PVD (PVD, physical vapor deposition), e.g. Sputtering, and / or thermal coating processes, e.g. Flame spraying or
  • Plasma spraying and / or wet chemical processes e.g. Screen printing
  • Layer structure of an electrochemical cell unit and several of these methods can be used in combination.
  • the anode is usually made of a composite, a so-called cermet, preferably consisting of nickel and yttria fully stabilized zirconia or nickel and gadolinia-doped ceria, while the cathode is usually made of mixed conducting perovskites such
  • the first electrode may be multi-layered and have a graded structure in which the mean sintered grain size decreases with increasing distance from the carrier substrate from layer to layer.
  • a gas-tight solid electrolyte of a solid, ceramic material of a metal oxide is formed which is conductive for oxygen ions or in a younger generation of SOFC for protons, but not for electrons.
  • oxygen ion-conducting electrolyte layer material are doped zirconium oxide, wherein the doping of at least one oxide of
  • a proton conductive electrolyte material are barium-zirconium oxide, barium-cerium oxide, lanthanum-tungsten oxide or lanthanum-niobium oxide.
  • the electrolyte layer typically has a layer thickness in the range of 3 to 5 pm and will
  • the electrolyte layer can be in direct contact with the gas-tight surface of the edge region of the carrier substrate or leak on one or more optional gas-tight intermediate layers, which are applied directly to the carrier substrate.
  • gas-tight intermediate layer can, for example, by a
  • Diffusion barrier layer differently doped lanthanum strontium manganite (LSM), lanthanum stronitum chromite (LSCr) with different lanthanum and strontium or gadolinium oxide doped ceria (CGO); the
  • Diffusion barrier layer is usually mitteis PVD directly on the
  • the layer thickness is usually up to 2 pm and therefore comparatively thin (in comparison, the average
  • Carrier substrate separates, so it remains unchanged with the coating.
  • the core idea of the invention is to provide at least one additional porous, ceramic bonding layer in the edge region of the carrier substrate between the electrolyte layer and the carrier substrate (or any gas-tight intermediate layer disposed thereon). This intermediate layer in the
  • Edge area serves to compensate for irregularities in the surface of the edge region and can therefore over its course a varying
  • Have layer thickness Preferably, it becomes thinner and thinner towards its edges. Irregularities caused, for example, by the above-mentioned laser guidance in the superficial melting process, or sharp-edged gradations or discontinuities at the transitional area between the first electrode and the surface of the edge area can be compensated or smoothed by the bonding layer.
  • the leveling is for the application of the relatively thin
  • Electrolyte layer provided a more uniform surface, whereby the risk of mechanical weaknesses and cracking of the gas-tight, as thin as possible running electrolyte layer is significantly reduced.
  • the porous bonding layer also helps to reduce stress due to
  • the carrier substrate, the electrode and the electrolyte layer lead to stresses within the layer structure, in particular during production during the sintering process or later during operation, which can lead to cracking or flaking and subsequently to failure of the electrochemical module.
  • a further advantage of the bonding layer is an improved adhesion of the layer structure in the critical transition region.
  • the bonding layer is preferably a sintered ceramic layer which is connected via sintered necks with the carrier substrate (or an optional gas-tight intermediate layer). It is preferred via a wet-chemical process (eg wet powder coating, brushing, screen printing, etc.)
  • the mean pore size of the sintered bonding layer is smaller than the middle one
  • Pore size of the first electrode in a multi-layered first electrode with different porosity, the pore size of the lowest, the
  • a preferred average pore size for the attachment layer is in the range of from 0.20 ⁇ m to 2.00 ⁇ m inclusive, more preferably in the range of 0.31 ⁇ m to 1 ⁇ m inclusive, more preferably in the range of 0.32 ⁇ m to 2 ⁇ m
  • a cross-section running perpendicular to the layer to be examined is made through the electrode-electrolyte unit and a suitably prepared micrograph in the scanning electron microscope (SEM) is examined on the basis of a BSE image (BSE: back-scattered electrons) ,
  • SEM scanning electron microscope
  • BSE back-scattered electrons
  • the analysis is carried out by threshold value of the different gray levels from the respective REM-BSE image, wherein the brightness and the contrast of the REM-BSE image is adjusted such that the pores and particles in the image are easily recognizable and distinguishable from each other.
  • a suitable grayscale value is selected as the threshold value.
  • the porosity is determined by determining the area fraction within a selected
  • the bonding layer extending from the boundary line in the direction of the edge region over a maximum length of up to and including 3 cm, in particular up to and including 2 cm, particularly advantageously including 1 cm.
  • the bonding layer extends in the opposite direction, ie in the direction of the central region of the carrier substrate, starting from the boundary line over a maximum length of up to and including 1 cm, in particular up to and including 0.5 cm, particularly advantageously up to and including 0, 3 cm.
  • the bonding layer at least in a subsection of the edge region in the immediate,
  • the bonding layer preferably consists of the same base material as the electrolyte layer.
  • the bonding layer contains at least one oxide of the doping elements from the group of the rare earth elements such as Gd, Sm and / or from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca (in particular CGO).
  • suitable materials for the bonding layer are barium zirconium oxide, barium cerium oxide, lanthanum tungsten oxide or lanthanum niobium oxide.
  • Diffusion barrier layer is coated, it is also advisable, the material of the bonding layer to the material of the gas-tight intermediate layer
  • the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode, and first electrode, first electrode, and
  • Bonding layer electrolyte layer successively applied to the carrier substrate.
  • layers to be sintered such as the porous bonding layer
  • a layer containing the respective ceramic particles and a corresponding organic binder is applied by a wet-chemical method, subsequently sintered and only then
  • the individual layers are distinguishable from each other, even if they have the same composition.
  • the layer structure can be seen, for example, when perpendicular to the
  • Layer profile made a cross section through the electrode-electrolyte unit and a correspondingly prepared micrograph in the scanning electron microscope (SEM) on the basis of a REM-BSE image (BSE: back-scattered electrons;
  • connection layer can thereby T T2018 / 000017
  • first electrode 11 or after application of the first electrode which - as explained in more detail below - may also be implemented as a multilayer composite layer, in a preferred variant, more, in particular two Anbind ungs harshen are provided, a first
  • Bonding layer which is applied before the application of the first electrode
  • a second bonding layer which is applied after the application of the first electrode
  • Layer (s) of the first electrode is applied, the bonding layer in direct materially bonded contact with the carrier substrate or a gas-tight ceramic intermediate layer with which the carrier substrate has been directly coated.
  • the attachment layer dilutes toward its ends and may infiltrate into the material of the carrier substrate in the transition region to the porous central region of the carrier substrate.
  • Layer thickness can thus vary, in particular in the embodiment of the carrier substrate, which originally two separate from each other
  • Components is constructed by a welded or soldered connection
  • the bonding layer in the region of the cohesive connection (weld) is usually thicker.
  • the layer of the first electrode runs on or on the bonding layer;
  • the lowermost layer of the layer composite lying closest to the carrier substrate may leak out at the attachment layer, while the subsequent layer (s) extend beyond the layer immediately beneath it and extend on top of the underlying layer
  • Bonding layer is applied in front of the first electrode, in particular has advantages in electrode-electrolyte units in which a gas-tight
  • the ceramic intermediate layer (diffusion barrier layer) is provided and the first electrode is made of a cermet.
  • optionally finer porosity bonding layer usually adheres better on the ceramic basis than a layer of cermet.
  • the bonding layer is applied after the first electrode, the bonding layer is in direct material contact with the subsequent electrolyte layer.
  • (Lowermost) layer of the first electrode except for a region with a maximum distance of 2 mm from the boundary line away from the central gas-permeable region of the support substrate, and extends - except from an area with a maximum distance of 5 mm from the boundary line removed - not on the gas-tight surface of the
  • the (lowest) layer of the first electrode is in direct contact with the carrier substrate or with any intermediate layer (diffusion barrier layer) applied to the carrier substrate.
  • the extent of the attachment layer does not only have to be limited to the transition region, but the attachment layer can be extended over the entire first electrode.
  • a first bonding layer is directly on the carrier substrate or with a gas-tight
  • the first electrode is deposited, which terminates at and / or on the first bonding layer.
  • a second bonding layer preferably of the same material as the first bonding layer. This is connected at least partially cohesively with the first connection layer.
  • the central region of the carrier substrate it extends at least over a part of the first electrode, it can also
  • the second bonding layer can also be pulled out completely beyond the first bonding layer so that it runs out on the carrier substrate (or the gastight ceramic intermediate layer arranged directly on the carrier substrate).
  • the first electrode can be designed as a layer composite, that is to say in multiple layers, in particular in two layers.
  • the material composition preferably does not change, but the individual layers of the layer composite of the first electrode differ only with regard to the mean sintered grain size or, associated therewith, the porosity.
  • the layer composite can have a gradation of the sintering size, with the mean sintered grain size decreasing from layer to layer as the distance from the carrier substrate increases.
  • the layer composite of the first electrode extends
  • next layer which is usually finer-grained than the immediately underlying layer, beyond the immediately underlying layer, whereby a step-shaped transition with improved adhesion properties is formed in the transition region.
  • the stepped transition is compensated by the underlying and / or subsequent bonding layer.
  • the layer composite of the first electrode is constructed in two layers.
  • care is taken that the lowermost, comparatively coarse-grained layer of the first electrode extends substantially to but not significantly beyond the boundary line, while the subsequent, finer-grained layer the first electrode extends beyond the lowermost layer in the direction of the gas-tight surface of the carrier substrate.
  • Fig. 1 a schematic cross-sectional view of an inventive
  • Electrode-electrolyte unit according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 a schematic cross-sectional view of an inventive
  • Electrode-electrolyte unit according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 a schematic cross-sectional view of an inventive
  • Electrode-electrolyte unit according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a device according to the invention
  • Electrode-electrolyte unit according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 1 Unit according to FIG. 1 in an exploded view.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a first
  • FIG. 5 shows an exploded view of an electrochemical module (20) in the form of an SOFC, in which the electrode-electrolyte unit of Fig. 1 is used.
  • the section plane of the section of the electrode-electrolyte unit shown in FIG. 1 takes place in the carrier substrate in FIG. 5 along the line I-II (it should be noted that in the electrochemical module a second terminating electrode is also applied, which is shown in FIG. 1 not
  • the support substrate (11) for the electrode-electrolyte unit is according to
  • the carrier substrate (1 1) is in the edge region (12), which surrounds a porous and gas-permeable central region (13), compressed. On the porous central region (3), the chemically active layers shown in the cross-sectional view in FIG. 1 are arranged.
  • the compaction of the edge area is advantageous, but not mandatory.
  • the carrier substrate (11) was melted on the cell-facing side in the edge region over a large area by means of a laser beam. Due to the solidified melt is a gas-tight
  • the gas permeable surface of the central region (13) of the carrier substrate is defined by the gas impermeable surface of the
  • the peripheral edge region (12) of the carrier substrate is connected to two
  • a diffusion barrier layer (15) of CGO or LSM with a thickness of up to about 2 m is applied directly to the surface of the metallic carrier substrate in the central area (13) and an adjacent part of the edge area (12) by means of PVD, which interdiffuses metal between the carrier substrate (1 1) and the first electrode (16,16 ') (in the case of an SOFC, the anode) blocked (in the porous central region (13) while the pores are not closed by the diffusion barrier layer (15), so that further gas permeability is given).
  • the first electrode which consists of two layers (16, 16 ') with different average sintered grain size and porosity. The mean sintered grain size or
  • the first electrode is produced in layers by printing a suitable paste for each layer by means of screen printing and then sintering the arrangement in a reducing hydrogen atmosphere at temperatures above 1000 ° C.
  • the graduated Aoifbau can of course be refined by using more than the illustrated two layers.
  • the material used for the electrode layers is a cermet of nickel and yttria fully stabilized zirconia (Ni / 8YSZ).
  • the lowermost layer (16) of the first electrode covers the entire porous central region (13) of the carrier substrate (11) as far as the boundary line (19) (apart from a small gap which possibly occurs due to the production), but does not extend significantly beyond that. Only the subsequent, finer-grained layer (16 '), due to their
  • a porous ceramic bonding layer (17) of 8YSZ or CGO wet-chemically by brushing a corresponding powder suspension, for example, with addition of dispersant, solvent (eg BCA [2- (2-butoxyethoxy) ethyl] in the transition region of the gas-tight edge region (12) ] acetate, available from Merck KGaA Darmstadt) and binder, and then sintered at about 1000 ° C to 1300 ° C under a hydrogen atmosphere.
  • solvent eg BCA [2- (2-butoxyethoxy) ethyl] in the transition region of the gas-tight edge region (12) ] acetate, available from Merck KGaA Darmstadt
  • the fine-grained bonding layer (17) helps meandering irregularities on the otherwise locally smooth carrier substrate surface, caused by the laser guide during
  • the bonding layer (7) extends beyond the first electrode and runs out in the direction of the edge of the carrier substrate (11). Due to the porosity of the first electrode, it can infiltrate it more or less strongly in the region of the electrode and fill up the pores of the uppermost electrode layer somewhat. This penetration into the pores can additionally facilitate the adhesion and sealing by the electrolyte (18) in the relevant area.
  • the bonding layer (17) has direct contact with the subsequent electrolyte layer (18) on one side, on the other hand, immediately contact with the ceramic
  • DifTusionbarrieretik (15) and in the present example, in which the diffusion barrier layer is applied using coating masks and does not extend over the entire carrier substrate, also in contact with the surface of the metallic carrier substrate.
  • ElectroJyt layer (18) is applied by PVD, has a thickness of less than 5 ⁇ im and consists of 8YSZ. It accomplishes a gas-tight separation of the first electrode from the second electrode.
  • the second electrode in the case of an SOFC the cathode
  • a ceramic porous bonding layer (17 ') of 8YSZ or CGO is arranged directly on the diffusion barrier-coated carrier substrate (1), the layers of the first electrode (16, 16') follow and run on or on the
  • the bonding layer (17 ') protrudes slightly beyond the edge region (12) into the central region (13) of the carrier substrate (11). Since the carrier substrate (11) has relatively large pores in this non-compressed central region (13), the porous attachment layer (17 ') infiltrates into the pores of the carrier substrate (11).
  • Fig. 3 shows a third embodiment with two bonding layers (17, 17 '), a first (17'), analogous to the variant in Fig. 2 directly on the with the
  • Diffusion barrier (15) coated carrier substrate (1) is arranged, and a second bonding layer (17), which is applied analogously to the variant in Fig. 1 after the first electrode (16, 16 ').
  • the second bonding layer (17) can be expanded in the direction of the central region and extend over the entire first electrode (16, 16 ').
  • the second bonding layer (17) causes both a smoothing in the transition region and a reduction of the surface roughness of the first electrode, whereby the thickness of the
  • Electrolyte layer (18) can be reduced.
  • Fig. 4 shows an embodiment of an electrode-electrolyte unit (10 "'), wherein the carrier substrate (1 1) of two originally separate components 0017
  • a metallic powder-metallurgically produced porous substrate part (13), which is welded to a circumferential gas-tight frame plate (12).
  • the challenge with the seal lies in this example, especially in the relatively deep and sharp-edged weld.
  • the porous substrate part is analogous to the preceding one
  • connection layers (7, 17 ') are used. Variants with a connection layer as in FIG. 1 or FIG. 2 are also conceivable. If the first electrode (16, 16 ') is applied in front of a bonding layer, care should be taken that at least the lowermost, comparatively coarse-grained layer of the first electrode does not exist

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Abstract

The invention relates to an electrode-electrolyte unit (10, 10', 10", 10"') for a metal-assisted electrochemical module (20), particularly for a solid oxide fuel cell (SOFC). The invention comprises a metal carrier substrate (11) having a porous, gas-permeable central region (13) and a gas-tight edge region (12) which is integrally joined, at least on the surface (on the side facing the cell), to said central region along an edge section thereof, wherein the gas-permeable surface of the porous central region is separated from the gas-tight surface of the edge region by a boundary line (19). The invention further comprises at least one porous, gas-permeable first electrode (16, 16') formed on the porous central region of the carrier substrate, and at least one ceramic, gas-tight electrolyte layer (18) which is formed on the first electrode, extends beyond said first electrode towards the edge region, and terminates (with the gas-tight edge region) in a gas-tight manner. At least one porous ceramic connection layer (17, 17') is formed between the carrier substrate (11) and the electrolyte layer (18), at least along a subsection of the whole connecting length of the boundary line, wherein said connection layer extends at least over a section of the edge region adjoining the boundary line.

Description

ELEKTRODE-ELEKTROLYT-EINHEIT  ELECTRODE ELECTROLYTE UNIT

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode-Elektrolyt-Einheit für ein metallgestütztes elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 1 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 21. The present invention relates to an electrode-electrolyte unit for a metal-based electrochemical module according to claim 1 and an electrochemical module according to claim 21.

Die erfindungsgemäße Elektrode-Elektrolyt-Einheit findet Verwendung in einem elektrochemischen Modul, welches unter anderem als Hochtemperatur- Brennstoffzelle bzw. Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), als Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) sowie als reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) einsetzbar ist. In der The electrode-electrolyte unit according to the invention is used in an electrochemical module which is used inter alia as a high-temperature fuel cell or solid oxide fuel cell (SOFC), as a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) and as a reversible catalyst Solid oxide fuel cell (R-SOFC) can be used. In the

Basiskonfiguration umfasst eine elektrochemisch aktive Zelle des  Basic configuration includes an electrochemically active cell of the

elektrochemischen Moduls einen gasdichten Feststoffelektrolyten, der zwischen einer gasdurchlässigen Anode und gasdurchlässigen Kathode angeordnet ist. Die elektrochemisch aktiven Komponenten wie Anode, Elektrolyt und Kathode sind dabei häufig als vergleichsweise dünne Schichten ausgebildet. Eine dadurch erforderliche mechanische Stützfunktion kann durch eine der elektrochemisch aktiven Schichten, wie z.B. durch den Elektrolyt, die Anode oder die Kathode, die dann jeweils entsprechend dick ausgebildet sind (man spricht in diesen Fällen von einer Elektrolyt-, Anoden- bzw. Kathodengestützten Zelle; engl, electrolyte, anode or cathode supported cell), oder durch eine von diesen funktionalen Schichten separat ausgebildete Komponente, wie z.B. ein elektrisch leitfähiges keramisches oder metallisches Trägersubstrat, bereitgestellt werden. Bei letzterem Konzept mit einem separat ausgebildeten, metallischen Trägersubstrat spricht man von einer Metallsubstrat-gestützten Zelle (MSC; metal supported cell). Da bei einer MSC der Elektrolyt, dessen elektrischer Widerstand mit abnehmender Dicke und mit zunehmender  electrochemical module, a gas-tight solid electrolyte, which is arranged between a gas-permeable anode and gas-permeable cathode. The electrochemically active components such as anode, electrolyte and cathode are often formed as comparatively thin layers. A mechanical support function required thereby can be achieved by one of the electrochemically active layers, e.g. through the electrolyte, the anode or the cathode, which are then each made correspondingly thick (in these cases we speak of an electrolyte, anode or cathode-supported cell), or by an electrolyte these functional layers separately formed component, such as an electrically conductive ceramic or metallic carrier substrate. In the latter concept with a separately formed, metallic carrier substrate one speaks of a metal-supported cell (MSC). Since with an MSC the electrolyte, its electrical resistance with decreasing thickness and with increasing

Temperatur sinkt, vergleichsweise dünn ausgebildet werden kann (z.B. mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 10 m), können MSCs bei einer Temperature decreases, can be made relatively thin (e.g., with a thickness in the range of 2 to 10 m), MSCs at a

vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur von ca. 600°C bis 800°C betrieben werden (während z.B. Elektrolyt-gestützte Zellen zum Teil bei 600 ° C to 800 ° C (while, for example, partially supported electrolyte-supported cells)

Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 °C betrieben werden). Aufgrund ihrer spezifischen Vorteile sind MSCs insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise zur elektrischen Versorgung von Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen (APU - auxiliary power unit) geeignet. Operating temperatures of up to 1,000 ° C are operated). Due to their specific advantages, MSCs are particularly suitable for mobile applications, such as For example, suitable for the electrical supply of passenger cars or commercial vehicles (APU - auxiliary power unit).

Üblicherweise werden die elektrochemisch aktiven Zelleinheiten als ebene Einzelelemente ausgebildet, welche in Verbindung mit entsprechenden Usually, the electrochemically active cell units are formed as flat individual elements, which in conjunction with corresponding

(metallischen) Gehäuseteilen (z.B. Interkonnektor, Rahmenblech, Gasleitungen, etc.) zu einem Stapel (engl. Stack) übereinander angeordnet und elektrisch in Serie kontaktiert werden. MSC haben diesbezüglich einen großen Vorteil, da die Verbindung und Abdichtung einzelner Module zu einem Stack auf  (Metallic) housing parts (such., Interconnector, frame plate, gas lines, etc.) are stacked on a stack and electrically contacted in series. MSC have a great advantage in this regard, as the connection and sealing of individual modules to a stack

kostengünstige Weise mittels Schweiß- oder metallischer Lötprozesse realisiert werden kann.  cost-effective manner can be realized by means of welding or metallic soldering processes.

Für die Funktionsweise des elektrochemischen Moduls ist es essentiell, dass die den beiden Elektroden zugeordneten Prozessgasräume, also der  For the functioning of the electrochemical module, it is essential that the process gas spaces associated with the two electrodes, ie the

Anodengasraum und der Kathodengasraum, zuverlässig voneinander gasdicht getrennt werden und diese gasdichte Trennung auch bei den im Betrieb auftretenden thermischen oder oxidationsbedingten Belastungen  Anodengasraum and the cathode gas space, reliably separated from each other gas-tight and this gas-tight separation even when occurring during operation thermal or oxidation-related loads

aufrechterhalten wird. Im Falle einer SOFC bedeutet das die zuverlässige Trennung des Brennstoffes (beispielsweise Wasserstoff oder herkömmliche Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Erdgas, Biogas, ...), der der Anode zugeführt wird, vom Oxidationsmittel, das der Kathode zugeführt wird. Diese  is maintained. In the case of an SOFC, this means reliable separation of the fuel (for example, hydrogen or conventional hydrocarbons, such as methane, natural gas, biogas, etc.) supplied to the anode from the oxidant supplied to the cathode. These

Gastrennfunktion wird im Bereich der elektrochemisch aktiven Schichten vom gasdichten Elektrolyten übernommen, wobei eine große Herausforderung bei der Abdichtung im Übergangsbereich vom porösen Trägersubstrat auf eine daran anschließende gasdichte Oberfläche besteht. In WO2014187534 der Anmelderin wird ein pulvermetallurgisch hergestelltes metallisches  Gas separation function is taken over by the gas-tight electrolyte in the region of the electrochemically active layers, whereby a major challenge in the sealing in the transition region from the porous carrier substrate to a subsequent gas-tight surface. In WO2014187534 of the applicant is a powder metallurgically produced metallic

Trägersubstrat vorgestellt, bei dem ein poröser zentraler Bereich, über den die elektrochemisch aktiven Schichten angeordnet sind, von einem verpressten Randbereich umrandet wird, dessen Oberfläche zwecks Gasdichtheit zusätzlich durch eine Laserbehandlung aufgeschmolzen und dadurch gasdicht versiegelt wird. Zur Abdichtung zwischen Anodengasraum und Kathodengasraum wird die Elektrolytschicht über den porösen Bereich mit der Anodenschicht Presented carrier substrate in which a porous central region, over which the electrochemically active layers are arranged, is surrounded by a pressed edge region, the surface of which is additionally melted for the purpose of gas-tightness by a laser treatment and thereby sealed gas-tight. For sealing between anode gas space and cathode gas space, the electrolyte layer becomes over the porous area with the anode layer

hinausgezogen, damit sie auf der durch den Laserstrahl nachbehandelten, gasdichten Oberfläche des Randbereichs ausläuft. In der Praxis stellt dieser Übergangsbereich vom porösen zentralen Bereich zum gasdichten Randbereich allerdings eine Schwachstelle dar und es können Probleme mit der Gasdichtheit vorkommen. Beispielsweise treten im Übergangsbereich immer wieder Abplatzungen der Schichten auf, die unter anderem auf eine durch die Aufschmelzung durch den Laserstrahl bedingte unregelmäßige, teilweise mäanderförmige, Oberflächenstruktur des Randbereichs pulled out so that it expires on the aftertreated by the laser beam, gas-tight surface of the edge region. In practice, this transition region from the porous central region to the gas-tight Edge area, however, is a weak point and there may be problems with the gas tightness. For example, occur in the transition region repeatedly flaking of the layers, which inter alia on a conditional on the melting by the laser beam irregular, partially meandering, surface structure of the edge region

zurückzuführen ist.  is due.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode- Elektrolyt-Einheit für ein metallgestütztes elektrochemisches Modul, The present invention is based on the object, an electrode-electrolyte unit for a metal-based electrochemical module,

insbesondere für eine SOFC zu schaffen, die über lange Einsatzdauern hinweg auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Trennung der beiden Prozessgasräume gewährleistet.  especially for a SOFC, which ensures reliable separation of the two process gas spaces over a long service life in a simple and cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch die Elektrode-Elektrolyt-Einheit gemäß Anspruch 1 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 21 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by the electrode-electrolyte unit according to claim 1 and an electrochemical module according to claim 21. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Elektrode-Elektrolyt-Einheit ist in einem metallgestützten elektrochemischen Modul, insbesondere in einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle bzw. Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), einer Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) bzw. in einer reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC), einsetzbar. Es weist ein The electrode-electrolyte unit according to the invention is in a metal-based electrochemical module, in particular in a high-temperature fuel cell or solid oxide fuel cell (SOFC), a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) or in a reversible solid oxide fuel cell (R-SOFC), can be used. It instructs

metallisches, insbesondere plattenförmiges Trägersubstrat mit einen porösen, gasdurchlässigen zentralen Bereich und einen mit dem zentralen Bereich entlang eines Randabschnittes desselben stoffschlüssig verbundenen, zumindest oberflächlich auf der zell-zugewandten Seite gasdichten metallic, in particular plate-shaped carrier substrate having a porous, gas-permeable central region and a materially connected to the central region along an edge portion thereof, at least superficially gas-tight on the cell-facing side

Randbereich auf. Die gasdurchlässige Oberfläche des Trägersubstrats ist dabei von der zumindest oberflächlich gasdichten Oberfläche des Randbereichs durch eine Grenzlinie getrennt. Auf dem porösen zentralen Bereich des Border area on. The gas-permeable surface of the carrier substrate is separated from the at least superficially gas-tight surface of the edge region by a boundary line. On the porous central area of the

Trägersubstrats ist mindestens eine poröse gasdurchlässige erste Elektrode, und mindestens eine gasdichte keramische Elektrolytschicht angeordnet, die sich über die erste Elektrode hinaus in Richtung Randbereich erstreckt und mit dem gasdichten Randbereich des Trägersubstrats gasdicht abschließt. Carrier substrate is at least one porous gas-permeable first electrode, and arranged at least one gas-tight ceramic electrolyte layer which extends beyond the first electrode in the direction of the edge region and gas-tight with the gas-tight edge region of the carrier substrate.

Zwischen Trägersubstrat und Elektrolytschicht ist zumindest entlang eines Teilabschnittes der gesamten Verbindungslänge der Grenzlinie mindestens eine poröse, keramische Anbindungsschicht ausgebildet, die sich zumindest über einen an die Grenzlinie angrenzenden Abschnitt des Randbereichs erstreckt. Between the carrier substrate and the electrolyte layer is at least along one Part of the entire connecting length of the boundary line at least one porous, ceramic bonding layer is formed, which extends at least over a bordering to the boundary portion of the edge region.

Beim zentralen Bereich des Trägersubstrats und dem Randbereich kann es sich um zwei ursprünglich voneinander getrennte Bauteile handeln, die durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise eine Schweiß- oder Lötverbindung miteinander verbunden sind. In einer bevorzugten The central region of the carrier substrate and the edge region may be two originally separate components which are interconnected by a material connection such as a welded or soldered connection. In a preferred

Ausführungsform sind der zentrale Bereich und der Randbereich einstückig (monolithisch) ausgeführt, das Trägersubstrat besteht dann aus zwei gedachten Bauteilen, die in stoffschlüssigem Kontakt stehen. Der Randbereich wird dabei zumindest oberflächlich gasdicht gemacht, beispielsweise durch randseitiges Verpressen des porösen Trägersubstrats und/oder durch großflächiges oberflächliches Aufschmelzen im Randbereich auf der den elektrochemisch aktiven Schichten zugewandten Seite des Trägersubstrats (wie beispielsweise in WO2014187534 beschrieben).  Embodiment, the central region and the edge region are made in one piece (monolithic), the carrier substrate then consists of two imaginary components, which are in material contact. The edge region is rendered gas-tight at least superficially, for example by pressing the porous carrier substrate on the edge side and / or by superficial superficial melting in the edge region on the side of the carrier substrate facing the electrochemically active layers (as described, for example, in WO2014187534).

Diesen unterschiedlichen Ausführungen des Trägersubstrats ist gemeinsam, dass in einem zentralen Bereich des Trägersubstrats eine gasdurchlässige Fläche vorhanden ist, während zumindest die Oberfläche des Randbereichs gasdicht ist. Durch das Aufeinandertreffen der gasdurchlässigen Oberfläche und der gasdichten Oberfläche der Anordnung wird eine Grenzlinie (Stoßstelle) definiert, wobei Oberflächen mit gasdichten Schweißnähten oder Lötstellen der gasdichten Oberfläche zuzuordnen sind.  These different embodiments of the carrier substrate have in common that in a central region of the carrier substrate, a gas-permeable surface is present, while at least the surface of the edge region is gas-tight. By the meeting of the gas-permeable surface and the gas-tight surface of the arrangement, a boundary line (joint) is defined, wherein surfaces with gas-tight welds or solder joints are assigned to the gas-tight surface.

Bevorzugt wird das metallische Trägersubstrat pulvermetallurgisch hergestellt. Als Materialien für das Trägersubstrat eignen sich insbesondere auf Eisen (Fe) basierte (d.h. mindestens 50 Gew.%, insbesondere mindestens 70 Gew.% Fe enthaltende), einen hohen Chromanteil (Chrom: Cr) enthaltende Legierungen (z.B. mindestens 16 Gew.% Cr), denen weitere Zusätze, wie z.B. Yttriumoxid (Y2O3) (zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit), Titan (Ti) und Molybdän (Mo) zugesetzt sein können, wobei der Anteil dieser Zusätze insgesamt vorzugsweise kleiner als 3 Gew.% ist (vgl. z.B. den als ITM bezeichneten Werkstoff der Firma Plansee SE enthaltend 71 ,2 Gew.% Fe, 26 Gew.% Cr 5 2018/000017 sowie in Summe weniger als 3 Gew.% von Ti, Y2O3 und Mo). Bevorzugt wird eine Pulverfraktion mit einer mittleren Partikelgröße kleiner als 150 μηπ, insbesondere im Bereich von etwa 50- Ι ΟΟμιτι, verwendet, um eine gute The metallic carrier substrate is preferably produced by powder metallurgy. Suitable materials for the carrier substrate are in particular iron (Fe) based (ie at least 50 wt.%, In particular at least 70 wt.% Fe-containing), a high chromium content (chromium: Cr) containing alloys (eg at least 16 wt.% Cr ), to which further additives, such as, for example, yttrium oxide (Y 2 O 3) (for increasing the oxidation resistance), titanium (Ti) and molybdenum (Mo) may be added, the proportion of these additives overall being preferably less than 3% by weight (cf. the material referred to as ITM from Plansee SE containing 71.2% by weight of Fe, 26% by weight of Cr 5 2018/000017 and in total less than 3% by weight of Ti, Y2O3 and Mo). Preferably, a powder fraction with an average particle size smaller than 150 μηπ, in particular in the range of about 50- ΟΟ ΟΟμιτι, used to a good

Beschichtbarkeit für die funktionalen Schichten zu gewährleisten.  Coatability for the functional layers to ensure.

Im zentralen Bereich des Trägersubstrats sind die elektrochemisch aktiven Schichten wie erste und zweite Elektrode (Anode, Kathode) und In the central region of the carrier substrate are the electrochemically active layers such as first and second electrode (anode, cathode) and

Elektrolytschicht angeordnet. Die Elektroden sind gasdurchlässig ausgeführt und können sowohl als einzelne Schicht als auch als Schichtverbund aus mehreren Lagen aufgebaut sein. Üblicherweise ist die Anode die auf das Trägersubstrat nächstfolgende, elektrochemisch aktive Schicht (erste  Electrolyte layer arranged. The electrodes are gas-permeable and can be constructed both as a single layer and as a layer composite of several layers. The anode is usually the electrochemically active layer next to the carrier substrate (first

Elektrode), während die Kathode (zweite Elektrode) auf der dem Trägersubstrat abgewandten Seite des Elektrolyten ausgebildet ist. Alternativ ist aber auch eine umgekehrte Anordnung der beiden Elektroden möglich, bei der die erste Elektrode durch die Kathode gebildet wird. Die Aufbringung der  Electrode), while the cathode (second electrode) is formed on the side facing away from the carrier substrate of the electrolyte. Alternatively, however, a reverse arrangement of the two electrodes is possible, in which the first electrode is formed by the cathode. The application of the

elektrochemisch aktiven Schichten erfolgt in bekannter Weise vorzugsweise mittels PVD (PVD; Physikalische Dampfphasenabscheidung), z.B. Sputtern, und/oder thermischen Beschichtungsverfahren, z.B. Flammspritzen oder  Electrochemically active layers are preferably carried out in a known manner by means of PVD (PVD, physical vapor deposition), e.g. Sputtering, and / or thermal coating processes, e.g. Flame spraying or

Plasmaspritzen und/oder nasschemische Verfahren, wie z.B. Siebdruck,  Plasma spraying and / or wet chemical processes, e.g. Screen printing,

Nasspulverbeschichten, etc., wobei für die Realisierung des gesamten  Wet powder coating, etc., being responsible for the realization of the entire

Schichtaufbaus einer elektrochemischen Zelleinheit auch mehrere dieser Verfahren in Kombination eingesetzt werden können.  Layer structure of an electrochemical cell unit and several of these methods can be used in combination.

Die Anode wird üblicherweise aus einem Komposit, einem sogenannten Cermet gefertigt, bevorzugt bestehend aus Nickel und mit Yttriumoxid vollstabilisiertem Zirkoniumdioxid oder aus Nickel und mit Gadoliniumoxid dotiertem Ceroxid , während die Kathode gewöhnlich aus gemischtleitenden Perovskiten wie  The anode is usually made of a composite, a so-called cermet, preferably consisting of nickel and yttria fully stabilized zirconia or nickel and gadolinia-doped ceria, while the cathode is usually made of mixed conducting perovskites such

(La,Sr)(Co,Fe)03) gebildet wird. Insbesondere die erste Elektrode kann mehrlagig ausgeführt sein und einen gradierten Aufbau aufweisen, bei dem die mittlere Sinterkorngröße mit zunehmendem Abstand vom Trägersubstrat von Lage zu Lage abnimmt. (La, Sr) (Co, Fe) 03). In particular, the first electrode may be multi-layered and have a graded structure in which the mean sintered grain size decreases with increasing distance from the carrier substrate from layer to layer.

Auf die erste Elektrode folgend, zwischen den beiden Elektroden, ist ein gasdichter Feststoffelektrolyt aus einem festen, keramischen Werkstoff aus einem Metalloxid ausgebildet, der für Sauerstoffionen bzw. bei einer jüngeren Generation von SOFC für Protonen leitfähig ist, für Elektronen aber nicht. Beispiele für ein Sauerstoffionen leitendes Elektrolytschichtmaterial sind dotiertes Zirkoniumoxid, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der Following the first electrode, between the two electrodes, a gas-tight solid electrolyte of a solid, ceramic material of a metal oxide is formed which is conductive for oxygen ions or in a younger generation of SOFC for protons, but not for electrons. Examples of an oxygen ion-conducting electrolyte layer material are doped zirconium oxide, wherein the doping of at least one oxide of

Dotierungselemente aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca, Mg enthält,  Contains doping elements from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca, Mg,

(beispielsweise 8YSZ, einem mit 8 ol% Yttriumoxid vollstabilisierten  (For example, 8YSZ, a fully stabilized with 8 ol% yttria

Zirkoniumdioxid) oder dotiertes Ceroxid, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der Dotierungselemente aus der Gruppe der Selten-Erd-Elemente wie Gd, Sm und/oder aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca enthält. Beispiele für einen Protonen leitendes Elektrolytmaterial sind Barium-Zirkonium-Oxid, Barium-Cer- Oxid, Lanthan-Wolfram-Oxid oder Lanthan-Niob-Oxid. Die Elektrolytschicht hat typischerweise eine Schichtdicke im Bereich von 3 bis 5 pm und wird  Zirconia) or doped cerium oxide, wherein the doping contains at least one oxide of the doping elements from the group of the rare earth elements such as Gd, Sm and / or from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca. Examples of a proton conductive electrolyte material are barium-zirconium oxide, barium-cerium oxide, lanthanum-tungsten oxide or lanthanum-niobium oxide. The electrolyte layer typically has a layer thickness in the range of 3 to 5 pm and will

üblicherweise mittels PVD aufgebracht. Die Elektrolytschicht erstreckt sich über die Schicht(en) der erste Elektrode hinaus und schließt mit dem gasdichten Randbereich des Trägersubstrats gasdicht ab. "Gasdicht" bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die Leckrate bei ausreichender Gasdichtigkeit standardmäßig < 10~3 hPa*dm3 /cm2 s (hPa: Hektopascai, dm3: Kubikdezimeter, cm2: Quadratzentimeter, s: Sekunde) beträgt (gemessen unter Luft mit Druckanstiegsmethode mit dem Messgerät der Firma Dr. Wiesner, Remscheid, Typ: Integra DDV bei einer Druckdifferenz dp = 100 hPa). Für die Gasdichtheit kann die Elektrolytschicht in unmittelbaren Kontakt mit der gasdichten Oberfläche des Randbereichs des Trägersubstrats stehen oder auf einer oder mehreren optionalen gasdichten Zwischenschichten, die unmittelbar auf das Trägersubstrat aufgebracht sind, auslaufen. Eine solche zumindest im Randbereich gasdichte Zwischenschicht kann beispielsweise durch eine usually applied by PVD. The electrolyte layer extends beyond the layer (s) of the first electrode and closes gas-tight with the gas-tight edge region of the carrier substrate. In the context of the present invention, "gas-tight" means in particular that the leak rate with sufficient gas-tightness is by default <10 -3 hPa * dm 3 / cm 2 s (hPa: hectopascal, dm 3 : cubic decimeter, cm 2 : square centimeter, s: second) (measured under air with pressure rise method with the measuring instrument of Dr. Wiesner, Remscheid, type: Integra DDV at a pressure difference dp = 100 hPa). For gas tightness, the electrolyte layer can be in direct contact with the gas-tight surface of the edge region of the carrier substrate or leak on one or more optional gas-tight intermediate layers, which are applied directly to the carrier substrate. Such an at least in the edge region gas-tight intermediate layer can, for example, by a

Diffusionsbarriereschicht gegeben sein, welche zur Unterbindung von Diffusion barrier layer be given, which for the suppression of

metallischer Interdiffusion zwischen dem Trägersubstrat und der Anode ausgeführt ist und sich herstellungsbedingt auch über einen Teil des metallic interdiffusion between the carrier substrate and the anode is carried out and manufacturing due to a part of the

Randbereichs erstrecken kann. Vorzugsweise weist die Can extend edge region. Preferably, the

Diffusionsbarriereschicht unterschiedlich dotiertes Lanthan-Strontium-Manganit (LSM), Lanthan-Stronitum-Chromit (LSCr) mit unterschiedlichen Lanthan und Strontiumgehaiten oder mit Gadoliniumoxid dotiertes Ceroxid (CGO); die Diffusion barrier layer differently doped lanthanum strontium manganite (LSM), lanthanum stronitum chromite (LSCr) with different lanthanum and strontium or gadolinium oxide doped ceria (CGO); the

Diffusionsbarriereschicht wird üblicherweise mitteis PVD direkt auf das Diffusion barrier layer is usually mitteis PVD directly on the

Trägersubstrat aufgebracht; die Schichtdicke beträgt üblicherweise bis zu 2 pm und ist daher vergleichsweise dünn (im Vergleich dazu kann die mittlere Carrier substrate applied; the layer thickness is usually up to 2 pm and therefore comparatively thin (in comparison, the average

Porengröße des Trägersubstrats im zentralen gasdurchlässigen Bereich in der Größenordnung von 100 μιη liegen, weshalb die Gasdurchlässigkeit im porösen, zentralen Bereich weiterhin gegeben ist). Die Grenzlinie, die den gasdichten Bereich vom gasdurchlässigen Bereich der Oberfläche des Pore size of the carrier substrate in the central gas-permeable area in the Order of magnitude of 100 μιη lie, which is why the gas permeability in the porous, central area is still given). The boundary line covering the gas-tight area of the gas-permeable area of the surface of the

Trägersubstrats trennt, bleibt also auch mit der Beschichtung unverändert.  Carrier substrate separates, so it remains unchanged with the coating.

Kerngedanke der Erfindung ist, im Randbereich des Trägersubstrats zwischen der Elektrolytschicht und dem Trägersubstrat (bzw. einer darauf angeordneten etwaigen gasdichten Zwischenschicht) mindestens eine zusätzliche poröse, keramische Anbindungsschicht vorzusehen. Diese Zwischenschicht im The core idea of the invention is to provide at least one additional porous, ceramic bonding layer in the edge region of the carrier substrate between the electrolyte layer and the carrier substrate (or any gas-tight intermediate layer disposed thereon). This intermediate layer in the

Randbereich dient zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Randbereichs und kann daher über ihren Verlauf eine variierende  Edge area serves to compensate for irregularities in the surface of the edge region and can therefore over its course a varying

Schichtdicke aufweisen. Bevorzugt wird sie zu ihren Rändern hin immer dünner und läuft aus. Durch die Anbindungsschicht können Unregelmäßigkeiten, hervorgerufen beispielsweise durch die eingangs erwähnte Laserführung beim oberflächlichen Aufschmelzprozess, oder scharfkantige Abstufungen bzw. Unstetigkeiten am Übergangsbereich zwischen der ersten Elektrode und der Oberfläche des Randbereich ausgeglichen bzw. geglättet werden. Durch die Nivellierung wird für das Aufbringen der vergleichsweise dünnen  Have layer thickness. Preferably, it becomes thinner and thinner towards its edges. Irregularities caused, for example, by the above-mentioned laser guidance in the superficial melting process, or sharp-edged gradations or discontinuities at the transitional area between the first electrode and the surface of the edge area can be compensated or smoothed by the bonding layer. The leveling is for the application of the relatively thin

Elektrolytschicht eine gleichmäßigere Oberfläche zur Verfügung gestellt, wodurch die Gefahr von mechanischen Schwachstellen und Rissbildungen der gasdichten, möglichst dünn ausgeführten Elektrolytschicht signifikant reduziert wird.  Electrolyte layer provided a more uniform surface, whereby the risk of mechanical weaknesses and cracking of the gas-tight, as thin as possible running electrolyte layer is significantly reduced.

Die poröse Anbindungsschicht hilft weiters, Belastungen aufgrund  The porous bonding layer also helps to reduce stress due to

unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der im different thermal expansion coefficients of the

Übergangsbereich verwendeten Materialien auszugleichen bzw. zu verringern. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für Compensate or reduce the transition area used materials. The different thermal expansion coefficients for

Trägersubstrat, Elektrode und Elektrolytschicht führen zu Spannungen innerhalb des Schichtaufbaus, insbesondere während der Herstellung beim Sintervorgang bzw. später im Betrieb, die zu Rissbildungen oder Abplatzungen und in weiterer Folge zum Versagen des elektrochemischen Moduls führen können. The carrier substrate, the electrode and the electrolyte layer lead to stresses within the layer structure, in particular during production during the sintering process or later during operation, which can lead to cracking or flaking and subsequently to failure of the electrochemical module.

Als weiteren Vorteil der Anbindungsschicht ist eine verbesserte Haftung des Schichtaufbaus im kritischen Übergangsbereich zu nennen. Bevorzugt handelt es sich bei der Anbindungsschicht um eine gesinterte keramische Schicht, die über Sinterhälse mit dem Trägersubstrat (bzw. einer optionalen gasdichten Zwischenschicht) verbunden ist. Sie wird bevorzugt über ein nasschemisches Verfahren (z.B. Nasspulverbeschichten, Aufpinseln, Siebdruck, etc.) A further advantage of the bonding layer is an improved adhesion of the layer structure in the critical transition region. The bonding layer is preferably a sintered ceramic layer which is connected via sintered necks with the carrier substrate (or an optional gas-tight intermediate layer). It is preferred via a wet-chemical process (eg wet powder coating, brushing, screen printing, etc.)

aufgebracht, bevor sie im Anschluss gesintert wird. Wird ein vergleichsweises feines Ausgangspulvers für die Anbindungsschicht verwendet (welches zu einer kleinen mittleren Porengröße führt), wird die Haftung der Anbindungsschicht durch Ausbildung einer größeren Anzahl von Sinterhälsen zusätzlich  applied before it is subsequently sintered. If a comparative fine starting powder is used for the bonding layer (resulting in a small mean pore size), adhesion of the bonding layer becomes more by forming a larger number of sintered necks

verbessert. Das Risiko des Auftretens von Abplatzungen, sowohl während eines Sinterns im Rahmen der Herstellung als auch im späteren Einsatz, wird signifikant reduziert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mittlere Porengröße der gesinterten Anbindungsschicht kleiner als die mittlere  improved. The risk of chipping, both during sintering during production and during later use, is significantly reduced. In an advantageous embodiment, the mean pore size of the sintered bonding layer is smaller than the middle one

Porengröße der ersten Elektrode (bei einer mehrlagigen ersten Elektrode mit unterschiedlicher Porosität wird die Porengröße der untersten, dem  Pore size of the first electrode (in a multi-layered first electrode with different porosity, the pore size of the lowest, the

Trägersubtrat am nächsten gelegenen Schicht zum Vergleich herangezogen). Eine bevorzugte mittlere Porengröße für die Anbindungsschicht liegt im Bereich von einschließlich 0,20 Mm bis einschließlich 2,00 pm, insbesondere im Bereich von einschließlich 0,31 pm bis einschließlich 1 pm, noch bevorzugter im  Carrier substrate at the closest layer used for comparison). A preferred average pore size for the attachment layer is in the range of from 0.20 μm to 2.00 μm inclusive, more preferably in the range of 0.31 μm to 1 μm inclusive, more preferably in the range of 0.32 μm to 2 μm

Bereich von einschließlich 0,31 pm bis einschließlich 0,5 pm. Allgemein wird bei Angaben bzgl. der Porengröße oder anderen ähnlichen Parametern auf  Range from 0.31 pm to 0.5 pm inclusive. General is given in terms of pore size or other similar parameters

Parameter im einsatzfertigen Zustand Bezug genommen, d.h. bei zu sinternden Schichten auf den gesinterten Zustand. Zur Bestimmung der Porosität wird ein senkrecht zu der zu untersuchenden Schicht verlaufender Querschnitt durch die Elektrode-Elektrolyt-Einheit angefertigt und ein entsprechend präpariertes Schliffbild im Rasterelektronenmikroskop (REM) anhand eines REM-BSE-Bildes (BSE: back scattered electrons; rückgestreute Elektronen) untersucht. Die Analyse erfolgt dabei per Schwellwert der unterschiedlichen Graustufen aus dem jeweiligen REM-BSE-Bild, wobei die Helligkeit und der Kontrast des REM- BSE-Bildes derart eingestellt wird, dass die Poren und Partikel in dem Bild gut erkennbar und voneinander unterscheidbar sind. Mit dem Schieberegler, der graustufenabhängig zwischen Poren und Partikeln differenziert, wird ein geeigneter Graustufenwert als Schwellwert ausgewählt. Die Porosität wird durch Bestimmung des Flächenanteils der innerhalb eines ausgewählten  Ready to use parameters are referred to, i. For sintered layers on the sintered state. To determine the porosity, a cross-section running perpendicular to the layer to be examined is made through the electrode-electrolyte unit and a suitably prepared micrograph in the scanning electron microscope (SEM) is examined on the basis of a BSE image (BSE: back-scattered electrons) , The analysis is carried out by threshold value of the different gray levels from the respective REM-BSE image, wherein the brightness and the contrast of the REM-BSE image is adjusted such that the pores and particles in the image are easily recognizable and distinguishable from each other. With the slider, which differentiates grayscale-dependent between pores and particles, a suitable grayscale value is selected as the threshold value. The porosity is determined by determining the area fraction within a selected

Bereiches liegenden Poren relativ zu der Gesamtfläche dieses ausgewählten Bereichs bestimmt, wobei auch die Flächenanteile der nur teilweise innerhalb T2018/000017 Area lying pores relative to the total area of this selected area determined, and also the area proportions of only partially within T2018 / 000017

9 des ausgewählten Bereichs liegenden Poren mit einzubeziehen sind. Zur Bestimmung der Porengröße wird die Fläche der jeweiligen Pore im Schliffbild gemessen und daraus deren äquivalenter Durchmesser, der sich bei einer Kreisform der gleichen Flächengröße ergeben würde, ermittelt.  9 of the selected area lying pores are included. To determine the pore size, the area of the respective pore in the micrograph is measured and from this the equivalent diameter, which would result for a circular shape of the same area size, is determined.

Bezüglich der geometrischen Ausdehnung der Anbindungsschicht hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich die Anbindungsschicht ausgehend von der Grenzlinie in Richtung des Randbereichs über eine maximale Länge von bis zu einschließlich 3 cm, insbesondere maximal einschließlich 2 cm, besonders vorteilhaft einschließlich 1 cm erstreckt. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Anbindungsschicht in die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung des zentralen Bereichs des Trägersubstrats, ausgehend von der Grenzlinie über eine maximale Länge von bis zu einschließlich 1 cm, insbesondere bis zu einschließlich 0,5 cm, besonders vorteilhaft bis zu einschließlich 0,3 cm. Für diese Größenangaben für die Anbindungsschicht konnte ein guter Kompromiss zwischen guten Haftungseigenschaften und einer kostengünstigen Herstellung gefunden werden. With regard to the geometric extent of the attachment layer has been found to be advantageous if the bonding layer extending from the boundary line in the direction of the edge region over a maximum length of up to and including 3 cm, in particular up to and including 2 cm, particularly advantageously including 1 cm. Advantageously, the bonding layer extends in the opposite direction, ie in the direction of the central region of the carrier substrate, starting from the boundary line over a maximum length of up to and including 1 cm, in particular up to and including 0.5 cm, particularly advantageously up to and including 0, 3 cm. For this size data for the bonding layer, a good compromise between good adhesion properties and cost-effective production could be found.

Für die Haftvermittlung ist es weiters vorteilhaft, wenn die Anbindungsschicht zumindest in einem Teilabschnitt des Randbereichs in unmittelbaren, For the bonding agent, it is further advantageous if the bonding layer at least in a subsection of the edge region in the immediate,

stoffschlüssigen Kontakt sowohl mit der Elektrolytschicht als auch mit dem Trägersubstrat bzw. - falls das Trägersubstrat im Randbereich mit einer gasdichten keramischen Zwischenschicht überlagert ist - mit der gasdichten keramischen Zwischenschicht steht.  cohesive contact both with the electrolyte layer and with the carrier substrate or - if the carrier substrate is superimposed in the edge region with a gas-tight ceramic intermediate layer - with the gas-tight ceramic intermediate layer.

Soweit in dieser Beschreibung und den Ansprüchen auf„unmittelbar"  As far as in this description and the claims to "immediate"

aufeinander abfolgende Schichten/Komponenten Bezug genommen wird, so wird das Vorhandensein von dazwischenliegenden Schichten/Komponenten ausgeschlossen. Wird hingegen nicht der Zusatz„unmittelbar" verwendet, so können - soweit technisch sinnvoll - auch noch weitere successive layers / components, the presence of intervening layers / components is excluded. If, on the other hand, the term "immediate" is not used, then others can be used, as far as technically reasonable

Schichten/Komponenten dazwischen vorgesehen sein. Layers / components to be provided in between.

Die Anbindungsschicht besteht bevorzugt aus dem gleichen Grundmaterial wie die Elektrolytschicht. Dadurch lassen sich im Übergangsbereich insbesondere thermisch induzierte Spannungen vermeiden bzw. reduzieren und die Haftung mit der Eiek rolytschicht verbessern. Entsprechend den zuvor angeführten Eiektrolytmaterialien sind geeignete Materialien für die Anbindungsschicht dotiertes Zirkoniumoxid, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der The bonding layer preferably consists of the same base material as the electrolyte layer. As a result, in particular thermally induced stresses can be avoided or reduced in the transition region and the adhesion improve with the Eiek rolytschicht. According to the above-mentioned Eiektrolytmaterialien suitable materials for the attachment layer doped zirconia, wherein the doping at least one oxide of the

Dotierungselemente aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca, Mg enthält,  Contains doping elements from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca, Mg,

(insbesondere 8YSZ) oder dotiertes Ceroxid, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der Dotierungselemente aus der Gruppe der Selten-Erd-Elemente wie Gd, Sm und/oder aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca enthält (insbesondere CGO). Weitere geeignete Materialien für die Anbindungsschicht sind Barium- Zirkonium-Oxid, Barium-Cer-Oxid, Lanthan-Wolfram-Oxid oder Lanthan-Niob- Oxid.  (in particular 8YSZ) or doped cerium oxide, wherein the doping contains at least one oxide of the doping elements from the group of the rare earth elements such as Gd, Sm and / or from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca (in particular CGO). Further suitable materials for the bonding layer are barium zirconium oxide, barium cerium oxide, lanthanum tungsten oxide or lanthanum niobium oxide.

Für Varianten der Elektrode-Elektrolyt-Einheit, bei denen das Trägersubstrat am Randbereich mit einer gasdichten Zwischenschicht wie einer  For variants of the electrode-electrolyte unit, in which the carrier substrate at the edge region with a gas-tight intermediate layer such as

Diffusionsbarriereschicht beschichtet ist, bietet sich auch an, das Material der Anbindungsschicht an das Material der gasdichten Zwischenschicht  Diffusion barrier layer is coated, it is also advisable, the material of the bonding layer to the material of the gas-tight intermediate layer

anzupassen. Wird für die Anbindungsschicht das gleiche Grundmaterial wie bei der gasdichten Zwischenschicht gewählt, so wird die Haftung der  adapt. If the same basic material as for the gas-tight interlayer is chosen for the bonding layer, the adhesion of the

Anbindungsschicht an die gasdichte Zwischenschicht und in weiterer Folge an das Trägersubstrat intensiviert.  Bonding layer to the gas-tight intermediate layer and subsequently intensified to the carrier substrate.

Zur Herstellung der Elektrode-Elektrolyt-Einheit werden die verschiedenen Schichten (optionale Diffusionsbarrierschicht, erste Elektrode, For the preparation of the electrode-electrolyte unit, the various layers (optional diffusion barrier layer, first electrode,

Anbindungsschicht, Elektrolytschicht) sukzessive auf das Trägersubstrat aufgebracht. Bei zu sinternden Schichten wie der porösen Anbindungsschicht wird eine die jeweiligen keramischen Partikel und einen entsprechenden organischen Binder enthaltene Schicht über ein nasschemisches Verfahren aufgebracht, anschließend gesintert und erst im Anschluss daran die  Bonding layer, electrolyte layer) successively applied to the carrier substrate. In the case of layers to be sintered, such as the porous bonding layer, a layer containing the respective ceramic particles and a corresponding organic binder is applied by a wet-chemical method, subsequently sintered and only then

nachfolgende Schicht (ggf. in analoger Weise) aufgebracht. Unter anderem aufgrund des schichtweisen Sinterns sind die einzelnen Schichten voneinander unterscheidbar, selbst wenn sie die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Der Schichtaufbau ist beispielsweise erkennbar, wenn senkrecht zu dem subsequent layer (possibly in an analogous manner) applied. Due in part to the layered sintering, the individual layers are distinguishable from each other, even if they have the same composition. The layer structure can be seen, for example, when perpendicular to the

Schichtverlauf ein Querschnitt durch die Elektrode-Elektrolyt-Einheit angefertigt und ein entsprechend präpariertes Schliffbild im Rasterelektronenmikroskop (REM) anhand eines REM-BSE-Bildes (BSE: back scattered electrons; Layer profile made a cross section through the electrode-electrolyte unit and a correspondingly prepared micrograph in the scanning electron microscope (SEM) on the basis of a REM-BSE image (BSE: back-scattered electrons;

rückgestreute Elektronen) untersucht wird. Die Anbindungsschicht kann dabei T T2018/000017 backscattered electrons) is examined. The connection layer can thereby T T2018 / 000017

11 ι/or oder nach Aufbringen der ersten Elektrode, die - wie nachfolgend näher ausgeführt - selbst auch mehrlagig als Schichtverbund realisiert sein kann, aufgebracht werden, in einer bevorzugten Variante sind weiters mehrere, insbesondere zwei Anbind ungsschichten vorgesehen, eine erste  11 or after application of the first electrode, which - as explained in more detail below - may also be implemented as a multilayer composite layer, in a preferred variant, more, in particular two Anbind ungsschichten are provided, a first

Anbindungsschicht, die vor dem Aufbringen der ersten Elektrode aufgebracht wird, und eine zweite Anbindungsschicht, die nach dem Aufbringen der ersten Elektrode aufgebracht wird.  Bonding layer, which is applied before the application of the first electrode, and a second bonding layer, which is applied after the application of the first electrode.

In der ersten Ausführungsform, bei der die Anbindungsschicht vor den In the first embodiment, in which the bonding layer before the

Schicht(en) der ersten Elektrode aufgebracht wird, ist die Anbindungsschicht in unmittelbaren stoffschlüssigem Kontakt mit dem Trägersubstrat bzw. einer gasdichten keramischen Zwischenschicht, mit dem das Trägersubstrat unmittelbar beschichtet worden ist. Die Anbindungsschicht verdünnt sich zu ihren Enden hin und kann im Übergansbereich zum porösen zentralen Bereich des Trägersubstrats in das Material des Trägersubstrats einsickern. Die  Layer (s) of the first electrode is applied, the bonding layer in direct materially bonded contact with the carrier substrate or a gas-tight ceramic intermediate layer with which the carrier substrate has been directly coated. The attachment layer dilutes toward its ends and may infiltrate into the material of the carrier substrate in the transition region to the porous central region of the carrier substrate. The

Schichtdicke kann also variieren, insbesondere bei der Ausführungsform des Trägersubstrats, welches aus ursprünglich zwei voneinander getrennten  Layer thickness can thus vary, in particular in the embodiment of the carrier substrate, which originally two separate from each other

Bauteilen aufgebaut ist, die durch eine Schweiß- oder Lötverbindung  Components is constructed by a welded or soldered connection

miteinander verbunden sind. Dabei ist die Anbindungsschicht im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung (Schweißnaht) in der Regel dicker. Die Schicht der ersten Elektrode läuft an oder auf der Anbindungsschicht aus; bei einer mehrlagigen Ausführungsform kann die unterste, dem Trägersubstrat am nächsten liegende Lage des Schichtverbunds an der Anbindungsschicht auslaufen, während sich die darauffolgende(n) Schicht(en) jeweils über die unmittelbar darunterliegende Schicht hinauserstrecken und auf der  connected to each other. In this case, the bonding layer in the region of the cohesive connection (weld) is usually thicker. The layer of the first electrode runs on or on the bonding layer; In a multilayered embodiment, the lowermost layer of the layer composite lying closest to the carrier substrate may leak out at the attachment layer, while the subsequent layer (s) extend beyond the layer immediately beneath it and extend on top of the underlying layer

Anbindungsschicht auslaufen kann. Die Ausführungsform, bei der die Connection layer can leak. The embodiment in which the

Anbindungsschicht vor der ersten Elektrode aufgebracht wird, hat insbesondere Vorteile bei Elektrode-Elektrolyt-Einheiten, bei denen eine gasdichte Bonding layer is applied in front of the first electrode, in particular has advantages in electrode-electrolyte units in which a gas-tight

keramische Zwischenschicht (Diffusionsbarriereschicht) vorgesehen ist und die erste Elektrode aus einem Cermet gefertigt wird. Die keramische, ceramic intermediate layer (diffusion barrier layer) is provided and the first electrode is made of a cermet. The ceramic,

gegebenenfalls feinporösigere Anbindungsschicht haftet üblicherweise auf der keramischen Grundlage besser als eine Schicht aus Cermet. In der weiteren Ausführungsform, bei der die Anbindungsschicht nach der ersten Elektrode aufgebracht wird, ist die Anbindungsschicht in unmittelbaren stoffschlüssigem Kontakt mit der nachfolgenden Elektrolytschicht. optionally finer porosity bonding layer usually adheres better on the ceramic basis than a layer of cermet. In the further embodiment, in which the bonding layer is applied after the first electrode, the bonding layer is in direct material contact with the subsequent electrolyte layer.

Diese Variante bietet insbesonders Vorteile, wenn die Anbindungsschicht und die Elektrolytschicht aus demselben Material gefertigt sind und daher zwischen diesen Schichten eine gute Haftung vermittelt wird. Auch hier wird die  This variant offers particular advantages if the bonding layer and the electrolyte layer are made of the same material and therefore a good adhesion is mediated between these layers. Again, the

Schichtdicke der Anbindungsschicht variiert, um den scharfkantigen  Layer thickness of the bonding layer varies to the sharp-edged

stufenförmigen Übergang bei der ersten Elektrode auszugleichen und eine gleichmäßige Grundlage für die nachfolgende Elektrolytschicht bereitzustellen. Zur besseren Haftung im Übergangsbereich wird darauf geachtet, dass sich die Schicht der ersten Elektrode bzw. bei einer mehrlagigen Ausführungsform die unterste, dem Trägersubstrat am nächsten liegende Schicht des  leveling transition at the first electrode and providing a uniform basis for the subsequent electrolyte layer. For better adhesion in the transition region, care is taken to ensure that the layer of the first electrode or, in the case of a multilayer embodiment, the lowermost layer of the substrate closest to the carrier substrate

Schichtverbunds der ersten Elektrode über den gesamte poröse zentralen Bereich des Trägersubstrats, aber nicht darüber hinaus erstreckt, d.h. die Schicht der ersten Elektrode bzw. die unterste Schicht derselben, welche grobkörniger als die nachfolgenden Schichten ist, erstreckt sich (abgesehen von einem herstellungsbedingt gegebenenfalls auftretenden kleinen Spalt) bis zur Grenzlinie, die den gasdurchlässigen Bereich vom gasdichten Bereich des Trägersubstrats (bzw. beschichteten Trägersubstrats) trennt, in Richtung Rand hin, aber nicht signifikant darüber hinaus. Quantifiziert bedeutet das, dass sich die (unterste) Schicht der ersten Elektrode in Richtung des Rands auf der gasdurchlässigen Oberfläche des porösen Trägersubstrats mindestens bis zu einem Abstand von 2 mm, insbesondere bis zu einem Abstand von 1 mm, besonders bevorzugt bis zu einem Abstand von 0,5 mm, bis zur Grenzlinie hin erstreckt, während sie sich in derselben Richtung höchstens über einen  Layer composite of the first electrode over the entire porous central region of the carrier substrate, but does not extend beyond, i. the layer of the first electrode or the lowermost layer thereof, which is coarser than the subsequent layers, extends (apart from a small gap possibly occurring due to the production) up to the boundary line which separates the gas-permeable region from the gas-tight region of the carrier substrate (or coated carrier substrate) ) separates, towards the edge, but not significantly beyond. Quantitatively, this means that the (lowest) layer of the first electrode in the direction of the edge on the gas-permeable surface of the porous support substrate at least up to a distance of 2 mm, in particular up to a distance of 1 mm, particularly preferably up to a distance of 0.5 mm, extending to the borderline, while in the same direction at most over one

Abstand von 5 mm, bevorzugt höchstens über einen Abstand von 3 mm, besonders bevorzugt höchstens über einen Abstand von 1 mm, über die Grenzlinie hinweg erstreckt. In anderen Worten ausgedrückt deckt die Distance of 5 mm, preferably at most over a distance of 3 mm, more preferably at most over a distance of 1 mm, extending over the boundary line away. In other words, that covers

(unterste) Schicht der ersten Elektrode - ausgenommen von einem Bereich mit einem maximalen Abstand von 2 mm von der Grenzlinie entfernt - den zentralen gasdurchlässigen Bereich des Trägersubstrats ab, und erstreckt sich - ausgenommen von einem Bereich mit einem maximalen Abstand von 5 mm von der Grenzlinie entfernt - nicht auf der gasdichten Oberfläche der (Lowermost) layer of the first electrode except for a region with a maximum distance of 2 mm from the boundary line away from the central gas-permeable region of the support substrate, and extends - except from an area with a maximum distance of 5 mm from the boundary line removed - not on the gas-tight surface of the

Anordnung. Die (unterste) Schicht der ersten Elektrode ist dabei in unmittelbaren Kontakt mit dem Trägersubstrat bzw. mit einer etwaigen auf dem Trägersubstrat aufgebrachten Zwischenschicht (Diffusionsbarriereschicht). Ein unmittelbarer Kontakt der (untersten) Schicht der ersten Elektrode mit der gasdichten Oberfläche des Randbereichs, die aufgrund der Grobkörnigkeit und damit verbundener mangelhafter Haftung problematisch ist, wird weitgehend bis vollständig vermieden. Arrangement. The (lowest) layer of the first electrode is in direct contact with the carrier substrate or with any intermediate layer (diffusion barrier layer) applied to the carrier substrate. A direct contact of the (bottom) layer of the first electrode with the gas-tight surface of the edge region, which is problematic due to the coarseness and associated lack of adhesion, is largely or completely avoided.

Die Ausdehnung der Anbindungsschicht muss bei dieser Variante nicht nur auf den Übergangsbereich beschränkt sein, sondern die Anbindungsschicht kann über die gesamte erste Elektrode ausgedehnt werden. Durch das Einsickern in die Poren der obersten Schicht der ersten Elektrode wird die  In this variant, the extent of the attachment layer does not only have to be limited to the transition region, but the attachment layer can be extended over the entire first electrode. By seeping into the pores of the uppermost layer of the first electrode is the

Oberflächenrauigkeit reduziert, wodurch zur Abdichtung eine etwas dünnere Elektrolytschicht ausreichend ist. Bei geeigneter Materialkombination, beispielsweise CGO für eine Anode aus Ni/8YSZ, kann diese zusätzlich funktionalisiert werden, im CGO Beispiel aufgrund der Schwefeltoleranz von CGO unempfindlicher gegen Schwefelverunreinigungen im Brenngas gemacht werden.  Reduced surface roughness, which is sufficient for sealing a slightly thinner electrolyte layer. With a suitable combination of materials, for example CGO for an anode made of Ni / 8YSZ, this can be additionally functionalized, in the CGO example, due to the sulfur tolerance of CGO, less sensitive to sulfur impurities in the fuel gas.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden zuvor genannten Varianten kombiniert und zwei Anbind ungsschichten vorgesehen, mit denen die oben genannten Vorteile erzielt werden können. Eine erste Anbindungsschicht ist unmittelbar auf dem Trägersubstrat bzw. dem mit einer gasdichten  In a preferred embodiment, the two aforementioned variants are combined and provided two Anbind ungsschichten, with which the above advantages can be achieved. A first bonding layer is directly on the carrier substrate or with a gas-tight

keramischen Zwischenschicht beschichteten Trägersubstrat angeordnet.  ceramic intermediate layer coated carrier substrate arranged.

Nächstfolgend wird die erste Elektrode aufgebracht, die an und/oder auf der ersten Anbindungsschicht ausläuft. Es folgt eine zweite Anbindungsschicht, bevorzugt aus dem gleichen Material wie die erste Anbindungsschicht. Diese ist zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit der ersten Anbindungsschicht verbunden. In Richtung zentraler Bereich des Trägersubstrats erstreckt sie sich zumindest über einen Teil der ersten Elektrode hinaus, sie kann auch  Next, the first electrode is deposited, which terminates at and / or on the first bonding layer. This is followed by a second bonding layer, preferably of the same material as the first bonding layer. This is connected at least partially cohesively with the first connection layer. Towards the central region of the carrier substrate, it extends at least over a part of the first electrode, it can also

vollständig über die erste Elektrode hinausgezogen sein und diese vollständig überdecken. In der entgegengesetzten Richtung, also in Richtung des completely pulled over the first electrode and completely cover this. In the opposite direction, ie in the direction of the

gasdichten Randbereichs kann die zweite Anbindungsschicht auch über die erste Anbindungsschicht vollständig hinausgezogen sein, sodass sie auf dem Trägersubstrat (bzw. der unmittelbar auf dem Trägersubstrat angeordneten gasdichten keramischen Zwischenschicht) ausläuft. Wie bereits oben erwähnt kann in all diesen Varianten die erste Elektrode als Schichtverbund, d.h. mehrlagig, insbesondere zweilagig ausgeführt sein. In the case of the gas-tight edge region, the second bonding layer can also be pulled out completely beyond the first bonding layer so that it runs out on the carrier substrate (or the gastight ceramic intermediate layer arranged directly on the carrier substrate). As already mentioned above, in all these variants, the first electrode can be designed as a layer composite, that is to say in multiple layers, in particular in two layers.

Bevorzugt ändert sich dabei die Materialzusammensetzung nicht, sondern die einzelnen Schichten des Schichtverbunds der ersten Elektrode unterscheiden sich nur hinsichtlich der mittleren Sinterkorngröße bzw. damit verbunden der Porosität. Der Schichtverbund kann dabei eine Gradierung der Sinterkomgröße aufweisen, wobei die mittlere Sinterkorngröße mit zunehmendem Abstand vom Trägersubstrat von Lage zu Lage abnimmt.  In this case, the material composition preferably does not change, but the individual layers of the layer composite of the first electrode differ only with regard to the mean sintered grain size or, associated therewith, the porosity. In this case, the layer composite can have a gradation of the sintering size, with the mean sintered grain size decreasing from layer to layer as the distance from the carrier substrate increases.

Bevorzugt erstreckt sich im Schichtverbund der ersten Elektrode die  Preferably, in the layer composite of the first electrode extends

nächstfolgende Schicht, die üblicherweise feinkörniger als die unmittelbar darunterliegende Schicht ist, über die jeweils unmittelbar darunterliegende Schicht hinaus, wodurch im Übergangsbereich ein stufenförmiger Übergang mit verbesserten Haftungseigenschaften entsteht. Der stufenförmige Übergang wird durch die darunterliegende und/oder nachfolgende Anbindungsschicht ausgeglichen.  next layer, which is usually finer-grained than the immediately underlying layer, beyond the immediately underlying layer, whereby a step-shaped transition with improved adhesion properties is formed in the transition region. The stepped transition is compensated by the underlying and / or subsequent bonding layer.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Schichtverbund der ersten Elektrode zweilagig aufgebaut. In Ausführungsformen, bei denen die erste Elektrode vor der Anbindungsschicht aufgebracht wird, wird darauf geachtet, dass sich die unterste, vergleichsweise grobkörnige Lage der ersten Elektrode im Wesentlichen bis zur Grenzlinie hin, aber nicht signifikant darüber hinaus erstreckt, während sich die nachfolgende, feinkörnigere Schicht der ersten Elektrode über die unterste Schicht in Richtung gasdichter Oberfläche des Trägersubstrats hinauserstreckt. Die feinkörnigere Lage und nicht die In an advantageous embodiment, the layer composite of the first electrode is constructed in two layers. In embodiments where the first electrode is deposited in front of the tie layer, care is taken that the lowermost, comparatively coarse-grained layer of the first electrode extends substantially to but not significantly beyond the boundary line, while the subsequent, finer-grained layer the first electrode extends beyond the lowermost layer in the direction of the gas-tight surface of the carrier substrate. The finer-grained layer and not the

grobkörnigere Lage hat damit unmittelbar Kontakt mit der gasdichten more coarse-grained layer thus has direct contact with the gas-tight

Oberfläche des Trägersubstrats oder einer etwaigen Zwischenschicht. Surface of the carrier substrate or any intermediate layer.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Further advantages of the invention will become apparent from the following

Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Description of embodiments with reference to the

beigefügten Figuren, bei denen aus Zwecken der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung die Größenverhältnisse nicht immer maßstabgetreu angegeben sind. In den verschiedenen Figuren werden für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. 7 attached figures, in which for purposes of illustrating the present invention, the size ratios are not always given to scale. In the various figures, the same reference numerals are used for matching components. 7

15  15

Von den Figuren zeigen: From the figures show:

Fig. 1 ; eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen  Fig. 1; a schematic cross-sectional view of an inventive

Elektrode-Elektrolyt-Einheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;  Electrode-electrolyte unit according to a first embodiment of the invention;

Fig. 2; eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen  Fig. 2; a schematic cross-sectional view of an inventive

Elektrode-Elektrolyt-Einheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;  Electrode-electrolyte unit according to a second embodiment of the invention;

Fig. 3; eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen  Fig. 3; a schematic cross-sectional view of an inventive

Elektrode-Elektrolyt-Einheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;  Electrode-electrolyte unit according to a third embodiment of the invention;

Fig. 4: eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen  4 shows a schematic cross-sectional view of a device according to the invention

Elektrode-Elektrolyt-Einheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;  Electrode-electrolyte unit according to a fourth embodiment of the invention;

Fig. 5: ein elektrochemisches Modul mit einer Elektroden- Elektrolyt  5 shows an electrochemical module with an electrode electrolyte

Einheit gemäß Fig. 1 in einer Explosionsdarstellung.  Unit according to FIG. 1 in an exploded view.

In Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer ersten In Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a first

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode-Elektrolyt-Einheit (10) dargestellt. Fig. 5 zeigt in einer Explosionsdarstellung ein elektrochemisches Modul (20) in Form einer SOFC, in dem die Elektrode-Elektrolyt-Einheit von Fig. 1 Verwendung findet. Die Schnittebene des in Fig. 1 dargestellten Ausschnitts der Elektrode-Elektrolyt-Einheit erfolgt im Trägersubstrat in Fig. 5 entlang der Linie l-ll (wobei zu beachten ist, dass im elektrochemischen Modul noch eine zweite abschließende Elektrode aufgebracht ist, welche in Fig. 1 nicht  Embodiment of the electrode-electrolyte unit (10) according to the invention shown. Fig. 5 shows an exploded view of an electrochemical module (20) in the form of an SOFC, in which the electrode-electrolyte unit of Fig. 1 is used. The section plane of the section of the electrode-electrolyte unit shown in FIG. 1 takes place in the carrier substrate in FIG. 5 along the line I-II (it should be noted that in the electrochemical module a second terminating electrode is also applied, which is shown in FIG. 1 not

dargestellt ist). is shown).

Das Trägersubstrat (11 ) für die Elektrode-Elektrolyt-Einheit wird gemäß  The support substrate (11) for the electrode-electrolyte unit is according to

WO2014187534 pulvermetallurgisch aus einer Eisen-Chrom Legierung hergestellt, bevorzugt aus einer Fe-Basis Legierung mit Fe >50 Gew. % und 15 bis 35 Gew. % Cr; 0,01 bis 2 Gew. % eines oder mehrerer Elemente der WO2014187534 powder metallurgically produced from an iron-chromium alloy, preferably from an Fe-based alloy with Fe> 50 wt.% And 15 to 35 wt.% Cr; 0.01 to 2% by weight of one or more elements of the

Gruppe Ti, Zr, Hf, n, Y, Sc, Seltenerdmetalle; 0 bis 10 Gew. % Mo und/oder AI; 0 bis 5 Gew. % eines oder mehrerer Metalle der Gruppe i, , Nb, Ta; 0,1 bis 1 Gew. % O; Rest Fe und Verunreinigungen bestehen, wobei zumindest ein Metall der Gruppe Y,Sc, Seltenerdmetalle und zumindest ein Metall der Gruppe Cr, Ti, AI, Mn ein Mischoxid bilden. Es wurde eine Pulverfraktion mit einer Partikelgröße < 50 μπι gewählt, womit die Oberflächenrauhigkeit ausreichend klein gehalten und eine gute Beschichtbarkeit für die nachfolgenden funktionalen Schichten gewährleistet wird. Das Trägersubstrat (1 1 ) ist im Randbereich (12), der einen porösen und gasdurchlässigen zentralen Bereich (13) umrandet, verdichtet. Auf dem porösen zentralen Bereich ( 3) sind die in der Querschnittsansicht in Fig. 1 ersichtlichen chemisch aktiven Schichten angeordnet. Das Verdichten des Randbereichs ist vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich. Das Trägersubstrat (11) wurde im Randbereich auf der zell-zugewandten Seite mittels eines Laserstrahls großflächig oberflächlich aufgeschmolzen. Durch die erstarrte Schmelze wird eine gasdichte Group Ti, Zr, Hf, n, Y, Sc, rare earth metals; 0 to 10 wt.% Mo and / or Al; 0 to 5 wt.% Of one or more metals of the group i,, Nb, Ta; 0.1 to 1% by weight O; Residual Fe and impurities exist, wherein at least one metal of the group Y, Sc, rare earth metals and at least one metal of the group Cr, Ti, Al, Mn form a mixed oxide. It was a powder fraction with a Particle size <50 μπι chosen, whereby the surface roughness kept sufficiently small and good coatability is ensured for the subsequent functional layers. The carrier substrate (1 1) is in the edge region (12), which surrounds a porous and gas-permeable central region (13), compressed. On the porous central region (3), the chemically active layers shown in the cross-sectional view in FIG. 1 are arranged. The compaction of the edge area is advantageous, but not mandatory. The carrier substrate (11) was melted on the cell-facing side in the edge region over a large area by means of a laser beam. Due to the solidified melt is a gas-tight

oberflächliche Barriere (14) gebildet, die sich vom Außenumfang des zentralen Bereichs (13) bis zu der Stelle, an dem das Trägersubstrat (11 ) mittels einer Schweißnaht mit der Kontaktplatte (Interkonnektor) (21) gasdicht verbunden wird, erstreckt. Die gasdurchlässige Oberfläche des zentralen Bereichs (13) des Trägersubstrats wird von der gasundurchlässigen Oberfläche des  superficial barrier (14), which extends from the outer periphery of the central region (13) to the point at which the carrier substrate (11) by means of a weld with the contact plate (interconnector) (21) is connected gas-tight. The gas permeable surface of the central region (13) of the carrier substrate is defined by the gas impermeable surface of the

Randbereichs (12) des Trägersubstrats durch die Grenzlinie ( 9) getrennt. Der umlaufende Randbereich (12) des Trägersubstrats ist an zwei  Edge region (12) of the carrier substrate separated by the boundary line (9). The peripheral edge region (12) of the carrier substrate is connected to two

gegenüberliegenden Seiten vergrößert und weist dort Gasdurchtrittsöffnungen (22) auf, die der Zu- bzw. Abfuhr des Prozessgases dienen.  enlarged opposite sides and has there gas passage openings (22), which serve to supply and discharge of the process gas.

Als erste Schicht ist direkt auf die Oberfläche des metallischen Trägersubstrats im zentralen Bereich (13) und einen benachbarten Teil des Randbereichs (12) eine Diffusionsbarrierschicht (15) aus CGO oder LSM mit bis ca. 2 m Dicke mittels PVD aufgebracht, welche metallische Interdiffusion zwischen dem Trägersubstrat (1 1 ) und der ersten Elektrode (16,16') (im Fall einer SOFC die Anode) blockiert (in dem porösen, zentralen Bereich (13) werden dabei die Poren durch die Diffusionsbarriereschicht (15) nicht geschlossen, so dass weiter eine Gasdurchlässigkeit gegeben ist). Als nächstes folgt die erste Elektrode, die aus zwei Schichten (16, 16') mit unterschiedlicher mittlerer Sinterkorngröße und Porosität besteht. Die mittlere Sinterkorngröße bzw. As a first layer, a diffusion barrier layer (15) of CGO or LSM with a thickness of up to about 2 m is applied directly to the surface of the metallic carrier substrate in the central area (13) and an adjacent part of the edge area (12) by means of PVD, which interdiffuses metal between the carrier substrate (1 1) and the first electrode (16,16 ') (in the case of an SOFC, the anode) blocked (in the porous central region (13) while the pores are not closed by the diffusion barrier layer (15), so that further gas permeability is given). Next follows the first electrode, which consists of two layers (16, 16 ') with different average sintered grain size and porosity. The mean sintered grain size or

Porengröße nimmt ausgehend vom grobkörnigen Metallsubstrat mit jeder Elektrodenschicht ab. Die Herstellung der ersten Elektrode erfolgt schichtweise, indem jeweils für eine Schicht eine geeignete Paste mittels Siebdruck aufgedruckt und die Anordnung anschließend in reduzierender Wasserstoff- Atmosphäre bei Temperaturen über 1000°C gesintert wird. Der gradierte Aoifbau kann natürlich durch Verwendung von mehr als die dargestellten zwei Schichten verfeinert werden. Als Material für die Elektrodenschichten wird ein Cermet aus Nickel und mit Yttriumoxid vollstabilisiertem Zirkoniumdioxid (Ni/8YSZ) gewählt. Die unterste Schicht (16) der ersten Elektrode überdeckt den gesamten porösen zentralen Bereich (13) des Trägersubstrats (11) bis hin zur Grenzlinie (19) (abgesehen von einem herstellungsbedingt gegebenenfalls auftretenden kleinen Spalt), erstreckt sich aber nicht signifikant darüber hinaus. Nur die nachfolgende, feinkörnigere Schicht (16'), die aufgrund ihrer Pore size decreases starting from the coarse-grained metal substrate with each electrode layer. The first electrode is produced in layers by printing a suitable paste for each layer by means of screen printing and then sintering the arrangement in a reducing hydrogen atmosphere at temperatures above 1000 ° C. The graduated Aoifbau can of course be refined by using more than the illustrated two layers. The material used for the electrode layers is a cermet of nickel and yttria fully stabilized zirconia (Ni / 8YSZ). The lowermost layer (16) of the first electrode covers the entire porous central region (13) of the carrier substrate (11) as far as the boundary line (19) (apart from a small gap which possibly occurs due to the production), but does not extend significantly beyond that. Only the subsequent, finer-grained layer (16 '), due to their

feinkörnigeren Struktur eine bessere Haftung als die unterste Schicht (16) hat, wird über die unterste Schicht (16) und die Grenzlinie ( 9) hinausgezogen und ist in stoffschlüssigem Kontakt mit der Diffusionsbarriereschicht (15). Als nachfolgende Schicht wird im Übergangsbereich des gasdichten Randbereichs (12) eine poröse keramische Anbindungsschicht (17) aus 8YSZ oder CGO nasschemisch durch Aufpinseln einer entsprechenden Pulversuspension, beispielsweise unter Hinzugabe von Dispergiermittel, Lösungsmittel (z.B. BCA [2-(2-Butoxyethoxy)-ethyl]-acetat, erhältlich von Merck KGaA Darmstadt) und Binder, aufgebracht, und anschließend bei ca. 1000°C bis 1300°C unter Wasserstoff-Atmosphäre gesintert. Es wurde ein feinkörniges Pulver mit einem d80-Wert von ca. 2 pm (und mit einem d50-Wert von ca. 1 pm) verwendet und eine mittlere Porengröße im Bereich von 0,2 pm bis einschließlich 1 pm eingestellt Für eine noch bessere Haftung kann zu diesem Pulver ein noch feineres Pulver dazu gemischt werden. Die feinkörnige Anbindungsschicht (17) hilft, mäanderförmige Unregelmäßigkeiten auf der ansonsten lokal glatten Trägersubstratoberfläche, hervorgerufen durch die Laserführung beim  more fine-grained structure has better adhesion than the lowermost layer (16), is pulled out beyond the lowermost layer (16) and the boundary line (9) and is in material contact with the diffusion barrier layer (15). As a subsequent layer, a porous ceramic bonding layer (17) of 8YSZ or CGO wet-chemically by brushing a corresponding powder suspension, for example, with addition of dispersant, solvent (eg BCA [2- (2-butoxyethoxy) ethyl] in the transition region of the gas-tight edge region (12) ] acetate, available from Merck KGaA Darmstadt) and binder, and then sintered at about 1000 ° C to 1300 ° C under a hydrogen atmosphere. It was used a fine-grained powder with a d80 value of about 2 pm (and with a d50 value of about 1 pm) and an average pore size ranging from 0.2 pm to 1 pm inclusive For even better adhesion For this powder an even finer powder can be mixed. The fine-grained bonding layer (17) helps meandering irregularities on the otherwise locally smooth carrier substrate surface, caused by the laser guide during

Aufschmelzprozess, und scharfkantige Übergänge bei der ersten Elektrode auszugleichen und einen gleichmäßige Unterlage mit sanfteren Übergängen für die dünne Elektrolytschicht (18) bereitzustellen. Die Anbindungsschicht ( 7) erstreckt sich über die erste Elektrode hinaus und läuft in Richtung Rand des Trägersubstrats (11) aus. Im Bereich der Elektrode kann sie aufgrund der Porosität der ersten Elektrode diese mehr oder weniger stark infiltrieren und die Poren der obersten Elektrodenschicht etwas auffüllen. Dieses Eindringen in die Poren kann im betreffenden Bereich die Haftung und Abdichtung durch den Elektrolyten (18) zusätzlich erleichtern. Die Anbindungsschicht (17) hat auf der einen Seite unmittelbaren Kontakt mit der nachfolgenden Elektrolytschicht (18), auf der anderen Seite unmittelbar Kontakt mit der keramischen Smoothing process, and to compensate for sharp-edged transitions in the first electrode and provide a uniform substrate with smoother transitions for the thin electrolyte layer (18). The bonding layer (7) extends beyond the first electrode and runs out in the direction of the edge of the carrier substrate (11). Due to the porosity of the first electrode, it can infiltrate it more or less strongly in the region of the electrode and fill up the pores of the uppermost electrode layer somewhat. This penetration into the pores can additionally facilitate the adhesion and sealing by the electrolyte (18) in the relevant area. The bonding layer (17) has direct contact with the subsequent electrolyte layer (18) on one side, on the other hand, immediately contact with the ceramic

DifTusionsbarriereschicht (15) und im vorliegenden Beispiel, bei dem die Diffusionsbarriereschicht unter Verwendung von Beschichtungsmasken aufgebracht ist und sich nicht über das gesamte Trägersubstrat erstreckt, auch Kontakt mit der Oberfläche des metallischen Trägersubstrats. Die  DifTusionbarriereschicht (15) and in the present example, in which the diffusion barrier layer is applied using coating masks and does not extend over the entire carrier substrate, also in contact with the surface of the metallic carrier substrate. The

ElektroJytschicht (18) wird mittels PVD aufgebracht, hat eine Dicke kleiner als 5 \im und besteht aus 8YSZ. Sie bewerkstelligt eine gasdichte Trennung der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode. Die zweite Elektrode (im Fall einer SOFC die Kathode) wird ebenfalls mittels Siebdruck auf den Elektrolyten (18) aufgebracht und liegt der ersten Elektrode gegenüber (die zweite Elektrode ist in Fig. 1 nicht dargestellt).  ElectroJyt layer (18) is applied by PVD, has a thickness of less than 5 \ im and consists of 8YSZ. It accomplishes a gas-tight separation of the first electrode from the second electrode. The second electrode (in the case of an SOFC the cathode) is also screen-printed on the electrolyte (18) and faces the first electrode (the second electrode is not shown in Fig. 1).

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der  The embodiment shown in Fig. 2 differs from the

Ausführungsform in Fig. 1 in der Reihenfolge des Aufbringens der ersten Elektrode und Anbindungsschicht. Bei dieser Variante ist eine keramische poröse Anbindungsschicht (17') aus 8YSZ oder CGO direkt auf dem mit der Diffusionsbarriere beschichteten Trägersubstrat ( 1) angeordnet, die Schichten der ersten Elektrode (16,16') folgen danach und laufen an bzw. auf der  Embodiment in Fig. 1 in the order of application of the first electrode and bonding layer. In this variant, a ceramic porous bonding layer (17 ') of 8YSZ or CGO is arranged directly on the diffusion barrier-coated carrier substrate (1), the layers of the first electrode (16, 16') follow and run on or on the

Anbindungsschicht (17') aus. Die Anbindungsschicht (17') ragt etwas über den Randbereich (12) in den zentralen Bereich (13) des Trägersubstrats (11 ) hinein. Da in diesem nicht verpressten zentralen Bereich (13) das Trägersubstrat (1 1) verhältnismäßig große Poren hat, sickert die poröse Anbindungsschicht (17') in die Poren des Trägersubstrats (11) ein.  Connection layer (17 ') off. The bonding layer (17 ') protrudes slightly beyond the edge region (12) into the central region (13) of the carrier substrate (11). Since the carrier substrate (11) has relatively large pores in this non-compressed central region (13), the porous attachment layer (17 ') infiltrates into the pores of the carrier substrate (11).

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform mit zwei Anbindungsschichten (17, 17'), eine erste (17'), die analog zur Variante in Fig. 2 direkt auf dem mit der  Fig. 3 shows a third embodiment with two bonding layers (17, 17 '), a first (17'), analogous to the variant in Fig. 2 directly on the with the

Diffusionsbarriere (15) beschichteten Trägersubstrat (1 ) angeordnet ist, und eine zweite Anbindungsschicht (17), die analog zur Variante in Fig. 1 nach der ersten Elektrode (16, 16') aufgebracht wird. Die zweite Anbindungsschicht (17) kann in Richtung zentraler Bereich ausgedehnt werden und sich über die gesamte erste Elektrode (16, 16') erstrecken. Die zweite Anbindungsschicht (17) bewirkt sowohl eine Glättung im Übergangsbereich als auch eine Reduktion der Oberflächen rauigkeit der ersten Elektrode, wodurch die Dicke der  Diffusion barrier (15) coated carrier substrate (1) is arranged, and a second bonding layer (17), which is applied analogously to the variant in Fig. 1 after the first electrode (16, 16 '). The second bonding layer (17) can be expanded in the direction of the central region and extend over the entire first electrode (16, 16 '). The second bonding layer (17) causes both a smoothing in the transition region and a reduction of the surface roughness of the first electrode, whereby the thickness of the

Elektrolytschicht (18) verringert werden kann. Electrolyte layer (18) can be reduced.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrode-Elektrolyt-Einheit (10"'), bei der das Trägersubstrat (1 1 ) aus zwei ursprünglich getrennten Bauteilen 0017 Fig. 4 shows an embodiment of an electrode-electrolyte unit (10 "'), wherein the carrier substrate (1 1) of two originally separate components 0017

19 gefertigt ist, einem metallischen, pulvermetallurgisch hergestellten porösen Substratteil (13), welches mit einem umlaufenden gasdichten Rahmenblech (12) verschweißt ist. Die Herausforderung bei der Abdichtung liegt in diesem Beispiel vor allem bei der verhältnismäßig tief ausgeprägten und scharfkantigen Schweißnaht. Das poröse Substratteil ist analog zu den vorangehenden  19, a metallic powder-metallurgically produced porous substrate part (13), which is welded to a circumferential gas-tight frame plate (12). The challenge with the seal lies in this example, especially in the relatively deep and sharp-edged weld. The porous substrate part is analogous to the preceding one

Beispielen aus einer Eisen-Chrom-Legierung. In diesem Fall erfolgte die Examples of an iron-chromium alloy. In this case, the

Beschichtung mit der Diffusionsbarriereschicht (15) unmaskiert. Es werden analog zum Ausführungsbeispiel von Fig. 3 zwei Anbindungsschichten ( 7,17') verwendet. Auch Varianten mit einer Anbindungsschicht wie in Fig. 1 oder Fig. 2 sind denkbar. Wird die erste Elektrode (16, 16') vor einer Anbindungsschicht aufgetragen, so soll darauf geachtet werden, dass sich zumindest die unterste, vergleichsweise grobkörnige Schicht der ersten Elektrode keinen Unmasked with the diffusion barrier layer (15). Analogously to the exemplary embodiment of FIG. 3, two connection layers (7, 17 ') are used. Variants with a connection layer as in FIG. 1 or FIG. 2 are also conceivable. If the first electrode (16, 16 ') is applied in front of a bonding layer, care should be taken that at least the lowermost, comparatively coarse-grained layer of the first electrode does not exist

stoffschlüssigen Kontakt mit der Schweißnahtkerbe hat, sondern die lokal glatte Schweißnaht zwecks besserer Haftung unmittelbar mit feinkörnigeren Schichten wie der Anbindungsschicht oder nachfolgenden feinkörnigeren Schichten der ersten Elektrode überdeckt wird. cohesive contact with the weld notch has, but the locally smooth weld for better adhesion directly with finer-grained layers such as the bonding layer or subsequent fine-grained layers of the first electrode is covered.

Claims

2018/191765 2018/191765 20 PCT/AT2018/000017  20 PCT / AT2018 / 000017 Ansprüche claims Elektrode-Elektrolyt-Einheit (10, 10', 10", 10"') für ein metallgestütztes elektrochemisches Modul (20), insbesondere für eine Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC), aufweisend: Electrode-electrolyte unit (10, 10 ', 10 ", 10"') for a metal-based electrochemical module (20), in particular for a solid oxide fuel cell (SOFC), comprising: ein metallisches Trägersubstrat (11) mit einen porösen, gasdurchlässigen zentralen Bereich (13) und einen mit dem zentralen Bereich entlang eines Randabschnittes desselben stoffschlüssig verbundenen, zumindest oberflächlich auf der zell-zugewandten Seite gasdichten Randbereich (12), wobei die gasdurchlässige Oberfläche des porösen zentralen Bereichs (13) von der gasdichten Oberfläche des Randbereichs (12) durch eine Grenzlinie ( 9) getrennt ist,  a metallic carrier substrate (11) having a porous gas-permeable central region (13) and a peripheral region (12) which is bonded to the central region along an edge section of the same, at least superficially on the cell-facing side, wherein the gas-permeable surface of the porous central Region (13) is separated from the gas-tight surface of the edge region (12) by a boundary line (9), mindestens eine auf dem porösen zentralen Bereich des Trägersubstrats ausgebildete poröse, gasdurchlässige erste Elektrode (16,16'),  at least one porous, gas-permeable first electrode (16, 16 ') formed on the porous central region of the carrier substrate, mindestens eine keramische, auf der ersten Elektrode (16, 16')  at least one ceramic, on the first electrode (16, 16 ') ausgebildete gasdichte Elektrolytschicht (18), die sich über die erste Elektrode hinaus in Richtung Randbereich erstreckt und mit dem  formed gas-tight electrolyte layer (18) extending beyond the first electrode in the direction of the edge region and with the gasdichten Randbereich gasdicht abschließt,  gas-tight edge area gas-tight, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägersubstrat (1 1 ) und  characterized in that between the carrier substrate (1 1) and Elektrolytschicht (18) zumindest entlang eines Teilabschnittes der gesamten Verbindungslänge der Grenzlinie mindestens eine poröse, keramische Anbindungsschicht (17,17') ausgebildet ist, die sich zumindest über einen an die Grenzlinie angrenzenden Abschnitt des Randbereichs /12) erstreckt.  Electrolyte layer (18) at least along a portion of the entire connection length of the boundary line at least one porous, ceramic bonding layer (17,17 ') is formed, which extends at least over a bordering on the borderline portion of the edge region / 12). Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17,17') eine kleinere, mittlere Porengröße als die erste Elektrode (16,16') aufweist. Electrode-electrolyte unit according to claim 1, characterized in that the bonding layer (17,17 ') has a smaller average pore size than the first electrode (16,16'). Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Anbindungsschicht (17,17') eine gesinterte keramische Schicht ist. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 17 ') is a sintered ceramic layer. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anbindungsschicht (17,17') ausgehend von der Grenzlinie (19) in Richtung des Randbereichs (12) über eine maximale Länge von bis zu einschließlich 3 cm erstreckt. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 17 ') extending from the boundary line (19) towards the edge region (12) over a maximum length of up to and including 3 cm. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anbindungsschicht (17, 7') ausgehend von der Grenzlinie (19) in Richtung des zentralen Bereichs (13) des Trägersubstrats (11) über eine maximale Länge von bis zu einschließlich 1 cm erstreckt. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (12) des Trägersubstrats (1 1 ) unmittelbar auf dem Trägersubstrat (11) mindestens eine gasdichte keramische Zwischenschicht ( 5) angeordnet ist und die poröse, keramische Anbindungsschicht (17,17') zwischen der gasdichten keramischen Zwischenschicht (15) und der Elektrolytschicht (18) ausgebildet ist. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 7 '), starting from the boundary line (19) in the direction of the central region (13) of the carrier substrate (11) over a maximum length of up to including 1 cm extends. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that in the edge region (12) of the carrier substrate (1 1) directly on the carrier substrate (11) at least one gas-tight ceramic intermediate layer (5) is arranged and the porous, ceramic bonding layer ( 17,17 ') between the gas-tight ceramic intermediate layer (15) and the electrolyte layer (18) is formed. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17,17') zumindest in einem Teilabschnitt des Randbereichs unmittelbaren Kontakt sowohl mit der Elektrolytschicht (18) als auch mit der Oberfläche des Trägersubstrats (1 1) bzw. mit der gasdichten keramischen Zwischenschicht ( 5) hat. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17,17 ') at least in a portion of the edge region direct contact both with the electrolyte layer (18) and with the surface of the carrier substrate (1 1) or with the gastight ceramic intermediate layer (5). Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17') unmittelbar auf dem Trägersubstrat ( ) (bzw. einer darauf angeordneten gasdichten keramischen Zwischenschicht (15)) angeordnet ist und die erste Elektrode (16,16') auf und/oder an der Anbindungsschicht (17') ausläuft. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17 ') directly on the carrier substrate () (or arranged thereon a gas-tight ceramic intermediate layer (15)) is arranged and the first electrode (16,16 ') on and / or on the bonding layer (17') expires. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17) auf oder an der ersten Elektrode (16,16") ausläuft. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (16,16') mehrlagig ausgebildet ist und sich jeweils eine unmittelbar nachfolgende Electrode-electrolyte unit according to one of claims 1 to 7, characterized in that the bonding layer (17) terminates on or at the first electrode (16, 16 "). Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (16,16 ') is formed in multiple layers and each one immediately following Elektrodenschicht (16') über die darunter liegende Elektrodenschicht (16) hinaus erstreckt.  Electrode layer (16 ') beyond the underlying electrode layer (16) also extends. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterste Schicht der ersten Elektrode (16) in Richtung des Randbereichs auf der Oberfläche des zentralen Bereichs des Trägersubstrats mindestens bis zu einem Abstand von 2 mm bis zur Grenzlinie (19) hin erstreckt. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the lowest layer of the first electrode (16) in the direction of the edge region on the surface of the central region of the carrier substrate at least up to a distance of 2 mm to the boundary line (19 ) extends. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterste Schicht der ersten Elektrode (16) in Richtung des Randbereichs auf der gasdichten Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the lowest layer of the first electrode (16) in the direction of the edge region on the gas-tight Oberfläche des Randbereichs höchstens über einen Abstand von 5 mm über die Grenzlinie (19) hinaus erstreckt.  Surface of the edge region at most over a distance of 5 mm beyond the boundary line (19) extends beyond. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17, 17') aus demselben Material besteht wie die Elektrolytschicht (18). Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 17 ') consists of the same material as the electrolyte layer (18). Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17,17') und/oder Elektrolytschicht (18) aus dotiertem Zirkoniumoxid besteht, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der Dotierungselemente aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca, Mg enthält. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 17 ') and / or electrolyte layer (18) consists of doped zirconium oxide, wherein the doping comprises at least one oxide of the doping elements from the group Y, Sc, AI, Sr, Ca, Mg contains. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungsschicht (17,17') und/oder Elektrolytschicht (18) aus dotiertem Ceroxid besteht, wobei die Dotierung mindestens ein Oxid der Dotierungselemente aus der Gruppe der Selten- Erd-Elemente wie Gd, Sm und/oder aus der Gruppe Y, Sc, AI, Sr, Ca enthält. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer (17, 17 ') and / or electrolyte layer (18) consists of doped cerium oxide, wherein the doping comprises at least one oxide of the doping elements from the group of the rare earth metals. Earth elements such as Gd, Sm and / or from the group Y, Sc, Al, Sr, Ca contains. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (16,16') aus einem Cermet aufgebaut ist, insbesondere aus einem Cermet aus Ni und YSZ oder aus Ni und CGO. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first electrode (16, 16 ') is constructed of a cermet, in particular of a cermet of Ni and YSZ or of Ni and CGO. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1 ) aus einer Eisen- Chrom Legierung hergestellt ist. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier substrate (1) is made of an iron-chromium alloy. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (12) des Trägersubstrats (11) als umlaufendes Rahmenblech ausgebildet ist und stoffschlüssig mittels einer Schweiß, Löt- oder Klebeverbindung mit dem zentralen Bereich (13) des Trägersubstrats (11) verbunden ist. Electrode-electrolyte unit according to one of the preceding claims, characterized in that the edge region (12) of the carrier substrate (11) is formed as a circumferential frame plate and cohesively by means of a welding, soldering or adhesive bond with the central region (13) of the carrier substrate ( 11) is connected. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (12) und der zentrale Bereich (13) pulvermetallurgisch hergestellt und integral ausgebildet sind. Electrode-electrolyte unit according to one of claims 1 to 17, characterized in that the edge region (12) and the central region (13) are produced by powder metallurgy and formed integrally. 20. Elektrode-Elektrolyt-Einheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (12) an der Zell-zugewandten Seite durch oberflächliches Aufschmelzen gasdicht gemacht ist. 20 electrode-electrolyte unit according to claim 19, characterized in that the edge region (12) on the cell-facing side is made gas-tight by superficial melting. 21. Elektrochemisches Modul (20), insbesonders eine SOFC, aufweisend eine Elektrode-Elektrolyt-Einheit (10, 10', 10", 10'") nach einem der 21. Electrochemical module (20), in particular a SOFC, comprising an electrode-electrolyte unit (10, 10 ', 10 ", 10'") according to one of vorangehenden Ansprüche.  preceding claims.
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