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WO2021198137A1 - Method for producing a gas- and/or electron-conducting structure and fuel/electrolysis cell - Google Patents

Method for producing a gas- and/or electron-conducting structure and fuel/electrolysis cell Download PDF

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Publication number
WO2021198137A1
WO2021198137A1 PCT/EP2021/058084 EP2021058084W WO2021198137A1 WO 2021198137 A1 WO2021198137 A1 WO 2021198137A1 EP 2021058084 W EP2021058084 W EP 2021058084W WO 2021198137 A1 WO2021198137 A1 WO 2021198137A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
fuel cell
electron conduction
conduction structure
interconnector
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2021/058084
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German (de)
French (fr)
Inventor
David UDOMSILP
Norbert H. Menzler
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.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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 Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of WO2021198137A1 publication Critical patent/WO2021198137A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a gas and / or electronic line structure for a fuel cell or electrolytic cell, a method for producing a fuel cell or electrolytic cell, a method for producing a fuel cell stack, a gas and / or electronic line structure for a fuel cell or electrolytic cell, a Fuel cell or electrolysis cell and a fuel cell stack.
  • Fuel cells are a promising way of generating electrical energy that does not require the direct emission of potentially harmful reaction products. Fuels for fuel cells, especially hydrogen, can be produced from excess electrical energy in times of current peaks, e.g. by means of electrolysis cells and stored for later use. Fuel cells are one option for emission-free drives for future climate-friendly mobility. In addition, there are already a large number of possible applications for fuel cells, such as for off-grid power supply for buildings and facilities. Since electrolysis cells, which are used, for example, to produce fuel for fuel cells, have a comparable (for example in the low temperature range such as alkaline or polymer electrolyte membrane electrolysers), e.g. In some cases, they even have an analog structure (e.g. solid oxide electrolysis cells in the high temperature range) like fuel cells, some developments in fuel cells can be directly transferred to electrolysis cells.
  • electrolysis cells which are used, for example, to produce fuel for fuel cells, have a comparable (for example in the low temperature range such as alkaline or polymer electrolyte
  • a single fuel / electrolysis cell does not provide sufficient electrical voltage for many practical applications, several cells are usually connected in series.
  • the cathode of a first fuel cell is connected in an electrically conductive manner to the anode of a second fuel cell and the cathode of the second fuel cell, if necessary, is in turn connected to the anode of a third fuel cell.
  • the anode in fuel cell operation can also be referred to as the fuel gas or fuel electrode and the cathode as the air electrode, whereas this in the Electrolysis operation is reversed.
  • a series connection of several fuel cells can be implemented as a stack or fuel cell stack in which the individual fuel cells are stacked on top of or next to one another.
  • the individual components are also stacked in layers within the fuel cell.
  • the external electrodes of the external fuel cells are then used to derive the electrical current.
  • Interconnectors are arranged between adjacent electrodes for mechanical and electrical connection. These contain gas line structures in order to transport the respective gas or gas mixture to each electrode or to discharge the gas or gas mixture that is formed.
  • interconnectors are electrically conductive, so they also serve as an electron conduction structure in order to ensure the electrical contacting of the electrodes adjacent to them.
  • the electrodes themselves can have gas and / or electron conduction structures.
  • EP 2 859 608 B1 describes a gas distribution element made from formed sheet metal for a fuel cell, which is made up of several layers and has a contact surface perforated by openings Having contacting the fuel cell.
  • EP 3 087 632 B1 discloses an interconnector with structures for distributing gas and means for adjusting a flow rate.
  • GB 2 420 440 A describes a layer of a fuel cell stack which has a metal sheet with porous areas and gas distribution channels formed on at least one side of the sheet.
  • WO 2015/144 970 A1 describes a fuel cell stack with several plates for conducting gas, a sealing arrangement and a gas-permeable contact structure.
  • the gas and / or electron conduction structures of conventional interconnectors are produced by reshaping, such as stamping sheet metal parts, which occurs in particular when using thin sheet metal. Due to the high tool costs, this is expensive and not very flexible. Alternatively, when using thicker sheet metal, gas ducts are produced using machining processes such as milling. This is tedious and therefore also expensive.
  • the powder-metallurgical production of interconnectors is also known, which is also associated with significant costs.
  • the interconnectors described are also largely complex to manufacture.
  • the conventional interconnectors also have the disadvantage that they do not contact the electrode in the gas-conducting areas and thus do not allow electrical contact, which has to be compensated for by electrical cross-conduction, and on the other hand, do not allow gas to pass through in the areas contacting the electrode, which is compensated by gas diffusion must become. This means that the full capacity of the cells cannot be used, since there is an under-supply of gas in some areas and increased ohmic resistances in some areas.
  • a fuel cell 20 known from the prior art is shown schematically in FIG.
  • This fuel cell also referred to as a repeating unit, is intended to be arranged many times on top of one another in a fuel cell stack, also referred to as a stack. It comprises two electrodes 40, namely a cathode 41, also referred to as an air electrode, and an anode 42, also referred to as a fuel gas electrode. These are arranged on opposite sides of an electrolyte 64 and together with it form the basis of the fuel cell 20.
  • anode 42 is the anode substrate 62, on which in turn a network structure 60 is arranged.
  • the latter is used to make electrical contact with the anode 42 and to conduct the fuel gas to the anode 42.
  • the interconnector 44 which in the embodiment shown here is produced by milling a comparatively thick sheet metal, is used to make electrical contact with the cathode 41 and to conduct air to the cathode 41. By means of milling, flow channels 14 were produced on the above-illustrated side of the interconnector 44 in order to produce a gas and / or electron conduction structure 10 for the supply of air.
  • a protective layer 51 was then applied.
  • a contact layer 52 was applied to the cathode 41.
  • the area of the interconnector shown below is used when several fuel cells 20 are stacked one on top of the other, i.e. when a further fuel cell 20 is arranged directly below the fuel cell 20 shown, to seal between the air side of a fuel cell 20 and the fuel side of the fuel cell 20 below the interconnector 44 is the fluidic connection between the flow channels 14 for air and the network structure 60 for fuel gas.
  • the fuel cell 20 shown here is expensive due to the elaborately manufactured interconnector 44 and requires a large amount of space.
  • Electrolysis cells use the reverse process with basically the same structure as that of the fuel cell.
  • the reaction is forced to proceed in the opposite direction by applying an electric current.
  • electrical energy is stored in chemical form, e.g. as hydrogen, and can later be converted back into electricity or used for other chemical processes.
  • Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
  • the object is achieved by a method for producing a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, in which material is applied to at least one area of a surface to form the gas and / or electron conduction structure.
  • the method according to the invention is simple and inexpensive in comparison to the methods known from the prior art, since no shaping and no cutting method are necessary.
  • a wide variety of materials can be applied and thus used to produce the gas and / or electron conduction structure.
  • the provision of the material forming the surface or the material separating the two gas spaces is also particularly advantageous as a result of the invention, since a simple and inexpensive flat or flat component can be used for this.
  • the method according to the invention can be used for any desired stack design.
  • the application of the material serves to form the gas and / or electron conduction structure.
  • the formation of the gas and / or electron conduction structure means the production or formation of that three-dimensional structure which is used in the fuel cell or electrolysis cell of the gas line and / or the electron line, in particular for the purpose of making electrical contact.
  • the applied material forms the gas and / or electron conduction structure on the surface.
  • a pure coating of an already existing three-dimensional structure is therefore not a method according to the invention, since no gas and / or electron conduction structure is produced here.
  • a gas line structure is a three-dimensional structure for supplying or discharging gas or gas mixture to or from an electrode of a fuel cell or Electrolytic cell.
  • the gas and / or electron conduction structure is at least partially gas-permeable. It can also be designed as a gas distribution structure. In some areas it can be suitable for guiding or redirecting a gas flow. A particularly high gas permeability of the gas line structure is desirable.
  • the gas line structure produced with the method according to the invention is used in particular to supply fuel or oxidizing agent to an electrode and / or to discharge reaction product from an electrode. In the fuel cell or electrolysis cell, it is typically arranged on the side of the electrode facing away from the electrolyte.
  • An electron conductive structure is an electrically conductive structure.
  • it is used to make electrical contact with electrodes of a fuel or electrolysis cell, for example in a fuel cell stack. It can be used for the electrical connection of an anode of a first fuel cell and a cathode adjacent to the anode of a second fuel cell adjacent to the first fuel cell in a fuel cell stack.
  • Application means applying material to a surface.
  • the surface of a component is meant.
  • the material is a shapeless material.
  • the material is a liquid, pasty or powdery material or granulate.
  • the application of the material can be an archetype process.
  • the method comprises at least one further step in order to produce the gas and / or electron conduction structure, such as, for example, solidifying the material.
  • the applied material is firmly connected to the surface or to the component forming the surface.
  • it can also be present separately, for example in the case of an extruded material which is applied to the surface during assembly by inserting it.
  • the material can be, for example, lanthanum-strontium-cobalt-ferrite, also referred to as LSCF. It can be a material called LCC10. This is a Co- and Cu-doped La-Mn perovskite material. Lanthanum strontium manganate, LSM, or lanthanum strontium cobaltite, LSC, can also be used.
  • any electrode material can be used, such as B. perovskites, spinels, fluorites, Ruddlesden-Popper phases, Brownmillerites and the like, as they are also used as air electrode material in a fuel cell or electrolytic cell.
  • a fuel cell comprises two electrodes that are separated from one another by an electrolyte.
  • the electrolyte is permeable to ions and can be configured as a liquid or solid. It can be designed as a membrane.
  • the cathode is supplied with an oxidizing agent, for example an oxygen-containing gas or gas mixture.
  • the anode is supplied with the fuel, for example hydrogen, natural gas or methanol.
  • An electrical voltage is generated between the electrodes through an electrochemical reaction.
  • the fuel cell is, in particular, a solid oxide fuel cell (SOFC), a high-temperature fuel cell whose electrolyte is designed as a ceramic solid.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the method according to the invention is used to produce a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell, which is provided for use in a fuel cell stack.
  • the task arises of providing gas and / or electron conduction structures for supplying fuel and oxygen and for removing reaction products between the individual fuel cells arranged in series.
  • the gas and / or electron conduction structure can also be produced for an electrolysis cell, also referred to as an electrolysis cell. It can be, for example, a solid oxide electrolysis cell (English: “solid oxide electrolyzer cell”, SOEC), ie a solid oxide fuel cell that can be operated in reverse mode. Everything that has been said in relation to a fuel cell according to the invention, including all process steps for producing the fuel cell and all parts thereof, applies accordingly to an electrolysis cell and vice versa.
  • SOEC solid oxide electrolyzer cell
  • the gas and / or electron conduction structure is produced in such a way that at least one straight channel and in particular a plurality of straight channels arranged in parallel to the gas line are generated.
  • a straight channel can run parallel to the direction of flow or at any angle to the direction of flow.
  • a curved or winding channel can be created.
  • a web with a width between 0.1 mm and 10 mm, in particular between 0.3 mm, is used as part of a gas and / or electron conduction structure and 5 mm and preferably between 1 mm and 3 mm.
  • material is applied in a layer thickness between 1 pm and 5 mm, in particular between 10 pm and 1 mm and preferably between 50 pm and 200 pm. This can be repeated as often as desired in order to produce the gas and / or electron conduction structure at the desired height.
  • the gas and / or electron conduction structure can also be produced by just a single application of material, for example in the order of magnitude mentioned.
  • the layer thickness is measured perpendicular to the surface.
  • the material is an electrically conductive material, in particular a metallic or ceramic material, so that the gas and / or electron conduction structure is set up to make electrical contact with an electrode.
  • the electrical contacting of an electrode is used for the electrical connection of an electrode to a line element or the electrical contacting of two adjacent electrodes in a fuel cell stack.
  • the electrode is thus an electrode of the fuel cell or an electrode of an adjacent fuel cell in a fuel cell stack.
  • the gas and / or electron conduction structure that is produced is used, in addition to the gas conduit, for the electrical connection of two adjacent electrodes. It can thus be referred to as a gas and electron conduction structure or as a gas conduction and contact structure.
  • the gas and / or electron conduction structure is thus located between two electrodes of adjacent fuel cells, more precisely between an electrode and the interconnector, which in turn is an anode of a first fuel cell and a Cathode of a second fuel cell separates from each other.
  • a metallic material is a material that has metallic properties.
  • it comprises at least one metal in elemental form and / or as an alloy or intermetallic phase. This has the advantage of being similar in species the component forming the surface, for example the interconnector preliminary stage.
  • the electrically conductive material can also be an electrically conductive ceramic material. In particular, an oxide ceramic is used.
  • This refinement has the advantage that the method is particularly simple and inexpensive, since no additional components for electrical contacting are necessary in addition to the gas and / or electron conduction structure.
  • the gas and / or electron conduction structure is produced in such a way that at least one flow channel remains between areas of applied material.
  • a flow channel is an area of a gas and / or electron conduction structure, in particular a channel free of applied material, in which a gaseous medium can circulate unhindered.
  • the flow channel is arranged in such a way that it is delimited by applied material on at least two sides, in particular opposite sides, of the flow channel.
  • Material applied between areas means that there is at least one straight line on which a flow channel, that is to say an area free from the material, as well as material applied on both sides of this respective area, lie.
  • the flow channel has a width between 0.1 mm and 20 mm, in particular between 0.5 mm and 10 mm and preferably between 1 mm and 5 mm. The width of the flow channel is measured parallel to the surface.
  • the material is applied in the form of elongated elements such as, for example, webs, between which no material is applied.
  • a flow channel is not restricted in terms of its spatial extent, but in one embodiment it can have a longitudinal extent which is at least a factor of 5, in particular a factor of 10, greater than at least one and in particular both transverse extents oriented perpendicular to the longitudinal extent.
  • At least a region of the surface remains free of the material for the purpose of forming a flow channel.
  • Material is only applied to certain areas of the surface and other areas of the surface remain free of the material. In particular, a large number of areas of the surface remain free of the material for the purpose of forming flow channels.
  • the material is applied to a surface of a flat component, in particular a sheet metal part.
  • a flat component is a component which has a significantly smaller extent in a first direction of extent than in two directions of extent that are perpendicular to the first direction of extent and perpendicular to one another.
  • a flat component is meant.
  • the flat component can be a sheet metal part.
  • the surface is a flat surface.
  • the second surface of the flat component opposite the surface is also a flat surface.
  • the electrode and / or an interconnector preliminary stage can thus be designed as a flat sheet metal, which considerably simplifies production and coating and considerably reduces costs.
  • a particularly flat and thus space-saving design of a fuel cell or electrolysis cell can be implemented.
  • the material is applied by means of a printing process, in particular by means of screen printing, pad printing or a 3D printing process.
  • the material is printed onto the surface with a squeegee through an object called a screen and having openings.
  • the sieve is in particular a fine-meshed fabric.
  • 3D screen printing is possible, in which the material is applied in layers by means of screen printing.
  • the paste to be applied comprises, for example, a metallic or ceramic powder, a solvent and possibly a binder.
  • the binder can go out the printed material are burned out, so that a porous material remains after a temperature treatment such as a heat treatment or sintering.
  • the material is applied to the surface by means of an elastic pad, in particular made of silicone rubber.
  • the transfer of the material can be done by pressing it in different thicknesses.
  • 3D printing also known as additive manufacturing
  • the material is applied layer by layer to create a three-dimensional structure.
  • the applied material can be solidified or hardened by means of physical and / or chemical processes.
  • different 3D printing processes are possible, such as laser beam melting, electron beam melting, laser sintering, 3D screen printing or DSD processes ("Shaping-Debinding-Sintering") such as "Binder Jetting” or green body production using "Fused Deposition Modeling” , "Fused Layer Modeling” or “Material Extrusion”.
  • the material is applied by means of a casting process, in particular by means of film casting.
  • a liquid material also referred to as slip, is applied to the surface and wiped off with a doctor blade and / or distributed.
  • the film is then formed from this in a subsequent drying process.
  • the film can be solidified by a temperature treatment. This process is already being used to manufacture components for fuel cells and electrolysis cells, so that it can be implemented particularly easily and cost-effectively in existing processes.
  • the material is applied by means of extrusion.
  • a pasty mass is continuously pressed out of a shaping opening under pressure and a body called an extrudate is created with the Cross section of the opening.
  • Extrusion is a proven and easy-to-use process.
  • the material is applied using a spraying method, in particular with masking.
  • a spraying method in particular with masking.
  • droplets or particles of a liquid or pasty material collide with the surface and are solidified or hardened there.
  • Masking an area ensures that the corresponding area is not coated.
  • the wide range of adjustable parameters enables this method to be used particularly flexibly, especially for irregularly shaped surfaces.
  • the material is subjected to a heat treatment, for example sintered, after it has been applied.
  • a heat treatment for example sintered
  • the strength of the applied material increases without it being completely melted.
  • metallic or ceramic materials In this way, a particularly strong, hard and thus permanent gas and / or electron conduction structure can be produced.
  • a particularly advantageous thermal conductivity can also be achieved in this way.
  • a heat treatment can fundamentally change the structure and / or increase the cohesion of the particles and thus generate a suitable gas and / or electron conduction structure.
  • the applied material is used to produce a porous gas and / or electron conduction structure so that gases or gas mixtures can be supplied and removed through the applied material.
  • the applied material has interconnected cavities in its interior, which allow the supply and discharge of gaseous media. This can be done at least partially by means of diffusion.
  • the material to be applied is selected and / or processed in such a way that, after the gas and / or electron conduction structure has been produced, it enables the transport of gases or gas mixtures in its interior.
  • a material is selected that forms a porous gas and / or electron conduction structure.
  • a porous material can be used.
  • the applied material can be treated in such a way that a porous structure is formed.
  • a binder of an applied material can be burned out to produce the porous structure.
  • the material is applied in the form of webs between which gas or gas mixture can circulate freely. Due to the porosity, the webs can be made wider than in conventional gas line structures, so that improved electrical contact is possible with good gas line at the same time.
  • a porous material enables the material to be arranged on almost or completely over the entire surface, so that complete electrical contact is ensured with simultaneous gas permeability. This means that neither locally increased ohmic resistances nor areas of local gas undersupply occur.
  • a dense gas and / or electron conduction structure can be produced by means of the applied material, so that a supply and discharge of gases or gas mixtures through the applied material is not possible.
  • the supply and discharge of gases or gas mixtures can only take place between areas of applied material or, in other words, in cavities that remain free.
  • an at least substantially and in particular completely gas-impermeable material is applied for this purpose.
  • the material is applied flat to at least one area of the surface and in particular to the entire surface.
  • Two-dimensional application means a complete application and in particular also a uniform application.
  • Flat application on the entire surface means flat application on the area of the surface which is provided for the formation of a gas and / or electron conduction structure. It is not excluded here that no material is applied to minor areas of the surface, in particular in the edge areas of the respective component. In the fuel cell or the electrolysis cell, these areas typically serve to connect and / or seal the layers and for this reason must, if necessary, remain free of material. These areas of the surface typically make up less than 20%, in particular less than 10%, and in one example less than 5% of the total area of the surface. In one configuration, the material is applied to a surface of an electrode, in particular a cathode.
  • the surface of the electrode is used directly in order to form the gas and / or electron conduction structure thereon.
  • the cell is made with a mechanical support structure, anode, electrolyte and cathode and then the material is applied to the surface of the electrode.
  • the material is applied, for example printed, to the fuel cell or electrolysis cell that has been manufactured or provided.
  • the fuel for example hydrogen or methanol
  • the fuel is applied to the anode.
  • reducing conditions usually prevail.
  • a metallic network is often used here, for example comprising nickel, in order to achieve electrical contact with simultaneous gas permeability.
  • an oxidizing agent often an oxygen-containing gas or gas mixture, is present at the cathode. Due to the corrosive or oxidizing conditions due to high temperatures and the oxidizing agent, metallic meshes, as in the case of the anode, with the exception of very expensive noble metal meshes, cannot be used.
  • the method according to the invention thus enables the production of a space-saving and corrosion-resistant gas and / or electron conduction structure also in the area of the cathode, without having to resort to expensive and complex gas and / or electron conduction structures that are formed on or in the interconnector by means of forming or machining processes.
  • the material is applied to a surface of an interconnector precursor for the purpose of producing an interconnector.
  • Interconnectors are arranged between adjacent electrodes for mechanical and electrical connection.
  • An interconnector is an element which is arranged between two adjacent fuel cells of a fuel cell stack, also referred to as a stack, and on the one hand the gas transport to and from at least one electrode is guaranteed and, on the other hand, the electrical contacting of the electrode is used. In addition, they serve as a seal between the fuel side of a fuel cell and the oxidizing agent side of an adjacent fuel cell.
  • an interconnector ensures the gas transport to or from two adjacent electrodes of the two fuel cells and is used to make electrical contact with these two electrodes. These are in particular an anode and a cathode.
  • the side located on one side of the interconnector can be referred to as the air side and is used to transport oxygen-containing operating gases to the cathode and to transport possible reaction products away from the cathode.
  • the side of the interconnector facing away from the air side can be referred to as the fuel side and is used to transport fuel to the anode and to remove possible reaction products.
  • An interconnector can also be referred to as a bipolar plate.
  • An interconnector within the meaning of the invention comprises in particular a gas and / or electron conduction structure.
  • An interconnector precursor is a component from which an interconnector can be produced by applying material to form the gas and / or electron conduction structure.
  • the gas and / or electron conduction structure is thus formed directly on a surface of an interconnector.
  • the interconnector preliminary stage can be designed as a flat sheet metal, which also makes production and, if necessary, coating much easier and thus considerably reduces costs. There is no need for expensive processes such as milling or embossing.
  • the applied material corresponds to the material of the component forming the surface. This can in particular be the material separating the gas spaces.
  • material of the same type is applied to the surface.
  • a gas and / or electron conduction structure made of the material of an electrode is formed thereon.
  • the material is lanthanum strontium cobalt ferrite, also known as LSCF, or LCC10.
  • Other ceramic materials are also possible, as explained above. Applying material of the same type, for example by means of printing, enables a particularly simple process that enables a very firm connection and ensures optimum electrical conductivity.
  • a gas and / or electron conduction structure from the material of the interconnector precursor is formed thereon. In this way, an interconnector constructed from a uniform material is produced.
  • the applied material is in particular a metallic material.
  • a protective layer is applied to the applied material, at least in some areas, in order to prevent the evaporation of chromium-containing substances.
  • the protective layer can comprise manganese oxide, consist of manganese oxide or be formed from a mixed oxide of, for example, manganese, cobalt and / or iron.
  • the protective layer is not restricted to the aforementioned compounds. It serves to reduce or prevent the evaporation of chromium species from chromium-containing steels, from which, for example, interconnectors can be made, in particular during operation of the fuel cell or electrolysis cell. These are in particular gaseous chromium compounds that impair cell performance.
  • the protective layer is applied in particular to the air side of interconnectors.
  • a protective layer and / or a contact layer can be applied to an interconnector precursor or an interconnector.
  • a contact layer can also be applied to a protective layer.
  • a contact layer is applied to the applied material or to a protective layer, at least in regions, in order to improve electrical contacting.
  • the contact layer improves the electrical contact between the gas and / or electron conduction structure and the component lying thereon, for example an electrode or an interconnector.
  • the application can take place with a spraying method such as wet powder spraying, but is not limited to this.
  • the application of the protective layer and / or the contact layer turns out to be simpler and less error-prone due to the method according to the invention, since the application of the respective layer on flat areas is possible, which is the known problem of inadequate layer homogeneity in connection with application to three-dimensional structures and the associated problem associated decreased Protective effect fixes.
  • a higher contour accuracy can be achieved.
  • the effective contact area can be increased.
  • a second aspect of the invention is a method for producing a fuel cell or electrolysis cell, comprising the production according to the invention of a gas and / or electron conduction structure.
  • the method further comprises the provision of an electrolyte and the provision of two electrodes arranged on opposite sides of the electrolyte, namely an anode and a cathode.
  • the gas and / or electron conduction structure can take place on a surface of an electrode.
  • the method can furthermore comprise the provision of an interconnector preliminary stage.
  • the gas and / or electron conduction structure can take place on at least one surface of the interconnector preliminary stage for the purpose of producing an interconnector.
  • the material is applied to a surface of an electrode and a contact layer is applied at least in regions to an interconnector for contacting the gas and / or electron conduction structure of the electrode in order to improve electrical contacting.
  • the contact layer consists in particular of the material applied to the surface of the electrode.
  • the material is applied to a surface of an interconnector precursor and a contact layer is applied at least in some areas to an electrode for contacting the gas and / or electron conduction structure of the interconnector made from the interconnector precursor in order to establish electrical contact to enhance.
  • the contact layer consists in particular of the material applied to the surface of the interconnector.
  • the material is applied directly or indirectly to the surface of the electrode or the interconnector precursor.
  • a further layer such as a protective layer can be arranged between them.
  • the interconnector for contacting the gas and / or electron conduction structure of the electrode is an interconnector which is provided to contact the gas and / or electron conduction structure formed on the electrode in the fuel cell or electrolysis cell to be produced or in a fuel cell stack comprising the fuel cell.
  • at least one further layer, such as a protective layer to be arranged between them.
  • the contact layer is therefore applied to at least one area of an interconnector, in particular one side of an interconnector, which is provided for direct or indirect contacting of the electrode.
  • the electrode for contacting the gas and / or electron conduction structure of the interconnector is an electrode that is provided in the fuel cell or electrolysis cell to be produced or in a fuel cell stack to be produced with the fuel cell that is on the interconnector that was produced from the interconnector preliminary stage to contact produced gas and / or electron conduction structure.
  • further layers, such as the protective layer can be arranged between the components.
  • the contact layer is therefore applied to at least one region of an electrode which is provided for direct or indirect contacting of the interconnector.
  • the electrical contacting of the electrode and interconnector made of materials of the same type as described in this embodiment leads to an improved electrical contact and thus to a minimized contact resistance.
  • the applied material corresponds to the material of the component that makes electrical contact with the gas and / or electron conduction structure.
  • the component can in particular be an interconnector or an electrode.
  • a third aspect of the invention is a method for producing a fuel cell stack, comprising the production according to the invention of a gas and / or electron conduction structure and / or the production according to the invention of a fuel cell.
  • the method comprises the provision of a plurality of fuel cells.
  • the gas and / or electron conduction structure can then be formed between two adjacent electrodes of two adjacent fuel cells.
  • An additional aspect of the invention is a method for producing a membrane module, in particular for gas separation, in which material is applied to at least one area of a surface to form the gas and / or electron conduction structure.
  • a multi-layer membrane module and / or a membrane module composed of planar components is produced.
  • Another additional aspect of the invention is an electrode for a fuel cell or an electrolysis cell, comprising a gas and / or electron conduction structure. This is produced in particular with the method according to the invention.
  • the gas and / or electron conduction structure is in particular produced in one piece with the electrode or molded onto it.
  • a fourth aspect of the invention is a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, comprising a material applied to at least one area of a surface to form a gas and / or electron conduction structure.
  • the gas and / or electron conduction structure is produced using the method according to the invention.
  • the applied material is firmly connected to the surface or to the component forming the surface.
  • a fifth aspect of the invention is a fuel cell or electrolysis cell, in particular a solid oxide fuel cell, comprising a gas according to the invention and / or electron conduction structure. In particular, this is produced with the method according to the invention.
  • a sixth aspect of the invention is a fuel cell stack.
  • This comprises at least one gas and / or electron conduction structure according to the invention and / or at least one fuel cell according to the invention.
  • this is produced with the method according to the invention.
  • a gas and / or electron conduction structure is arranged between two adjacent electrodes of adjacent fuel cells.
  • a gas and / or electron conduction structure is arranged between all adjacent electrodes of adjacent fuel cells.
  • a fuel cell stack is also referred to as a stack.
  • the gas and / or electron conduction structure can be arranged on an interconnector arranged between the adjacent electrodes of the adjacent fuel cells and / or be formed on the surface of the interconnector. It can be arranged on at least one of the adjacent electrodes and / or formed on the surface of the electrode.
  • the fuel cell stack can also be operated in reverse mode as an electrolysis cell, for example a solid oxide electrolysis cell.
  • FIG. 1 a schematic representation of a fuel cell according to the prior art
  • FIG. 2 a schematic representation of a fuel cell according to the invention.
  • FIG. 1 has already been discussed in the course of the assessment of the prior art. In the simplified illustrations of both figures, frame parts and seals are not shown in each case. The same components in the two figures are provided with the same hatching.
  • FIG. 2 shows a gas and / or electron conduction structure 10 produced by the method according to the invention in a fuel cell 20.
  • This fuel cell 20 also comprises two electrodes 40, namely a cathode 41, also referred to as an air electrode, and an anode 42, also referred to as a fuel gas electrode. These are arranged on opposite sides of the electrolyte 64, which is optionally supplemented by a diffusion barrier, and together with this form the basis of the fuel cell 20.
  • Thin functional layers require a mechanical support structure to achieve manageable components.
  • a support structure can be assigned to the electrolyte, one of the electrodes, or a separate substrate, so that the following types of construction are possible: “electrolyte / anode / cathode / inert / metal-supported cells”, abbreviated as ESC / ASC / CSC / ISC / MSC.
  • the support layer used here is assigned to the anode 42 and is also referred to as the anode substrate 62.
  • a network structure 60 which is designed here as a nickel network, is in turn arranged on this.
  • This serves to make electrical contact with the anode 42 and as a spacer to an interconnector of a further fuel cell arranged above in a fuel cell stack and thus to conduct the fuel gas to the anode 42.
  • a solution is not possible in the area of the cathode 41.
  • the gas and / or electron conduction structure 10 is used to conduct air to the cathode 41.
  • material 12 is applied to areas of the surface 30 of an electrode 40, namely the cathode 41 been. Areas that are free of applied material 12 are arranged between the areas of the applied material 12, which are designed in the form of webs. These are flow channels 14 in which air can freely circulate.
  • the material 12 is in particular applied layer by layer by means of a 3-D screen printing process and then sintered. It is an electrically conductive ceramic material 12 which, in addition to the function of gas conduction, also serves to conduct electrons, that is to say to make electrical contact with the cathode 41. In addition, it is a porous material which accordingly provides a porous gas and / or electron conduction structure 10, which also supplies and removes gases in the interior of the webs produced enables. In this way, the gas line is improved and wider webs are possible, which at the same time improve the electrical contact.
  • the material 12 was applied to a flat surface 30 of the cathode 41, which is designed as a flat component 32. In this way, a particularly inexpensive and space-saving cathode 41 was achieved.
  • the material 12 can, for example, correspond to the material of the component 32 forming the surface 30, namely the cathode 41.
  • a protective layer 51 was applied to the interconnector 44.
  • a contact layer 52 was applied to the protective layer 51.
  • the protective layer 51 it is also possible to apply the protective layer 51 to the gas and / or electron conduction structure 10, for example in order to save material.
  • the contact layer can be applied to the cell, that is to say to at least one of the electrodes, and / or the interconnector.
  • the fuel cell 20, shown here in the form of a repeating unit, is also provided for arrangement in a fuel cell stack, also referred to as a stack, which is stacked one on top of the other.
  • a fuel cell stack also referred to as a stack
  • the lower side of the interconnector 44 of a fuel cell 20 consequently rests against the upper side of a network structure 60 of the adjacent fuel cell 20.
  • the interconnector 44 serves as a gas-tight seal between the air side of the fuel cell 20 in the area of the cathode 41 and the fuel side of the fuel cell 20 in the area of the anode 42.
  • the material is applied by means of a printing process, in particular by means of stencil printing.
  • Application by stencil printing is preferable to screen printing if dry film thicknesses of more than 150 ⁇ m are to be achieved and complex shapes with cutouts are not required.
  • the material is applied using a method that is not a generative manufacturing method. Material is applied, but especially not in several layers. As a result, the process is significantly accelerated, particularly in comparison to the generative manufacturing process, so that industrial mass production is made possible or significantly simplified.
  • the material is applied by means of screen printing, pad printing or a casting process, for example film casting, an injection molding process or by extrusion.
  • the method can be a printing method.
  • the gas and / or electron conduction structure is designed in such a way that no further channel-shaped structures are required for gas supply, for example for gas supply to the active cell surface of a stack level.
  • the gas and / or electron conduction structure can accordingly be the gas conduit alone guarantee.
  • the gas line means the supply and discharge of the fuel gases and reaction products to / from the active cell surface.
  • the interconnector then mainly serves to conduct electrons.
  • Such a structure could be recognized by the fact that if the gas and / or electron conduction structure were removed from a given cell and if the adjacent components were in direct contact, an adequate gas supply to the active cell surface would no longer be guaranteed.
  • the gas and / or electron conduction structure is designed in such a way that it is used to make contact with the adjoining component, in particular the interconnector or the electrode. It is therefore not necessary to arrange an additional contact layer and / or protective layer between them. As described, however, it is possible to arrange an additional contact layer and / or protective layer.
  • the gas and / or electron conduction structure is not itself the (electrochemically active) electrode and / or the electrode is not located directly on the interconnector.
  • the gas and / or electron conduction structure can be located between the electrode and the interconnector.
  • the material can be applied to a surface of a flat component.
  • the flat component can, for example, be contoured for mechanical reinforcement. It can have form elements for stiffening.
  • the material is applied to a surface of an electrode, no gas line structures are required for the contacting component, in particular an interconnector.
  • the interconnector can thus be designed as a flat component, which brings significant savings in terms of technical complexity and costs.
  • the material can be applied to a flat interconnector precursor, which is provided, for example, with a protective layer and / or a contact layer, in order in this way to enable a flat component as an adjacent electrode.
  • the cathode is essentially free of metal. This means that the cathode has a metal content based on the mass of less than 5%, in particular less than 1% and, for example, less than 0.5%.
  • Fuel cell stack constructed in such a way that the gas and / or electron conduction structure rests on a surface of an electrode.
  • the interconnector is in turn in contact with the gas and / or electron conduction structure. This enables a flat and possibly even design of the interconnector. This can for example be designed as a sheet metal. It can be contoured as described.
  • a protective layer and / or a contact layer can be arranged between the surface and the gas and / or electron conduction structure. In particular, they can be arranged on the surface.
  • a protective layer and / or a contact layer can be arranged between the gas and / or electron conduction structure and the interconnector. In particular, they can be arranged on the interconnector.
  • the gas and / or electron conduction structure can comprise or consist of ceramic material.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a gas- and electron-conducting structure for a fuel cell or electrolysis cell, to a method for producing a fuel cell or electrolysis cell, to a method for producing a fuel cell stack, to a gas- and electron-guiding structure for a fuel cell or electrolysis cell, to a fuel cell or electrolysis cell, and to a fuel cell stack. In a method for producing a gas- and electron-conducting structure (10) for a fuel cell (20) or electrolysis cell, material (12) is deposited on at least one region of a surface (30) in order to form the gas- and electron-conducting structure (10).

Description

Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und Method for producing a gas and / or electron conduction structure and

Brennstoff-/Elektrolysezelle Fuel / electrolysis cell

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle sowie einen Brennstoffzellenstapel. The invention relates to a method for producing a gas and / or electronic line structure for a fuel cell or electrolytic cell, a method for producing a fuel cell or electrolytic cell, a method for producing a fuel cell stack, a gas and / or electronic line structure for a fuel cell or electrolytic cell, a Fuel cell or electrolysis cell and a fuel cell stack.

Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Möglichkeit zur Gewinnung elektrischer Energie, die ohne unmittelbaren Ausstoß potentiell schädlicher Reaktionsprodukte auskommt. Brennstoffe für Brennstoffzellen, insbesondere Wasserstoff, lassen sich aus überschüssiger elektrischer Energie in Zeiten von Stromspitzen z.B. mittels Elektroysezellen hersteilen und zur späteren Verwendung speichern. Brennstoffzellen sind eine Möglichkeit für emissionsfreie Antriebe für eine zukünftige klimafreundliche Mobilität. Daneben gibt es schon heute eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten von Brennstoffzellen, so etwa zur netzunabhängigen Stromversorgung von Gebäuden und Einrichtungen. Da Elektrolysezellen, die beispielsweise zur Herstellung des Brennstoffs für Brennstoffzellen genutzt werden, einen vergleichbaren (etwa im Niedertemperaturbereich wie beispielsweise alkalische oder Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseure), z. T. sogar analogen (etwa Festoxidelektrolysezellen im Hochtemperaturbereich) Aufbau besitzen wie die Brennstoffzellen, sind einige Entwicklungen bei Brennstoffzellen auf Elektrolysezellen direkt übertragbar. Fuel cells are a promising way of generating electrical energy that does not require the direct emission of potentially harmful reaction products. Fuels for fuel cells, especially hydrogen, can be produced from excess electrical energy in times of current peaks, e.g. by means of electrolysis cells and stored for later use. Fuel cells are one option for emission-free drives for future climate-friendly mobility. In addition, there are already a large number of possible applications for fuel cells, such as for off-grid power supply for buildings and facilities. Since electrolysis cells, which are used, for example, to produce fuel for fuel cells, have a comparable (for example in the low temperature range such as alkaline or polymer electrolyte membrane electrolysers), e.g. In some cases, they even have an analog structure (e.g. solid oxide electrolysis cells in the high temperature range) like fuel cells, some developments in fuel cells can be directly transferred to electrolysis cells.

Da eine einzelne Brennstoff-/Elektrolysezelle für viele praktische Anwendungen keine ausreichende elektrische Spannung bereitstellt, werden üblicherweise mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Dabei wird die Kathode einer ersten Brennstoffzelle elektrisch leitend mit der Anode einer zweiten Brennstoffzelle verbunden und die Kathode der zweiten Brennstoffzelle ggf. wiederum mit der Anode einer dritten Brennstoffzelle. Die Anode im Brennstoffzellenbetrieb kann auch als Brenngas- oder Brennstoffelektrode bezeichnet werden und die Kathode als Luftelektrode, wogegen dies im Elektrolysebetrieb umgekehrt ist. Eine Reihenschaltung mehrerer Brennstoffzellen kann als Stack oder Brennstoffzellenstapel realisiert sein, in dem die einzelnen Brennstoffzellen über- bzw. nebeneinander gestapelt sind. Insbesondere sind auch die einzelnen Komponenten innerhalb der Brennstoffzelle schichtweise gestapelt. Zur Ableitung des elektrischen Stroms werden dann die außenliegenden Elektroden der äußeren Brennstoffzellen verwendet. Zwischen benachbarten Elektroden werden zur mechanischen und elektrischen Verbindung Interkonnektoren angeordnet. Diese enthalten Gasleitungsstrukturen, um zu jeder Elektrode das jeweilige Gas oder Gasgemisch zu transportieren bzw. das entstehende Gas oder Gasgemisch abzuleiten. Interkonnektoren sind darüber hinaus elektrisch leitfähig, dienen also ebenfalls als Elektronenleitstruktur, um die elektrische Kontaktierung der daran anliegenden Elektroden zu gewährleisten. Alternativ oder ergänzend können die Elektroden selbst Gas- und/oder Elektronenleitungsstrukturen aufweisen. Since a single fuel / electrolysis cell does not provide sufficient electrical voltage for many practical applications, several cells are usually connected in series. In this case, the cathode of a first fuel cell is connected in an electrically conductive manner to the anode of a second fuel cell and the cathode of the second fuel cell, if necessary, is in turn connected to the anode of a third fuel cell. The anode in fuel cell operation can also be referred to as the fuel gas or fuel electrode and the cathode as the air electrode, whereas this in the Electrolysis operation is reversed. A series connection of several fuel cells can be implemented as a stack or fuel cell stack in which the individual fuel cells are stacked on top of or next to one another. In particular, the individual components are also stacked in layers within the fuel cell. The external electrodes of the external fuel cells are then used to derive the electrical current. Interconnectors are arranged between adjacent electrodes for mechanical and electrical connection. These contain gas line structures in order to transport the respective gas or gas mixture to each electrode or to discharge the gas or gas mixture that is formed. In addition, interconnectors are electrically conductive, so they also serve as an electron conduction structure in order to ensure the electrical contacting of the electrodes adjacent to them. Alternatively or in addition, the electrodes themselves can have gas and / or electron conduction structures.

Die Publikation „Improved Robustness and Low Area Specific Resistance with Novel Contact Layers for the Solid Oxide Cell Air Electrode“ von Talic et al., veröffentlicht in ECS Transactions, offenbart zur Herstellung der elektrisch leitfähigen Verbindung eine Kontaktschicht mit Mangan, Cobalt und Kupfer. Die Publikation „SOC Development at Forschungszentrum Jülich“ von Blum et al., ebenfalls veröffentlicht in ECS Transactions, beschreibt große Festoxidbrennstoffzellen. Die Publikation „Analysis of the Cathode Electrical Contact in SOFC Stacks“ von Kennouche et al., veröffentlicht im Journal of The Electrochemical Society, offenbart Kontaktschichten zur Herstellung des elektrischen Kontakts zwischen Interkonnektor und Kathode von Festoxidbrennstoffzellen. Die Publikation „Solid Oxide Fuel Cell Development at Forschungszentrum Juelich“ von Blum et al., veröffentlicht in Fuel Cells, beschreibt die Anordnung einer Vielzahl von Festoxidbrennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, wobei zwischen den einzelnen Brennstoffzellen dick ausgebildete Interkonnektoren aus Chromstahl angeordnet sind. Die Publikation „Investigation of Ni-coated-steel-meshes as alternative anode contact material to nickel in an SOFC stack“ von Babelot et al., veröffentlicht im International Journal of Hydrogen Energy, beschreibt aus Nickel hergestellte und mit Nickel beschichtete Netzstrukturen als Kontaktmaterial zwischen Anode und Interkonnektor. The publication "Improved Robustness and Low Area Specific Resistance with Novel Contact Layers for the Solid Oxide Cell Air Electrode" by Talic et al., Published in ECS Transactions, discloses a contact layer with manganese, cobalt and copper to produce the electrically conductive connection. The publication "SOC Development at Forschungszentrum Jülich" by Blum et al., Also published in ECS Transactions, describes large solid oxide fuel cells. The publication "Analysis of the Cathode Electrical Contact in SOFC Stacks" by Kennouche et al., Published in the Journal of The Electrochemical Society, discloses contact layers for producing the electrical contact between the interconnector and the cathode of solid oxide fuel cells. The publication "Solid Oxide Fuel Cell Development at Forschungszentrum Juelich" by Blum et al., Published in Fuel Cells, describes the arrangement of a large number of solid oxide fuel cells in a fuel cell stack, with thick interconnectors made of chromium steel being arranged between the individual fuel cells. The publication "Investigation of Ni-coated steel meshes as alternative anode contact material to nickel in an SOFC stack" by Babelot et al., Published in the International Journal of Hydrogen Energy, describes network structures made of nickel and coated with nickel as a contact material between Anode and interconnector.

EP 2 859 608 B1 beschreibt ein aus umgeformtem Blech hergestelltes Gasverteilungselement für eine Brennstoffzelle, welches aus mehreren Schichten aufgebaut ist und eine von Öffnungen durchbrochene Kontaktoberfläche zur Kontaktierung der Brennstoffzelle aufweist. EP 3 087 632 B1 offenbart einen Interkonnektor mit Strukturen zur Verteilung von Gas sowie Mitteln zum Einstellen eines Durchflusses. GB 2 420 440 A beschreibt eine Schicht eines Brennstoffzellenstapels, die ein Metallblech mit porösen Bereichen und auf zumindest einer Seite des Blechs ausgebildeten Gasverteilungskanälen aufweist. WO 2015 / 144 970 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Platten zum Leiten von Gas, einer Dichtungsanordnung und einer gasdurchlässigen Kontaktstruktur. EP 2 859 608 B1 describes a gas distribution element made from formed sheet metal for a fuel cell, which is made up of several layers and has a contact surface perforated by openings Having contacting the fuel cell. EP 3 087 632 B1 discloses an interconnector with structures for distributing gas and means for adjusting a flow rate. GB 2 420 440 A describes a layer of a fuel cell stack which has a metal sheet with porous areas and gas distribution channels formed on at least one side of the sheet. WO 2015/144 970 A1 describes a fuel cell stack with several plates for conducting gas, a sealing arrangement and a gas-permeable contact structure.

Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstrukturen herkömmlicher Interkonnektoren werden durch Umformen wie beispielsweise Prägen von Blechteilen hergestellt, was insbesondere bei Nutzung dünner Bleche erfolgt. Dies ist aufgrund der hohen Werkzeugkosten teuer und wenig flexibel. Alternativ werden bei Nutzung dickerer Bleche Gaskanäle mittels spanender Verfahren wie Fräsen hergestellt. Dies ist langwierig und somit ebenfalls teuer. Auch die pulvermetallurgische Herstellung von Interkonnektoren ist bekannt, die ebenfalls mit signifikanten Kosten verbunden ist. Die beschriebenen Interkonnektoren sind überdies zum großen Teil aufwändig in der Herstellung. Auch weisen die herkömmlichen Interkonnektoren den Nachteil auf, dass sie in den gasleitenden Bereichen die Elektrode nicht kontaktieren und somit keinen elektrischen Kontakt ermöglichen, was durch elektrische Querleitung kompensiert werden muss, und andererseits in den die Elektrode kontaktierenden Bereichen kein Gas durchlassen, was durch Gasdiffusion kompensiert werden muss. Dies führt dazu, dass nicht die volle Leistungsfähigkeit der Zellen genutzt werden kann, da bereichsweise eine Gasunterversorgung und bereichsweise erhöhte ohmsche Widerstände auftreten. The gas and / or electron conduction structures of conventional interconnectors are produced by reshaping, such as stamping sheet metal parts, which occurs in particular when using thin sheet metal. Due to the high tool costs, this is expensive and not very flexible. Alternatively, when using thicker sheet metal, gas ducts are produced using machining processes such as milling. This is tedious and therefore also expensive. The powder-metallurgical production of interconnectors is also known, which is also associated with significant costs. The interconnectors described are also largely complex to manufacture. The conventional interconnectors also have the disadvantage that they do not contact the electrode in the gas-conducting areas and thus do not allow electrical contact, which has to be compensated for by electrical cross-conduction, and on the other hand, do not allow gas to pass through in the areas contacting the electrode, which is compensated by gas diffusion must become. This means that the full capacity of the cells cannot be used, since there is an under-supply of gas in some areas and increased ohmic resistances in some areas.

Eine aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle 20 ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Diese auch als Wiederholeinheit bezeichnete Brennstoffzelle ist zur vielfach übereinander gestapelten Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel, auch als Stack bezeichnet, vorgesehen. Sie umfasst zwei Elektroden 40, nämlich eine Kathode 41, auch als Luftelektrode bezeichnet, und eine Anode 42, auch als Brenngaselektrode bezeichnet. Diese sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Elektrolyten 64 angeordnet und bilden gemeinsam mit diesem die Grundlage der Brennstoffzelle 20. A fuel cell 20 known from the prior art is shown schematically in FIG. This fuel cell, also referred to as a repeating unit, is intended to be arranged many times on top of one another in a fuel cell stack, also referred to as a stack. It comprises two electrodes 40, namely a cathode 41, also referred to as an air electrode, and an anode 42, also referred to as a fuel gas electrode. These are arranged on opposite sides of an electrolyte 64 and together with it form the basis of the fuel cell 20.

Oberhalb der Anode 42 befindet sich das Anodensubstrat 62, auf dem wiederum eine Netzstruktur 60 angeordnet ist. Letztere dient der elektrischen Kontaktierung der Anode 42 sowie der Leitung des Brenngases zur Anode 42. Eine derartige Lösung ist aufgrund der korrosiven Bedingungen im Bereich der Kathode 41 nicht möglich. Zur elektrischen Kontaktierung der Kathode 41 sowie zur Leitung von Luft zur Kathode 41 dient der Interkonnektor 44, der in der hier gezeigten Ausgestaltung durch Fräsen eines vergleichsweise dicken Blechs hergestellt ist. Mittels Fräsen wurden auf der oben dargestellten Seite des Interkonnektors 44 zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 zur Zuführung von Luft Strömungskanäle 14 erzeugt. Zur Verhinderung des Abdampfens von chromhaltigen Substanzen wurde im Anschluss eine Schutzschicht 51 aufgebracht. Um wiederum den elektrischen Kontakt zwischen dem Interkonnektor 44 bzw. der Schutzschicht 51 und der Kathode 41 zu verbessern wurde auf die Kathode 41 eine Kontaktschicht 52 aufgebracht. Above the anode 42 is the anode substrate 62, on which in turn a network structure 60 is arranged. The latter is used to make electrical contact with the anode 42 and to conduct the fuel gas to the anode 42. One such solution is not possible due to the corrosive conditions in the area of the cathode 41. The interconnector 44, which in the embodiment shown here is produced by milling a comparatively thick sheet metal, is used to make electrical contact with the cathode 41 and to conduct air to the cathode 41. By means of milling, flow channels 14 were produced on the above-illustrated side of the interconnector 44 in order to produce a gas and / or electron conduction structure 10 for the supply of air. To prevent the evaporation of chromium-containing substances, a protective layer 51 was then applied. In order to improve the electrical contact between the interconnector 44 or the protective layer 51 and the cathode 41, a contact layer 52 was applied to the cathode 41.

Der unten dargestellte Bereich des Interkonnektors dient im übereinandergestapelten Zustand mehrerer Brennstoffzellen 20, wenn also eine weitere Brennstoffzelle 20 unmittelbar unterhalb der dargestellten Brennstoffzelle 20 angeordnet ist, der Abdichtung zwischen der Luftseite einer Brennstoffzelle 20 und der Brennstoffseite der darunter liegenden Brennstoffzelle 20. Mit anderen Worten verhindert der Interkonnektor 44 die strömungstechnische Verbindung zwischen den Strömungskanälen 14 für Luft und der Netzstruktur 60 für Brenngas. Die hier gezeigte Brennstoffzelle 20 ist aufgrund des aufwendig hergestellten Interkonnektors 44 teuer und weist einen großen Platzbedarf auf. The area of the interconnector shown below is used when several fuel cells 20 are stacked one on top of the other, i.e. when a further fuel cell 20 is arranged directly below the fuel cell 20 shown, to seal between the air side of a fuel cell 20 and the fuel side of the fuel cell 20 below the interconnector 44 is the fluidic connection between the flow channels 14 for air and the network structure 60 for fuel gas. The fuel cell 20 shown here is expensive due to the elaborately manufactured interconnector 44 and requires a large amount of space.

Elektrolysezellen nutzen bei prinzipiell gleichem Aufbau wie dem der Brennstoffzelle den umgekehrten Prozess. Hier wird durch Anlegen eines elektrischen Stroms der Ablauf der Reaktion in umgekehrter Richtung erzwungen. Somit wird elektrische Energie in chemischer Form, z.B. als Wasserstoff gespeichert und kann später rückverstromt oder für andere chemische Prozesse genutzt werden. Electrolysis cells use the reverse process with basically the same structure as that of the fuel cell. Here, the reaction is forced to proceed in the opposite direction by applying an electric current. This means that electrical energy is stored in chemical form, e.g. as hydrogen, and can later be converted back into electricity or used for other chemical processes.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, eine weiterentwickelte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, eine weiterentwickelte Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle sowie einen weiterentwickelten Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Zur Lösung der Aufgabe dienen ein Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle sowie ein Brennstoffzellenstapel gemäß den Nebenansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. It is the object of the invention to provide a further developed method for producing a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolytic cell, a further developed method for producing a fuel cell or electrolytic cell, a further developed method for producing a fuel cell stack, a further developed gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, a further developed fuel cell or electrolysis cell and a further developed fuel cell stack. A method for producing a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolytic cell according to claim 1, as well as a method for producing a fuel cell or electrolytic cell, a method for producing a fuel cell stack, a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, a fuel cell or electrolysis cell and a fuel cell stack according to the dependent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Zur Lösung der Aufgabe dient ein Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, bei dem zur Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur auf zumindest einen Bereich einer Oberfläche Material aufgetragen wird. The object is achieved by a method for producing a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, in which material is applied to at least one area of a surface to form the gas and / or electron conduction structure.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einfach und kostengünstig, da kein Umformen und kein spanendes Verfahren notwendig sind. Es können unterschiedlichste Materialien aufgetragen und somit zur Herstellung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur genutzt werden. Auch ist durch die Erfindung die Bereitstellung des die Oberfläche ausbildenden Materials bzw. des die beiden Gasräume trennenden Materials besonders vorteilhaft, da hierfür ein einfaches und kostengünstiges ebenes bzw. flächiges Bauteil genutzt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann für jedes beliebige Stack-Design genutzt werden. The method according to the invention is simple and inexpensive in comparison to the methods known from the prior art, since no shaping and no cutting method are necessary. A wide variety of materials can be applied and thus used to produce the gas and / or electron conduction structure. The provision of the material forming the surface or the material separating the two gas spaces is also particularly advantageous as a result of the invention, since a simple and inexpensive flat or flat component can be used for this. The method according to the invention can be used for any desired stack design.

Das Aufträgen des Materials dient der Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur. Die Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur meint die Herstellung bzw. Ausbildung derjenigen dreidimensionalen Struktur, die in der Brennstoffzelle bzw. Elektrolysezelle der Gasleitung und/oder der Elektronenleitung, insbesondere zwecks elektrischer Kontaktierung, dient. Insbesondere bildet das aufgetragene Material auf der Oberfläche die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur aus. Eine reine Beschichtung einer bereits vorhandenen dreidimensionalen Struktur ist somit kein erfindungsgemäßes Verfahren, da hier keine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur hergestellt wird. The application of the material serves to form the gas and / or electron conduction structure. The formation of the gas and / or electron conduction structure means the production or formation of that three-dimensional structure which is used in the fuel cell or electrolysis cell of the gas line and / or the electron line, in particular for the purpose of making electrical contact. In particular, the applied material forms the gas and / or electron conduction structure on the surface. A pure coating of an already existing three-dimensional structure is therefore not a method according to the invention, since no gas and / or electron conduction structure is produced here.

Eine Gasleitungsstruktur ist eine dreidimensionale Struktur zum Zuleiten oder Ableiten von Gas oder Gasgemisch zu bzw. von einer Elektrode einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur ist zumindest bereichsweise gasdurchlässig. Sie kann auch als Gasverteilungsstruktur ausgebildet sein. Bereichsweise kann sie zum Lenken bzw. Umlenken eines Gasstroms geeignet sein. Eine besonders hohe Gasdurchlässigkeit der Gasleitungsstruktur ist wünschenswert. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gasleitungsstruktur dient insbesondere der Zuführung von Brennstoff oder Oxidationsmittel zu einer Elektrode und/oder der Ableitung von Reaktionsprodukt von einer Elektrode. Sie ist in der Brennstoffzelle bzw. Elektrolysezelle typischerweise an der vom Elektrolyten abgewandten Seite der Elektrode angeordnet. Eine Elektronenleitstruktur ist eine elektrisch leitfähige Struktur. Insbesondere dient sie der elektrischen Kontaktierung von Elektroden einer Brennstoff- oder Elektrolysezelle, beispielsweise in einem Brennstoffzellenstapel. Sie kann der elektrischen Verbindung einer Anode einer ersten Brennstoffzelle und einer der Anode benachbarten Kathode einer der ersten Brennstoffzelle benachbarten zweiten Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel dienen. A gas line structure is a three-dimensional structure for supplying or discharging gas or gas mixture to or from an electrode of a fuel cell or Electrolytic cell. The gas and / or electron conduction structure is at least partially gas-permeable. It can also be designed as a gas distribution structure. In some areas it can be suitable for guiding or redirecting a gas flow. A particularly high gas permeability of the gas line structure is desirable. The gas line structure produced with the method according to the invention is used in particular to supply fuel or oxidizing agent to an electrode and / or to discharge reaction product from an electrode. In the fuel cell or electrolysis cell, it is typically arranged on the side of the electrode facing away from the electrolyte. An electron conductive structure is an electrically conductive structure. In particular, it is used to make electrical contact with electrodes of a fuel or electrolysis cell, for example in a fuel cell stack. It can be used for the electrical connection of an anode of a first fuel cell and a cathode adjacent to the anode of a second fuel cell adjacent to the first fuel cell in a fuel cell stack.

Aufträgen meint Aufbringen von Material auf eine Oberfläche. Es ist die Oberfläche eines Bauteils gemeint. Insbesondere ist das Material ein formloses Material. Typischerweise ist das Material ein flüssiges, pastöses oder pulverförmiges Material bzw. Granulat. Entsprechend kann das Aufträgen des Materials ein Urformverfahren sein. Gegebenenfalls umfasst das Verfahren nach dem Aufträgen des Materials wenigstens einen weiteren Schritt, um die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur herzustellen, wie beispielsweise ein Verfestigen des Materials. Insbesondere wird das aufgetragene Material mit der Oberfläche bzw. mit dem die Oberfläche ausbildenden Bauteil fest verbunden. Es kann aber auch, beispielsweise im Falle eines extrudierten und beim Zusammenbau durch Einlegen auf die Oberfläche aufgetragenen Materials separat vorliegen. Application means applying material to a surface. The surface of a component is meant. In particular, the material is a shapeless material. Typically the material is a liquid, pasty or powdery material or granulate. Accordingly, the application of the material can be an archetype process. If necessary, after the application of the material, the method comprises at least one further step in order to produce the gas and / or electron conduction structure, such as, for example, solidifying the material. In particular, the applied material is firmly connected to the surface or to the component forming the surface. However, it can also be present separately, for example in the case of an extruded material which is applied to the surface during assembly by inserting it.

Das Material kann beispielsweise Material Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit sein, auch als LSCF bezeichnet. Es kann ein als LCC10 bezeichnetes Material sein. Dabei handelt es sich um ein Co- und Cu-dotiertes La-Mn-Perowskit-Material. Ebenso kann Lanthan-Strontium-Manganat, LSM, oder Lanthan-Strontium-Cobaltit, LSC, genutzt werden. Grundsätzlich kann jeder Elektrodenwerkstoff genutzt werden, wie z. B. Perowskite, Spinelle, Fluorite, Ruddlesden-Popper-Phasen, Brownmillerite und ähnliche, wie sie auch als Luftelektrodenmaterial in einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle genutzt werden. Eine Brennstoffzelle umfasst zwei Elektroden, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt ist für Ionen durchlässig und kann als Flüssigkeit oder Feststoff ausgestaltet sein. Er kann als Membran ausgestaltet sein. Die Kathode wird mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise sauerstoffhaltigem Gas bzw. Gasgemisch, versorgt. Die Anode wird mit dem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, Erdgas oder Methanol, versorgt. Durch elektrochemische Reaktion wird eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden erzeugt. Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine Festoxid-Brennstoffzelle (englisch: „solid oxide fuel cell“, SOFC), eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, deren Elektrolyt als keramischer Festkörper ausgestaltet ist. The material can be, for example, lanthanum-strontium-cobalt-ferrite, also referred to as LSCF. It can be a material called LCC10. This is a Co- and Cu-doped La-Mn perovskite material. Lanthanum strontium manganate, LSM, or lanthanum strontium cobaltite, LSC, can also be used. In principle, any electrode material can be used, such as B. perovskites, spinels, fluorites, Ruddlesden-Popper phases, Brownmillerites and the like, as they are also used as air electrode material in a fuel cell or electrolytic cell. A fuel cell comprises two electrodes that are separated from one another by an electrolyte. The electrolyte is permeable to ions and can be configured as a liquid or solid. It can be designed as a membrane. The cathode is supplied with an oxidizing agent, for example an oxygen-containing gas or gas mixture. The anode is supplied with the fuel, for example hydrogen, natural gas or methanol. An electrical voltage is generated between the electrodes through an electrochemical reaction. The fuel cell is, in particular, a solid oxide fuel cell (SOFC), a high-temperature fuel cell whose electrolyte is designed as a ceramic solid.

Insbesondere dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle, die zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Hier stellt sich, wie beschrieben, die Aufgabe, zwischen den einzelnen in Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen Gas- und/oder Elektronenleitungsstrukturen zum Zuführen von Brennstoff und Sauerstoff sowie zum Abführen von Reaktionsprodukten bereitzustellen. In particular, the method according to the invention is used to produce a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell, which is provided for use in a fuel cell stack. Here, as described, the task arises of providing gas and / or electron conduction structures for supplying fuel and oxygen and for removing reaction products between the individual fuel cells arranged in series.

Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann auch für eine Elektrolysezelle hergestellt werden, auch als Elektrolyseurzelle bezeichnet. Es kann sich beispielsweise um eine Festoxid-Elektrolysezelle handeln (englisch: „solid oxide electrolyzer cell“, SOEC), also um eine im reversen Modus betreibbare Festoxid-Brennstoffzelle. Alles im Bezug zu einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle Gesagte, inkl. aller Verfahrensschritte zur Herstellung der Brennstoffzelle und aller Teile davon, gilt entsprechend für eine Elektrolysezelle und umgekehrt. The gas and / or electron conduction structure can also be produced for an electrolysis cell, also referred to as an electrolysis cell. It can be, for example, a solid oxide electrolysis cell (English: “solid oxide electrolyzer cell”, SOEC), ie a solid oxide fuel cell that can be operated in reverse mode. Everything that has been said in relation to a fuel cell according to the invention, including all process steps for producing the fuel cell and all parts thereof, applies accordingly to an electrolysis cell and vice versa.

In einer Ausführungsform wird die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur derart hergestellt, dass wenigstens ein gerader Kanal und insbesondere mehrere parallel angeordnete gerade Kanäle zur Gasleitung erzeugt werden. Ein gerader Kanal kann parallel zur Flussrichtung oder in einem beliebigen Winkel zur Flussrichtung verlaufen. Alternativ oder ergänzend kann ein gekrümmter oder gewundener Kanal erzeugt werden. In one embodiment, the gas and / or electron conduction structure is produced in such a way that at least one straight channel and in particular a plurality of straight channels arranged in parallel to the gas line are generated. A straight channel can run parallel to the direction of flow or at any angle to the direction of flow. Alternatively or in addition, a curved or winding channel can be created.

In einer Ausführungsform wird als Teil einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur ein Steg mit einer Breite zwischen 0,1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 5 mm und vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm hergestellt. In einer Ausführungsform wird Material in einer Schichtdicke zwischen 1 pm und 5 mm, insbesondere zwischen 10 pm und 1 mm und vorzugsweise zwischen 50pm und 200pm aufgetragen. Dies kann beliebig oft wiederholt werden, um die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur in der gewünschten Höhe herzustellen. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann auch durch lediglich einmaligen Materialauftrag, beispielsweise in der genannten Größenordnung, hergestellt werden. Die Schichtdicke wird senkrecht zur Oberfläche gemessen. In one embodiment, a web with a width between 0.1 mm and 10 mm, in particular between 0.3 mm, is used as part of a gas and / or electron conduction structure and 5 mm and preferably between 1 mm and 3 mm. In one embodiment, material is applied in a layer thickness between 1 pm and 5 mm, in particular between 10 pm and 1 mm and preferably between 50 pm and 200 pm. This can be repeated as often as desired in order to produce the gas and / or electron conduction structure at the desired height. The gas and / or electron conduction structure can also be produced by just a single application of material, for example in the order of magnitude mentioned. The layer thickness is measured perpendicular to the surface.

In einer Ausgestaltung ist das Material ein elektrisch leitfähiges Material, insbesondere ein metallisches oder keramisches Material, so dass die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrode eingerichtet ist. In one configuration, the material is an electrically conductive material, in particular a metallic or ceramic material, so that the gas and / or electron conduction structure is set up to make electrical contact with an electrode.

Die elektrische Kontaktierung einer Elektrode dient dem elektrischen Anschluss einer Elektrode an ein Leitungselement oder der elektrischen Kontaktierung zweier benachbarter Elektroden in einem Brennstoffzellenstapel. Die Elektrode ist somit eine Elektrode der Brennstoffzelle oder eine Elektrode einer benachbarten Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel. Insbesondere dient die hergestellte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur neben der Gasleitung somit zur elektrischen Verbindung zweier benachbarter Elektroden. Sie kann somit als Gas- und Elektronenleitungsstruktur oder als Gasleitungs- und Kontaktstruktur bezeichnet werden. The electrical contacting of an electrode is used for the electrical connection of an electrode to a line element or the electrical contacting of two adjacent electrodes in a fuel cell stack. The electrode is thus an electrode of the fuel cell or an electrode of an adjacent fuel cell in a fuel cell stack. In particular, the gas and / or electron conduction structure that is produced is used, in addition to the gas conduit, for the electrical connection of two adjacent electrodes. It can thus be referred to as a gas and electron conduction structure or as a gas conduction and contact structure.

Aufgrund der oben beschriebenen Notwendigkeit der Zu- und Abführung von Gasen ist eine unmittelbare flächige Kontaktierung benachbarter Elektroden eines Brennstoffzellenstapels nicht möglich. In einem Brennstoffzellenstapel, der unter Nutzung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist, befindet sich die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur somit zwischen zwei Elektroden benachbarter Brennstoffzellen, genauer gesagt zwischen einer Elektrode und dem Interkonnektor, der wiederum eine Anode einer ersten Brennstoffzelle und eine Kathode einer zweiten Brennstoffzelle voneinander trennt. Due to the above-described necessity of supplying and removing gases, direct flat contact with adjacent electrodes of a fuel cell stack is not possible. In a fuel cell stack that has been produced using this embodiment of the method according to the invention, the gas and / or electron conduction structure is thus located between two electrodes of adjacent fuel cells, more precisely between an electrode and the interconnector, which in turn is an anode of a first fuel cell and a Cathode of a second fuel cell separates from each other.

Ein metallisches Material ist ein Material, welches metallische Eigenschaften aufweist. Insbesondere umfasst es zumindest ein Metall in elementarer Form und/oder als Legierung bzw. intermetallische Phase. Dieses hat den Vorteil der Artähnlichkeit zu dem die Oberfläche ausbildenden Bauteil, beispielsweise der Interkonnektor-Vorstufe. Ebenso kann das elektrisch leitfähige Material ein elektrisch leitfähiges keramisches Material sein. Insbesondere wird eine Oxidkeramik genutzt. A metallic material is a material that has metallic properties. In particular, it comprises at least one metal in elemental form and / or as an alloy or intermetallic phase. This has the advantage of being similar in species the component forming the surface, for example the interconnector preliminary stage. The electrically conductive material can also be an electrically conductive ceramic material. In particular, an oxide ceramic is used.

Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass das Verfahren besonders einfach und kostengünstig ist, da neben der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur keine zusätzlichen Komponenten zur elektrischen Kontaktierung notwendig sind. This refinement has the advantage that the method is particularly simple and inexpensive, since no additional components for electrical contacting are necessary in addition to the gas and / or electron conduction structure.

In einer Ausgestaltung wird die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur derart hergestellt, dass zwischen Bereichen aufgetragenen Materials zumindest ein Strömungskanal verbleibt. In one configuration, the gas and / or electron conduction structure is produced in such a way that at least one flow channel remains between areas of applied material.

Mit anderen Worten wird das Material derart aufgetragen, dass zumindest ein Strömungskanal hergestellt wird. Ein Strömungskanal ist ein Bereich einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur, insbesondere ein von aufgetragenem Material freier Kanal, in dem ein gasförmiges Medium ungehindert zirkulieren kann. Mit anderen Worten ist der Strömungskanal so angeordnet, dass er zumindest an zwei Seiten, insbesondere gegenüberliegenden Seiten, des Strömungskanals von aufgetragenem Material begrenzt ist. Zwischen Bereichen aufgetragenen Materials meint, dass es zumindest eine Gerade gibt, auf der ein Strömungskanal, also ein vom Material freier Bereich, sowie beidseitig von diesem jeweilige Bereiche aufgetragenen Materials liegen. In einer Ausführungsform hat der Strömungskanal eine Breite zwischen 0,1 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 10 mm und vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm. Die Breite des Strömungskanals wird parallel zur Oberfläche gemessen. In other words, the material is applied in such a way that at least one flow channel is produced. A flow channel is an area of a gas and / or electron conduction structure, in particular a channel free of applied material, in which a gaseous medium can circulate unhindered. In other words, the flow channel is arranged in such a way that it is delimited by applied material on at least two sides, in particular opposite sides, of the flow channel. Material applied between areas means that there is at least one straight line on which a flow channel, that is to say an area free from the material, as well as material applied on both sides of this respective area, lie. In one embodiment, the flow channel has a width between 0.1 mm and 20 mm, in particular between 0.5 mm and 10 mm and preferably between 1 mm and 5 mm. The width of the flow channel is measured parallel to the surface.

Insbesondere wird das Material in Form von länglichen Elementen wie beispielsweise Stegen aufgebracht, zwischen denen kein Material aufgetragen wird. Im Allgemeinen ist ein Strömungskanal hinsichtlich seiner räumlichen Ausdehnung nicht eingeschränkt, er kann jedoch in einer Ausführungsform eine Längserstreckung aufweisen, die mindestens um den Faktor 5, insbesondere um den Faktor 10, größer ist als zumindest eine und insbesondere beide senkrecht zur Längserstreckung ausgerichtete Quererstreckungen. In particular, the material is applied in the form of elongated elements such as, for example, webs, between which no material is applied. In general, a flow channel is not restricted in terms of its spatial extent, but in one embodiment it can have a longitudinal extent which is at least a factor of 5, in particular a factor of 10, greater than at least one and in particular both transverse extents oriented perpendicular to the longitudinal extent.

In einer Ausführungsform bleibt zumindest ein Bereich der Oberfläche zwecks Ausbildung eines Strömungskanals frei von dem Material. Mit anderen Worten wird das Material nur auf bestimmte Bereiche der Oberfläche aufgetragen und andere Bereiche der Oberfläche bleiben frei von dem Material. Insbesondere verbleibt eine Vielzahl von Bereichen der Oberfläche zwecks Ausbildung von Strömungskanälen frei von dem Material. In one embodiment, at least a region of the surface remains free of the material for the purpose of forming a flow channel. In other words it will Material is only applied to certain areas of the surface and other areas of the surface remain free of the material. In particular, a large number of areas of the surface remain free of the material for the purpose of forming flow channels.

Auf diese Weise lassen sich besonders kostengünstige Brennstoffzellen und Elektrolysezellen hersteilen, da Material besonders sparsam verwendet wird. In this way, particularly inexpensive fuel cells and electrolysis cells can be produced, since material is used particularly sparingly.

In einer Ausgestaltung wird das Material auf eine Oberfläche eines flächigen Bauteils, insbesondere eines Blechteils, aufgetragen. In one embodiment, the material is applied to a surface of a flat component, in particular a sheet metal part.

Ein flächiges Bauteil ist ein Bauteil, welches in einer ersten Erstreckungsrichtung eine wesentlich geringere Ausdehnung aufweist als in zwei senkrecht zur ersten Erstreckungsrichtung sowie senkrecht zueinander ausgerichteten Erstreckungsrichtungen. Insbesondere ist ein ebenes Bauteil gemeint. Das flächige Bauteil kann ein Blechteil sein. Typischerweise ist die Oberfläche eine ebene Oberfläche. Typischerweise ist auch die der Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche des flächigen Bauteils eine ebene Oberfläche. A flat component is a component which has a significantly smaller extent in a first direction of extent than in two directions of extent that are perpendicular to the first direction of extent and perpendicular to one another. In particular, a flat component is meant. The flat component can be a sheet metal part. Typically the surface is a flat surface. Typically, the second surface of the flat component opposite the surface is also a flat surface.

Diese Ausgestaltung ermöglicht aufgrund der einfachen und kostengünstigen Form des die Oberfläche aufweisenden Bauteils eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle. Beispielsweise kann so die Elektrode und/oder eine Interkonnektor- Vorstufe als flaches Blech ausgestaltet sein, was Fertigung und Beschichtung wesentlich erleichtert und Kosten erheblich verringert. Darüber hinaus lässt sich eine besonders flache und somit platzsparende Bauweise einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle realisieren. Due to the simple and cost-effective shape of the component having the surface, this configuration enables a particularly simple and cost-effective production of a fuel cell or electrolysis cell. For example, the electrode and / or an interconnector preliminary stage can thus be designed as a flat sheet metal, which considerably simplifies production and coating and considerably reduces costs. In addition, a particularly flat and thus space-saving design of a fuel cell or electrolysis cell can be implemented.

In einer Ausgestaltung wird das Material mittels eines Druckverfahrens aufgetragen, insbesondere mittels Siebdrucks, Tampondrucks oder eines 3D-Druck-Verfahrens. In one embodiment, the material is applied by means of a printing process, in particular by means of screen printing, pad printing or a 3D printing process.

Beim Siebdruck wird das Material mit einer Rakel durch einen als Sieb bezeichneten, Öffnungen aufweisenden Gegenstand hindurch auf die Oberfläche gedruckt. Das Sieb ist insbesondere ein feinmaschiges Gewebe. Insbesondere ist 3D-Siebdruck möglich, bei dem das Material schichtweise mittels Siebdrucks aufgetragen wird. Die aufzutragende Paste umfasst in diesem Fall beispielsweise ein metallisches oder keramisches Pulver, ein Lösungsmittel sowie ggf. einen Binder. Der Binder kann aus dem aufgedruckten Material ausgebrannt werden, sodass nach einer Temperaturbehandlung wie beispielswiese einer Wärmebehandlung bzw. einem Sintern ein poröses Material verbleibt. In screen printing, the material is printed onto the surface with a squeegee through an object called a screen and having openings. The sieve is in particular a fine-meshed fabric. In particular, 3D screen printing is possible, in which the material is applied in layers by means of screen printing. In this case, the paste to be applied comprises, for example, a metallic or ceramic powder, a solvent and possibly a binder. The binder can go out the printed material are burned out, so that a porous material remains after a temperature treatment such as a heat treatment or sintering.

Beim Tampondruck wird das Material mittels eines elastischen Tampons, insbesondere aus Silikonkautschuk, auf die Oberfläche aufgetragen. Dabei kann die Übertragung des Materials durch Anpressen in unterschiedlichen Stärken erfolgen. With pad printing, the material is applied to the surface by means of an elastic pad, in particular made of silicone rubber. The transfer of the material can be done by pressing it in different thicknesses.

Beim 3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, wird das Material Schicht für Schicht aufgetragen, um eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen. Das aufgetragene Material kann mittels physikalischer und/oder chemischer Vorgänge verfestigt werden bzw. aushärten. Es sind in Abhängigkeit des aufzutragenden Materials unterschiedliche 3D-Druckverfahren möglich, wie beispielsweise Laserstrahlschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Lasersintern, 3D-Siebdruck oder DSD-Verfahren („Shaping-Debinding-Sintering“) wie „Binder Jetting“ oder Grünkörperherstellung mittels „Fused Deposition Modelling“, „Fused Layer Modelling“ bzw. „Material Extrusion“. Diese Verfahren ermöglichen eine besonders flexible Herstellung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur, da keinerlei bauteilspezifischen Werkzeuge notwendig sind und die Form der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur frei wählbar ist. Es sind Verfahren möglich, die Material nur selektiv verfestigen und auf diese Weise die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur hersteilen. In 3D printing, also known as additive manufacturing, the material is applied layer by layer to create a three-dimensional structure. The applied material can be solidified or hardened by means of physical and / or chemical processes. Depending on the material to be applied, different 3D printing processes are possible, such as laser beam melting, electron beam melting, laser sintering, 3D screen printing or DSD processes ("Shaping-Debinding-Sintering") such as "Binder Jetting" or green body production using "Fused Deposition Modeling" , "Fused Layer Modeling" or "Material Extrusion". These methods enable a particularly flexible production of the gas and / or electron conduction structure, since no component-specific tools are required and the shape of the gas and / or electron conduction structure can be freely selected. Processes are possible which solidify the material only selectively and in this way produce the gas and / or electron conduction structure.

In einer Ausführungsform wird das Material mittels eines Gussverfahrens aufgetragen, insbesondere mittels Folienguss. Dabei wird ein flüssiges Material, auch als Schlicker bezeichnet, auf die Oberfläche aufgetragen und mit einer Rakel abgestreift und/oder verteilt. In einem anschließenden Trocknungsprozess bildet sich daraus die Folie aus. Die Folie kann durch eine Temperaturbehandlung verfestigt werden. Dieses Verfahren wird bereits zur Herstellung von Komponenten für Brennstoffzellen und Elektrolysezellen verwendet, sodass eine besonders einfache und kostengünstige Implementierung in bestehende Prozesse möglich ist. In one embodiment, the material is applied by means of a casting process, in particular by means of film casting. A liquid material, also referred to as slip, is applied to the surface and wiped off with a doctor blade and / or distributed. The film is then formed from this in a subsequent drying process. The film can be solidified by a temperature treatment. This process is already being used to manufacture components for fuel cells and electrolysis cells, so that it can be implemented particularly easily and cost-effectively in existing processes.

In einer Ausführungsform wird das Material mittels Extrudieren aufgetragen. Dabei wird eine pastöse Masse unter Druck kontinuierlich aus einer formgebenden Öffnung herausgepresst und es entsteht ein als Extrudat bezeichneter Körper mit dem Querschnitt der Öffnung. Extrudieren ist ein bewährtes und gut handhabbares Verfahren. In one embodiment, the material is applied by means of extrusion. A pasty mass is continuously pressed out of a shaping opening under pressure and a body called an extrudate is created with the Cross section of the opening. Extrusion is a proven and easy-to-use process.

In einer Ausführungsform wird das Material mit einem Spritzverfahren, insbesondere mit Maskierung, aufgetragen. Hierbei prallen Tröpfchen bzw. Partikel eines flüssigen oder pastösen Materials auf die Oberfläche und werden dort verfestigt bzw. härten aus. Durch die Maskierung eines Bereichs wird erreicht, dass der entsprechende Bereich nicht beschichtet wird. Die große Bandbreite der einstellbaren Parameter ermöglicht bei diesem Verfahren eine besonders flexible Nutzung, insbesondere auch für unregelmäßig geformte Oberflächen. In one embodiment, the material is applied using a spraying method, in particular with masking. Here, droplets or particles of a liquid or pasty material collide with the surface and are solidified or hardened there. Masking an area ensures that the corresponding area is not coated. The wide range of adjustable parameters enables this method to be used particularly flexibly, especially for irregularly shaped surfaces.

In einer Ausgestaltung wird das Material nach dem Aufbringen einer Wärmebehandlung unterzogen, beispielsweise gesintert. Beim Sintern erhöht sich die Festigkeit des aufgetragenen Materials ohne dass dieses vollständig aufgeschmolzen wird. Dies wird insbesondere bei metallischen oder keramischen Materialien durchgeführt. Auf diese Weise kann eine besonders feste, harte und somit dauerhafte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur hergestellt werden. Auch eine besonders vorteilhafte Wärmeleitfähigkeit kann auf diese Weise erzielt werden. Eine Wärmebehandlung kann grundsätzlich das Gefüge ändern und/oder den Zusammenhalt der Partikel erhöhen und somit eine geeignete Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur erzeugen. In one embodiment, the material is subjected to a heat treatment, for example sintered, after it has been applied. During sintering, the strength of the applied material increases without it being completely melted. This is done in particular with metallic or ceramic materials. In this way, a particularly strong, hard and thus permanent gas and / or electron conduction structure can be produced. A particularly advantageous thermal conductivity can also be achieved in this way. A heat treatment can fundamentally change the structure and / or increase the cohesion of the particles and thus generate a suitable gas and / or electron conduction structure.

In einer Ausgestaltung wird mittels des aufgetragenen Materials eine poröse Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur hergestellt, sodass eine Zu- und Abführung von Gasen oder Gasgemischen durch das aufgetragene Material hindurch erfolgen kann. Hierbei weist das aufgetragene Material in seinem Inneren miteinander verbundene Hohlräume auf, die die Zu- und Abführung gasförmiger Medien ermöglichen. Dies kann zumindest teilweise mittels Diffusion erfolgen. In one embodiment, the applied material is used to produce a porous gas and / or electron conduction structure so that gases or gas mixtures can be supplied and removed through the applied material. Here, the applied material has interconnected cavities in its interior, which allow the supply and discharge of gaseous media. This can be done at least partially by means of diffusion.

Das aufzutragenden Material wird derart gewählt und/oder derart verarbeitet, dass es nach Herstellung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur in seinem Inneren den Transport von Gasen oder Gasgemischen ermöglicht. Es wird ein Material gewählt, das eine poröse Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur ausbildet. Es kann ein poröses Material verwendet werden. Das aufgetragene Material kann derart behandelt werden, dass sich eine poröse Struktur bildet. Beispielsweise kann ein Binder eines aufgetragenen Materials unter Herstellung der porösen Struktur ausgebrannt werden. Beispielsweise wird das Material in Form von Stegen aufgetragen, zwischen denen Gas bzw. Gasgemisch frei zirkulieren kann. Die Stege können aufgrund der Porosität breiter ausgeführt sein als bei herkömmlichen Gasleitungsstrukturen, sodass eine verbesserte elektrische Kontaktierung bei gleichzeitig guter Gasleitung möglich ist. The material to be applied is selected and / or processed in such a way that, after the gas and / or electron conduction structure has been produced, it enables the transport of gases or gas mixtures in its interior. A material is selected that forms a porous gas and / or electron conduction structure. A porous material can be used. The applied material can be treated in such a way that a porous structure is formed. For example, a binder of an applied material can be burned out to produce the porous structure. For example, the material is applied in the form of webs between which gas or gas mixture can circulate freely. Due to the porosity, the webs can be made wider than in conventional gas line structures, so that improved electrical contact is possible with good gas line at the same time.

Ein poröses Material ermöglicht eine Anordnung des Materials auf annähernd oder vollständig der gesamten Oberfläche, so dass eine vollständige elektrische Kontaktierung bei gleichzeitiger Gasdurchlässigkeit gewährleistet ist. Somit treten weder lokal erhöhte ohmsche Widerstände noch Bereiche lokaler Gasunterversorgung auf. A porous material enables the material to be arranged on almost or completely over the entire surface, so that complete electrical contact is ensured with simultaneous gas permeability. This means that neither locally increased ohmic resistances nor areas of local gas undersupply occur.

Alternativ kann mittels des aufgetragenen Materials eine dichte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur hergestellt werden, sodass eine Zu- und Abführung von Gasen oder Gasgemischen durch das aufgetragene Material hindurch nicht möglich ist. Somit kann die Zu- und Abführung von Gasen oder Gasgemischen lediglich zwischen Bereichen aufgetragenen Materials oder mit anderen Worten in frei bleibenden Hohlräumen erfolgen. Insbesondere wird zu diesem Zweck ein zumindest im Wesentlichen und insbesondere vollständig gasundurchlässiges Material aufgetragen. Alternatively, a dense gas and / or electron conduction structure can be produced by means of the applied material, so that a supply and discharge of gases or gas mixtures through the applied material is not possible. Thus, the supply and discharge of gases or gas mixtures can only take place between areas of applied material or, in other words, in cavities that remain free. In particular, an at least substantially and in particular completely gas-impermeable material is applied for this purpose.

In einer Ausgestaltung wird das Material flächig auf zumindest einen Bereich der Oberfläche und insbesondere auf die gesamte Oberfläche aufgetragen. In one embodiment, the material is applied flat to at least one area of the surface and in particular to the entire surface.

Flächiges Aufträgen meint ein lückenloses Aufträgen und insbesondere auch ein gleichmäßiges Aufträgen. Flächiges Aufträgen auf die gesamte Oberfläche meint flächiges Aufträgen auf den Bereich der Oberfläche, der zur Ausbildung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur vorgesehen ist. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass auf geringfügige Bereiche der Oberfläche, insbesondere in den Randbereichen des jeweiligen Bauteils, kein Material aufgetragen wird. Diese Bereiche dienen in der Brennstoffzelle bzw. der Elektrolysezelle typischerweise der Verbindung und/oder Abdichtung der Schichten und müssen aus diesem Grund ggf. frei von Material bleiben. Diese Bereiche der Oberfläche machen typischerweise weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, und in einem Beispiel weniger als 5% der Gesamtfläche der Oberfläche aus. In einer Ausgestaltung wird das Material auf eine Oberfläche einer Elektrode, insbesondere einer Kathode, aufgetragen. Two-dimensional application means a complete application and in particular also a uniform application. Flat application on the entire surface means flat application on the area of the surface which is provided for the formation of a gas and / or electron conduction structure. It is not excluded here that no material is applied to minor areas of the surface, in particular in the edge areas of the respective component. In the fuel cell or the electrolysis cell, these areas typically serve to connect and / or seal the layers and for this reason must, if necessary, remain free of material. These areas of the surface typically make up less than 20%, in particular less than 10%, and in one example less than 5% of the total area of the surface. In one configuration, the material is applied to a surface of an electrode, in particular a cathode.

In dieser Ausgestaltung wird die Oberfläche der Elektrode unmittelbar genutzt, um darauf die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur auszubilden. Auf diese Weise wird eine besonders gute elektrische Kontaktierung ermöglicht, die einen geringen Widerstand ermöglicht. Typischerweise wird die Zelle mit einer mechanischen Stützstruktur, Anode, Elektrolyt und Kathode hergestellt und anschließend das Material auf die Oberfläche der Elektrode aufgebracht. Mehrere derartiger Zellen können nun zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert werden. Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass das Material auf die Elektrode aufgetragen wird, bevor diese mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht wird. In this embodiment, the surface of the electrode is used directly in order to form the gas and / or electron conduction structure thereon. In this way, a particularly good electrical contact is made possible, which enables a low resistance. Typically, the cell is made with a mechanical support structure, anode, electrolyte and cathode and then the material is applied to the surface of the electrode. Several such cells can now be combined to form a fuel cell stack. However, it cannot be ruled out that the material is applied to the electrode before it is brought into contact with the electrolyte.

In einer Ausführungsform wird das Material auf die gefertigte bzw. bereitgestellte Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle aufgetragen, beispielsweise aufgedruckt. In one embodiment, the material is applied, for example printed, to the fuel cell or electrolysis cell that has been manufactured or provided.

An der Anode liegt der Brennstoff an, beispielsweise Wasserstoff oder Methanol. Somit herrschen üblicherweise reduzierende Bedingungen. Hier wird häufig ein metallisches Netz genutzt, beispielsweise umfassend Nickel, um elektrische Kontaktierung bei gleichzeitiger Gasdurchlässigkeit zu erreichen. An der Kathode liegt dagegen ein Oxidationsmittel, häufig ein sauerstoffhaltiges Gas oder Gasgemisch, an. Durch die korrosiven bzw. oxidierenden Bedingungen aufgrund hoher Temperaturen und des Oxidationsmittels können metallische Netze wie bei der Anode mit Ausnahme sehr teurer Edelmetallnetze nicht verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Herstellung einer platzsparenden und korrosionsbeständigen Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur auch im Bereich der Kathode, ohne auf teure und aufwändige Gas- und/oder Elektronenleitungsstrukturen zurückzugreifen, die mittels umformender oder spanender Verfahren am bzw. im Interkonnektor ausgebildet sind. The fuel, for example hydrogen or methanol, is applied to the anode. Thus, reducing conditions usually prevail. A metallic network is often used here, for example comprising nickel, in order to achieve electrical contact with simultaneous gas permeability. On the other hand, an oxidizing agent, often an oxygen-containing gas or gas mixture, is present at the cathode. Due to the corrosive or oxidizing conditions due to high temperatures and the oxidizing agent, metallic meshes, as in the case of the anode, with the exception of very expensive noble metal meshes, cannot be used. The method according to the invention thus enables the production of a space-saving and corrosion-resistant gas and / or electron conduction structure also in the area of the cathode, without having to resort to expensive and complex gas and / or electron conduction structures that are formed on or in the interconnector by means of forming or machining processes.

In einer Ausgestaltung wird das Material zwecks Herstellung eines Interkonnektors auf eine Oberfläche einer Interkonnektor-Vorstufe aufgetragen. In one embodiment, the material is applied to a surface of an interconnector precursor for the purpose of producing an interconnector.

Zwischen benachbarten Elektroden werden zur mechanischen und elektrischen Verbindung Interkonnektoren angeordnet. Ein Interkonnektor ist ein Element, welches zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels, auch als Stack bezeichnet, angeordnet ist, und einerseits den Gastransport zu bzw. von zumindest einer Elektrode gewährleistet und andererseits der elektrischen Kontaktierung der Elektrode dient. Daneben dienen sie als Abdichtung zwischen der Brennstoffseite einer Brennstoffzelle und der Oxidationsmittelseite einer benachbarten Brennstoffzelle. Insbesondere gewährleistet ein Interkonnektor den Gastransport zu bzw. von zwei benachbarten Elektroden der beiden Brennstoffzellen und dient der elektrischen Kontaktierung dieser beiden Elektroden. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Anode und eine Kathode. Die auf einer Seite des Interkonnektors befindliche Seite kann als Luftseite bezeichnet werden und dient dem Transport sauerstoffhaltiger Betriebsgase zur Kathode und dem Abtransport möglicher Reaktionsprodukte von der Kathode weg. Die auf der der Luftseite abgewandten Seite des Interkonnektors liegende Seite kann als Brennstoffseite bezeichnet werden und dient dem Transport von Brennstoff zur Anode und dem Abtransport möglicher Reaktionsprodukte. Ein Interkonnektor kann auch als Bipolarplatte bezeichnet werden. Interconnectors are arranged between adjacent electrodes for mechanical and electrical connection. An interconnector is an element which is arranged between two adjacent fuel cells of a fuel cell stack, also referred to as a stack, and on the one hand the gas transport to and from at least one electrode is guaranteed and, on the other hand, the electrical contacting of the electrode is used. In addition, they serve as a seal between the fuel side of a fuel cell and the oxidizing agent side of an adjacent fuel cell. In particular, an interconnector ensures the gas transport to or from two adjacent electrodes of the two fuel cells and is used to make electrical contact with these two electrodes. These are in particular an anode and a cathode. The side located on one side of the interconnector can be referred to as the air side and is used to transport oxygen-containing operating gases to the cathode and to transport possible reaction products away from the cathode. The side of the interconnector facing away from the air side can be referred to as the fuel side and is used to transport fuel to the anode and to remove possible reaction products. An interconnector can also be referred to as a bipolar plate.

Ein Interkonnektor im Sinne der Erfindung umfasst insbesondere eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur. Eine Interkonnektor-Vorstufe ist ein Bauteil, aus dem durch Aufträgen von Material zur Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur ein Interkonnektor hergestellt werden kann. In dieser Ausgestaltung wird somit die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur direkt auf einer Oberfläche eines Interkonnektors ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellen einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle. Die Interkonnektor-Vorstufe kann hierbei als flaches Blech ausgestaltet sein, was Fertigung und ggf. Beschichtung zusätzlich wesentlich erleichtert und somit die Kosten erheblich verringert. Teure Prozesse wie Fräsen oder Prägen entfallen. An interconnector within the meaning of the invention comprises in particular a gas and / or electron conduction structure. An interconnector precursor is a component from which an interconnector can be produced by applying material to form the gas and / or electron conduction structure. In this embodiment, the gas and / or electron conduction structure is thus formed directly on a surface of an interconnector. This configuration enables a particularly simple and inexpensive production of a fuel cell or electrolysis cell. The interconnector preliminary stage can be designed as a flat sheet metal, which also makes production and, if necessary, coating much easier and thus considerably reduces costs. There is no need for expensive processes such as milling or embossing.

In einer Ausgestaltung entspricht das aufgetragene Material dem Material des die Oberfläche ausbildenden Bauteils. Dies kann insbesondere das die Gasräume trennende Material sein. Mit anderen Worten wird artgleiches Material auf die Oberfläche aufgetragen. In einer Ausführungsform wird eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur aus dem Material einer Elektrode auf dieser ausgebildet. Somit wird eine aus einem einheitlichen Material aufgebaute Elektrode hergestellt. Beispielsweise ist das Material Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit, auch als LSCF bezeichnet, oder LCC10. Auch andere keramische Materialien sind möglich, wie oben ausgeführt. Durch Aufträgen artgleichen Materials, beispielsweise mittels Aufdruckens, ist ein besonders einfacher Prozess möglich, der eine sehr feste Verbindung ermöglicht und eine optimale elektrische Leitfähigkeit gewährleistet. In einer Ausführungsform wird eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur aus dem Material der Interkonnektor- Vorstufe auf dieser ausgebildet. Somit wird ein aus einem einheitlichen Material aufgebauter Interkonnektor hergestellt. Das aufgetragene Material ist hierbei insbesondere ein metallisches Material. In one embodiment, the applied material corresponds to the material of the component forming the surface. This can in particular be the material separating the gas spaces. In other words, material of the same type is applied to the surface. In one embodiment, a gas and / or electron conduction structure made of the material of an electrode is formed thereon. Thus, an electrode constructed from a uniform material is produced. For example, the material is lanthanum strontium cobalt ferrite, also known as LSCF, or LCC10. Other ceramic materials are also possible, as explained above. Applying material of the same type, for example by means of printing, enables a particularly simple process that enables a very firm connection and ensures optimum electrical conductivity. In one embodiment, a gas and / or electron conduction structure from the material of the interconnector precursor is formed thereon. In this way, an interconnector constructed from a uniform material is produced. The applied material is in particular a metallic material.

In einer Ausgestaltung wird auf das aufgetragene Material zumindest bereichsweise eine Schutzschicht aufgebracht, um ein Abdampfen von chromhaltigen Substanzen zu verhindern. Die Schutzschicht kann Manganoxid umfassen, aus Manganoxid bestehen oder aus einem Mischoxid von beispielsweise Mangan, Kobalt und/oder Eisen gebildet werden. Die Schutzschicht ist aber nicht auf die vorgenannten Verbindungen eingeschränkt. Sie dient der Verminderung oder Verhinderung des Abdampfens von Chromspezies aus chromhaltigen Stählen, aus denen beispielsweise Interkonnektoren hergestellt sein können, insbesondere während des Betriebs der Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle. Dabei handelt es sich insbesondere um gasförmige Chromverbindungen, die die Zellleistung beeinträchtigen. Die Schutzschicht wird insbesondere auf die Luftseite von Interkonnektoren aufgebracht. Dies kann mit einem Spritzverfahren wie beispielsweise Nasspulverspritzen oder Plasmaspritzen erfolgen. Bei der Herstellung einer Brennstoffzelle kann eine Schutzschicht und/oder eine Kontaktschicht auf eine Interkonnektor- Vorstufe oder einen Interkonnektor aufgebracht werden. Ebenso kann eine Kontaktschicht auf eine Schutzschicht aufgebracht werden. In one embodiment, a protective layer is applied to the applied material, at least in some areas, in order to prevent the evaporation of chromium-containing substances. The protective layer can comprise manganese oxide, consist of manganese oxide or be formed from a mixed oxide of, for example, manganese, cobalt and / or iron. However, the protective layer is not restricted to the aforementioned compounds. It serves to reduce or prevent the evaporation of chromium species from chromium-containing steels, from which, for example, interconnectors can be made, in particular during operation of the fuel cell or electrolysis cell. These are in particular gaseous chromium compounds that impair cell performance. The protective layer is applied in particular to the air side of interconnectors. This can be done with a spraying process such as wet powder spraying or plasma spraying. During the production of a fuel cell, a protective layer and / or a contact layer can be applied to an interconnector precursor or an interconnector. A contact layer can also be applied to a protective layer.

In einer Ausgestaltung wird auf das aufgetragene Material oder auf eine Schutzschicht zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht aufgebracht, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern. Die Kontaktschicht verbessert in der Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle den elektrischen Kontakt zwischen der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und der daran anliegenden Komponente, beispielsweise einer Elektrode oder einem Interkonnektor. Das Aufbringen kann mit einem Spritzverfahren wie beispielsweise Nasspulverspritzen erfolgen ist aber nicht darauf beschränkt. In one embodiment, a contact layer is applied to the applied material or to a protective layer, at least in regions, in order to improve electrical contacting. In the fuel cell or electrolysis cell, the contact layer improves the electrical contact between the gas and / or electron conduction structure and the component lying thereon, for example an electrode or an interconnector. The application can take place with a spraying method such as wet powder spraying, but is not limited to this.

Die Aufbringung der Schutzschicht und/oder der Kontaktschicht gestaltet sich aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens einfacher und weniger fehleranfällig, da der Auftrag der jeweiligen Schicht auf ebene Bereiche möglich ist, was das im Zusammenhang mit dem Auftrag auf dreidimensionale Strukturen bekannte Problem der unzureichenden Schichthomogenität und der damit verbundenen verringerten Schutzwirkung behebt. Eine höhere Konturtreue kann erzielt werden. So kann beispielsweise die effektive Kontaktfläche erhöht werden. Auch kommt es nicht zu Linsenbildung, die die effektive Kontaktfläche weiter verringern würde. The application of the protective layer and / or the contact layer turns out to be simpler and less error-prone due to the method according to the invention, since the application of the respective layer on flat areas is possible, which is the known problem of inadequate layer homogeneity in connection with application to three-dimensional structures and the associated problem associated decreased Protective effect fixes. A higher contour accuracy can be achieved. For example, the effective contact area can be increased. There is also no lens formation, which would further reduce the effective contact area.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, umfassend die erfindungsgemäße Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur. A second aspect of the invention is a method for producing a fuel cell or electrolysis cell, comprising the production according to the invention of a gas and / or electron conduction structure.

Insbesondere umfasst das Verfahren weiterhin die Bereitstellung eines Elektrolyten sowie die Bereitstellung zweier an jeweils entgegengesetzten Seiten des Elektrolyten angeordneter Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann auf einer Oberfläche einer Elektrode erfolgen. Das Verfahren kann weiterhin die Bereitstellung einer Interkonnektor-Vorstufe umfassen. In diesem Fall kann die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur zwecks Herstellung eines Interkonnektors auf zumindest einer Oberfläche der Interkonnektor-Vorstufe erfolgen. Die oben im Zusammenhang mit dem eingangs beschriebenen Aspekt der Erfindung offenbarten Ausführungsformen und Merkmale können auch auf diesen Aspekt der Erfindung angewendet werden. In particular, the method further comprises the provision of an electrolyte and the provision of two electrodes arranged on opposite sides of the electrolyte, namely an anode and a cathode. The gas and / or electron conduction structure can take place on a surface of an electrode. The method can furthermore comprise the provision of an interconnector preliminary stage. In this case, the gas and / or electron conduction structure can take place on at least one surface of the interconnector preliminary stage for the purpose of producing an interconnector. The embodiments and features disclosed above in connection with the aspect of the invention described at the outset can also be applied to this aspect of the invention.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Material auf eine Oberfläche einer Elektrode aufgetragen und es wird auf einen Interkonnektor zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur der Elektrode zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht aufgebracht, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern. Die Kontaktschicht besteht hierbei insbesondere aus dem auf die Oberfläche der Elektrode aufgetragenen Material. Alternativ wird das Material zwecks Herstellung eines Interkonnektors auf eine Oberfläche einer Interkonnektor-Vorstufe aufgetragen und es wird auf eine Elektrode zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur des aus der Interkonnektor-Vorstufe hergestellten Interkonnektors zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht aufgebracht, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern. Die Kontaktschicht besteht hierbei insbesondere aus dem auf die Oberfläche des Interkonnektors aufgetragenen Material. In one embodiment of the method, the material is applied to a surface of an electrode and a contact layer is applied at least in regions to an interconnector for contacting the gas and / or electron conduction structure of the electrode in order to improve electrical contacting. The contact layer consists in particular of the material applied to the surface of the electrode. Alternatively, for the purpose of producing an interconnector, the material is applied to a surface of an interconnector precursor and a contact layer is applied at least in some areas to an electrode for contacting the gas and / or electron conduction structure of the interconnector made from the interconnector precursor in order to establish electrical contact to enhance. The contact layer consists in particular of the material applied to the surface of the interconnector.

Das Material wird direkt oder indirekt auf die Oberfläche der Elektrode bzw. der Interkonnektor-Vorstufe aufgetragen. Beispielsweise kann eine weitere Schicht wie etwa eine Schutzschicht dazwischen angeordnet sein. Der Interkonnektor zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur der Elektrode ist ein Interkonnektor, der vorgesehen ist, in der herzustellenden Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle oder in einem die Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstapel die an der Elektrode ausgebildete Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur zu kontaktieren. Auch hierbei ist selbstverständlich möglich, dass dazwischen wenigstens eine weitere Schicht wie beispielsweise eine Schutzschicht angeordnet ist. Es wird also auf zumindest einen Bereich eines Interkonnektors, insbesondere eine Seite eines Interkonnektors, der zur direkten oder indirekten Kontaktierung der Elektrode vorgesehen ist, die Kontaktschicht aufgebracht. Analog dazu ist die Elektrode zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur des Interkonnektors eine Elektrode, die vorgesehen ist, in der herzustellenden Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle oder in einem mit der Brennstoffzelle herzustellenden Brennstoffzellenstapel die auf dem Interkonnektor, der aus der Interkonnektor-Vorstufe hergestellt wurde, hergestellte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur zu kontaktieren. Auch hier können zwischen den Bauteilen weitere Schichten wie etwa die Schutzschicht angeordnet sein. Es wird also auf zumindest einen Bereich einer Elektrode, der zur direkten oder indirekten Kontaktierung des Interkonnektors vorgesehen ist, die Kontaktschicht aufgebracht. Die in dieser Ausgestaltung beschriebene elektrische Kontaktierung von Elektrode und Interkonnektor aus artgleichen Materialien führt zu einem verbesserten elektrischen Kontakt und somit zu einem minimierten Kontaktwiderstand. The material is applied directly or indirectly to the surface of the electrode or the interconnector precursor. For example, a further layer such as a protective layer can be arranged between them. The interconnector for contacting the gas and / or electron conduction structure of the electrode is an interconnector which is provided to contact the gas and / or electron conduction structure formed on the electrode in the fuel cell or electrolysis cell to be produced or in a fuel cell stack comprising the fuel cell. Here, too, it is of course possible for at least one further layer, such as a protective layer, to be arranged between them. The contact layer is therefore applied to at least one area of an interconnector, in particular one side of an interconnector, which is provided for direct or indirect contacting of the electrode. Analogously to this, the electrode for contacting the gas and / or electron conduction structure of the interconnector is an electrode that is provided in the fuel cell or electrolysis cell to be produced or in a fuel cell stack to be produced with the fuel cell that is on the interconnector that was produced from the interconnector preliminary stage to contact produced gas and / or electron conduction structure. Here, too, further layers, such as the protective layer, can be arranged between the components. The contact layer is therefore applied to at least one region of an electrode which is provided for direct or indirect contacting of the interconnector. The electrical contacting of the electrode and interconnector made of materials of the same type as described in this embodiment leads to an improved electrical contact and thus to a minimized contact resistance.

In einer Ausführungsform entspricht das aufgetragene Material dem Material der die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur elektrisch kontaktierenden Komponente. Dies umfasst diejenige Komponente, die zur elektrischen Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur in der Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle oder in einem die Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Es kann sich bei der Komponente insbesondere um einen Interkonnektor oder eine Elektrode handeln. In one embodiment, the applied material corresponds to the material of the component that makes electrical contact with the gas and / or electron conduction structure. This includes that component which is provided for making electrical contact with the gas and / or electron line structure in the fuel cell or electrolysis cell or in a fuel cell stack comprising the fuel cell. The component can in particular be an interconnector or an electrode.

Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, umfassend die erfindungsgemäße Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und/oder die erfindungsgemäße Herstellung einer Brennstoffzelle. Insbesondere umfasst das Verfahren die Bereitstellung mehrerer Brennstoffzellen. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann dann zwischen zwei benachbarten Elektroden zweier benachbarter Brennstoffzellen ausgebildet werden. Die oben im Zusammenhang mit dem eingangs beschriebenen Aspekt der Erfindung sowie mit dem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle offenbarten Ausführungsformen und Merkmale können auch auf diesen Aspekt der Erfindung angewendet werden. A third aspect of the invention is a method for producing a fuel cell stack, comprising the production according to the invention of a gas and / or electron conduction structure and / or the production according to the invention of a fuel cell. In particular, the method comprises the provision of a plurality of fuel cells. The gas and / or electron conduction structure can then be formed between two adjacent electrodes of two adjacent fuel cells. The embodiments and features disclosed above in connection with the aspect of the invention described at the beginning and with the method for producing a fuel cell or electrolysis cell can also be applied to this aspect of the invention.

Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Membranmoduls, insbesondere zur Gastrennung, bei dem zur Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur auf zumindest einen Bereich einer Oberfläche Material aufgetragen wird. Insbesondere wird ein mehrlagiges und/oder aus planaren Komponenten bestehendes Membranmodul hergestellt. Die im Zusammenhang mit den anderen Aspekten der Erfindung offenbarten Ausführungsformen und Merkmale können auch auf diesen Aspekt der Erfindung angewendet werden. An additional aspect of the invention is a method for producing a membrane module, in particular for gas separation, in which material is applied to at least one area of a surface to form the gas and / or electron conduction structure. In particular, a multi-layer membrane module and / or a membrane module composed of planar components is produced. The embodiments and features disclosed in connection with the other aspects of the invention can also be applied to this aspect of the invention.

Ein weiterer zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist eine Elektrode für eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle, umfassend eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur. Diese ist insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur ist insbesondere einstückig mit der Elektrode hergestellt oder an diese angeformt. Die im Zusammenhang mit den anderen Aspekten der Erfindung offenbarten Ausführungsformen und Merkmale können auch auf diesen Aspekt der Erfindung angewendet werden. Another additional aspect of the invention is an electrode for a fuel cell or an electrolysis cell, comprising a gas and / or electron conduction structure. This is produced in particular with the method according to the invention. The gas and / or electron conduction structure is in particular produced in one piece with the electrode or molded onto it. The embodiments and features disclosed in connection with the other aspects of the invention can also be applied to this aspect of the invention.

Ein vierter Aspekt der Erfindung ist eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur für eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, umfassend ein zur Ausbildung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur auf zumindest einen Bereich einer Oberfläche aufgetragenes Material. Insbesondere ist die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Typischerweise ist das aufgetragene Material mit der Oberfläche bzw. mit dem die Oberfläche ausbildenden Bauteil fest verbunden. A fourth aspect of the invention is a gas and / or electron conduction structure for a fuel cell or electrolysis cell, comprising a material applied to at least one area of a surface to form a gas and / or electron conduction structure. In particular, the gas and / or electron conduction structure is produced using the method according to the invention. Typically, the applied material is firmly connected to the surface or to the component forming the surface.

Ein fünfter Aspekt der Erfindung ist eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelle, umfassend eine erfindungsgemäße Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur. Insbesondere ist diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. A fifth aspect of the invention is a fuel cell or electrolysis cell, in particular a solid oxide fuel cell, comprising a gas according to the invention and / or electron conduction structure. In particular, this is produced with the method according to the invention.

Ein sechster Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel. Dieser umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und/oder wenigstens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle. Insbesondere ist dieser mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Insbesondere ist zwischen zwei benachbarten Elektroden benachbarter Brennstoffzellen eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur angeordnet. Insbesondere ist zwischen allen benachbarten Elektroden benachbarter Brennstoffzellen jeweils eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur angeordnet. A sixth aspect of the invention is a fuel cell stack. This comprises at least one gas and / or electron conduction structure according to the invention and / or at least one fuel cell according to the invention. In particular, this is produced with the method according to the invention. In particular, a gas and / or electron conduction structure is arranged between two adjacent electrodes of adjacent fuel cells. In particular, a gas and / or electron conduction structure is arranged between all adjacent electrodes of adjacent fuel cells.

Ein Brennstoffzellenstapel wird auch als Stack bezeichnet. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann an einem zwischen den benachbarten Elektroden der benachbarten Brennstoffzellen angeordneten Interkonnektor angeordnet sein und/oder auf der Oberfläche des Interkonnektors ausgebildet sein. Sie kann an zumindest einer der benachbarten Elektroden angeordnet sein und/oder auf der Oberfläche der Elektrode ausgebildet sein. Der Brennstoffzellenstapel kann auch im reversen Modus als Elektrolysezelle, beispielsweise Festoxid-Elektrolysezelle, betrieben werden. Die im Zusammenhang mit den anderen Aspekten der Erfindung offenbarten Ausführungsformen und Merkmale können auch auf den vierten, fünften und sechsten Aspekt der Erfindung angewendet werden. A fuel cell stack is also referred to as a stack. The gas and / or electron conduction structure can be arranged on an interconnector arranged between the adjacent electrodes of the adjacent fuel cells and / or be formed on the surface of the interconnector. It can be arranged on at least one of the adjacent electrodes and / or formed on the surface of the electrode. The fuel cell stack can also be operated in reverse mode as an electrolysis cell, for example a solid oxide electrolysis cell. The embodiments and features disclosed in connection with the other aspects of the invention can also be applied to the fourth, fifth and sixth aspects of the invention.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand von Figuren näher erläutert. In the following, further exemplary embodiments of the invention will also be explained in more detail with reference to figures.

Es zeigen: Show it:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik; und FIG. 1: a schematic representation of a fuel cell according to the prior art; and

Figur 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. FIG. 2: a schematic representation of a fuel cell according to the invention.

Auf die Figur 1 wurde bereits im Zuge der Würdigung des Standes der Technik eingegangen. In den vereinfachten Abbildungen beider Figuren sind Rahmenteile und Dichtungen jeweils nicht abgebildet. Gleiche Bauteile der beiden Figuren sind mit gleichen Schraffuren versehen. Figur 2 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 in einer Brennstoffzelle 20. Auch diese Brennstoffzelle 20 umfasst zwei Elektroden 40, nämlich eine Kathode 41, auch als Luftelektrode bezeichnet, und eine Anode 42, auch als Brenngaselektrode bezeichnet. Diese sind auf gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyten 64, der gegebenenfalls um eine Diffusionsbarriere ergänzt ist, angeordnet und bilden gemeinsam mit diesem die Grundlage der Brennstoffzelle 20. FIG. 1 has already been discussed in the course of the assessment of the prior art. In the simplified illustrations of both figures, frame parts and seals are not shown in each case. The same components in the two figures are provided with the same hatching. FIG. 2 shows a gas and / or electron conduction structure 10 produced by the method according to the invention in a fuel cell 20. This fuel cell 20 also comprises two electrodes 40, namely a cathode 41, also referred to as an air electrode, and an anode 42, also referred to as a fuel gas electrode. These are arranged on opposite sides of the electrolyte 64, which is optionally supplemented by a diffusion barrier, and together with this form the basis of the fuel cell 20.

Dünne Funktionsschichten benötigen eine mechanische Stützstruktur zur Erzielung handhabbarer Bauteile. Eine solche Stützstruktur kann dem Elektrolyten, einer der Elektroden, oder einem separaten Substrat zugewiesen werden, sodass folgende Bauweisen möglich sind: „electrolyte-/ anode-/ cathode-/ inert-/ metal-supported cells”, abgekürzt als ESC/ ASC/ CSC/ ISC/ MSC. Die hier verwendete Stützschicht ist der Anode 42 zugeordnet und wird auch als Anodensubstrat 62 bezeichnet. Auf diesem ist wiederum eine Netzstruktur 60 angeordnet, die hier als Nickel-Netz ausgeführt ist. Diese dient der elektrischen Kontaktierung der Anode 42 sowie als Abstandhalter zu einem in einem Brennstoffzellenstapel oberhalb angeordneten Interkonnektor einer weiteren Brennstoffzelle und damit der Leitung des Brenngases zur Anode 42. Wie beschrieben ist eine derartige Lösung im Bereich der Kathode 41 nicht möglich. Thin functional layers require a mechanical support structure to achieve manageable components. Such a support structure can be assigned to the electrolyte, one of the electrodes, or a separate substrate, so that the following types of construction are possible: “electrolyte / anode / cathode / inert / metal-supported cells”, abbreviated as ESC / ASC / CSC / ISC / MSC. The support layer used here is assigned to the anode 42 and is also referred to as the anode substrate 62. A network structure 60, which is designed here as a nickel network, is in turn arranged on this. This serves to make electrical contact with the anode 42 and as a spacer to an interconnector of a further fuel cell arranged above in a fuel cell stack and thus to conduct the fuel gas to the anode 42. As described, such a solution is not possible in the area of the cathode 41.

Zur Leitung von Luft zur Kathode 41 dient bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 20 die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10. Zur Herstellung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 ist auf Bereiche der Oberfläche 30 einer Elektrode 40, nämlich der Kathode 41, Material 12 aufgetragen worden. Zwischen den Bereichen des aufgetragenen Materials 12, die in Form von Stegen ausgestaltet sind, sind Bereiche angeordnet, die frei von aufgetragenem Material 12 sind. Dies sind Strömungskanäle 14, in denen Luft frei zirkulieren kann. In the fuel cell 20 according to the invention, the gas and / or electron conduction structure 10 is used to conduct air to the cathode 41. To produce the gas and / or electron conduction structure 10, material 12 is applied to areas of the surface 30 of an electrode 40, namely the cathode 41 been. Areas that are free of applied material 12 are arranged between the areas of the applied material 12, which are designed in the form of webs. These are flow channels 14 in which air can freely circulate.

Das Material 12 ist insbesondere Schicht für Schicht mittels eines 3-D- Siebdruckverfahrens aufgebracht und anschließend gesintert worden. Es handelt sich um ein elektrisch leitfähiges keramisches Material 12, das neben der Funktion der Gasleitung ebenfalls der Elektronenleitung, also der elektrischen Kontaktierung der Kathode 41, dient. Es handelt sich darüber hinaus um ein poröses Material, das dementsprechend eine poröse Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 bereitstellt, welche eine Zu- und Abführung von Gasen auch im Inneren der hergestellten Stege ermöglicht. Auf diese Weise wird die Gasleitung verbessert und es sind breitere Stege möglich, die gleichzeitig den elektrischen Kontakt verbessern. The material 12 is in particular applied layer by layer by means of a 3-D screen printing process and then sintered. It is an electrically conductive ceramic material 12 which, in addition to the function of gas conduction, also serves to conduct electrons, that is to say to make electrical contact with the cathode 41. In addition, it is a porous material which accordingly provides a porous gas and / or electron conduction structure 10, which also supplies and removes gases in the interior of the webs produced enables. In this way, the gas line is improved and wider webs are possible, which at the same time improve the electrical contact.

Das Material 12 wurde auf eine ebene Oberfläche 30 der Kathode 41 aufgebracht, die als flächiges Bauteil 32 ausgestaltet ist. Auf diese Weise wurde eine besonders kostengünstige und platzsparende Kathode 41 erreicht. Das Material 12 kann beispielsweise dem Material des die Oberfläche 30 ausbildenden Bauteils 32, nämlich der Kathode 41, entsprechen. The material 12 was applied to a flat surface 30 of the cathode 41, which is designed as a flat component 32. In this way, a particularly inexpensive and space-saving cathode 41 was achieved. The material 12 can, for example, correspond to the material of the component 32 forming the surface 30, namely the cathode 41.

Zur Verhinderung des Abdampfens von chromhaltigen Substanzen wurde auf dem Interkonnektor 44 eine Schutzschicht 51 aufgebracht. Um wiederum den elektrischen Kontakt zwischen dem Interkonnektor 44 bzw. der Schutzschicht 51 und dem die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 ausbildenden Material 12 zu verbessern, wurde auf die Schutzschicht 51 eine Kontaktschicht 52 aufgebracht. Prinzipiell ist auch ein Aufbringen der Schutzschicht 51 auf die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 möglich, beispielsweise um Material zu sparen. Dies ist jedoch aufgrund der unterbrochenen Oberfläche der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 aufwendiger und somit unter Umständen nicht empfehlenswert. Grundsätzlich kann die Kontaktschicht auf die Zelle, also auf zumindest eine der Elektroden, und/oder den Interkonnektor aufgebracht werden. To prevent the evaporation of chromium-containing substances, a protective layer 51 was applied to the interconnector 44. In order in turn to improve the electrical contact between the interconnector 44 or the protective layer 51 and the material 12 forming the gas and / or electron conduction structure 10, a contact layer 52 was applied to the protective layer 51. In principle, it is also possible to apply the protective layer 51 to the gas and / or electron conduction structure 10, for example in order to save material. However, due to the interrupted surface of the gas and / or electron conduction structure 10, this is more complex and therefore not recommendable under certain circumstances. In principle, the contact layer can be applied to the cell, that is to say to at least one of the electrodes, and / or the interconnector.

Auch die hier in Form einer Wiederholeinheit dargestellte Brennstoffzelle 20 ist zur vielfach übereinander gestapelten Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel, auch als Stack bezeichnet, vorgesehen. In diesem Fall liegt folglich die Unterseite des Interkonnektors 44 einer Brennstoffzelle 20 an der Oberseite einer Netzstruktur 60 der benachbarten Brennstoffzelle 20 an. Der Interkonnektor 44 dient dabei der gasdichten Abdichtung zwischen der Luftseite der Brennstoffzelle 20 im Bereich der Kathode 41 und der Brennstoffseite der Brennstoffzelle 20 im Bereich der Anode 42. Bezugszeichenliste The fuel cell 20, shown here in the form of a repeating unit, is also provided for arrangement in a fuel cell stack, also referred to as a stack, which is stacked one on top of the other. In this case, the lower side of the interconnector 44 of a fuel cell 20 consequently rests against the upper side of a network structure 60 of the adjacent fuel cell 20. The interconnector 44 serves as a gas-tight seal between the air side of the fuel cell 20 in the area of the cathode 41 and the fuel side of the fuel cell 20 in the area of the anode 42. List of reference symbols

Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur 10 Gas and / or electron conduction structure 10

Material 12 Material 12

Strömungskanal 14 Flow channel 14

Brennstoffzelle 20 Fuel cell 20

Oberfläche 30 Surface 30

Bauteil 32 Component 32

Elektrode 40 Electrode 40

Kathode 41 Cathode 41

Anode 42 Anode 42

Interkonnektor 44 Interconnector 44

Schutzschicht 51 Protective layer 51

Kontaktschicht 52 Contact layer 52

Netzstruktur 60 Network structure 60

Anodensubstrat 62 Anode substrate 62

Elektrolyt 64 Electrolyte 64

In einer Ausgestaltung wird das Material mittels eines Druckverfahrens aufgetragen, insbesondere mittels Schablonendruck. Ein Aufträgen durch Schablonendruck ist dem Siebdruck vorzuziehen, wenn Trockenschichtdicken von mehr als 150 pm erreicht werden sollen und keine komplexen Formen mit Aussparungen benötigt werden. In one embodiment, the material is applied by means of a printing process, in particular by means of stencil printing. Application by stencil printing is preferable to screen printing if dry film thicknesses of more than 150 μm are to be achieved and complex shapes with cutouts are not required.

In einer Ausführungsform wird das Material mittels eines Verfahrens aufgetragen, das kein generatives Fertigungsverfahren ist. Es wird Material aufgetragen, jedoch insbesondere nicht schichtweise in mehreren Schichten. Dadurch wird das Verfahren insbesondere im Vergleich zu den generativen Fertigungsverfahren deutlich beschleunigt, sodass eine industrielle Massenfertigung ermöglicht bzw. signifikant vereinfacht wird. Insbesondere wird das Material mittels Siebdruck, Tampondruck oder mit einem Gussverfahren, beispielsweise Foliengießen, einem Spritzverfahren oder durch Extrudieren aufgetragen. Das Verfahren kann ein Druckverfahren sein. In one embodiment, the material is applied using a method that is not a generative manufacturing method. Material is applied, but especially not in several layers. As a result, the process is significantly accelerated, particularly in comparison to the generative manufacturing process, so that industrial mass production is made possible or significantly simplified. In particular, the material is applied by means of screen printing, pad printing or a casting process, for example film casting, an injection molding process or by extrusion. The method can be a printing method.

Insbesondere ist die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur derart ausgebildet, dass keine weiteren kanalförmigen Strukturen zur Gasversorgung, beispielsweise zur Gasversorgung der aktiven Zellfläche einer Stackebene, benötigt werden. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann dementsprechend allein die Gasleitung gewährleisten. Die Gasleitung meint die Zu- und Abfuhr der Brenngase und Reaktionsprodukte zu/von der aktiven Zellfläche. Der Interkonnektor dient dann hauptsächlich zur Elektronenleitung. Ein solcher Aufbau ließe sich dadurch erkennen, dass bei Entfernung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur aus einer gegebenen Zelle und bei direkter Kontaktierung der angrenzenden Komponenten keine ausreichende Gasversorgung der aktiven Zellfläche mehr gewährleistet wäre. In particular, the gas and / or electron conduction structure is designed in such a way that no further channel-shaped structures are required for gas supply, for example for gas supply to the active cell surface of a stack level. The gas and / or electron conduction structure can accordingly be the gas conduit alone guarantee. The gas line means the supply and discharge of the fuel gases and reaction products to / from the active cell surface. The interconnector then mainly serves to conduct electrons. Such a structure could be recognized by the fact that if the gas and / or electron conduction structure were removed from a given cell and if the adjacent components were in direct contact, an adequate gas supply to the active cell surface would no longer be guaranteed.

Insbesondere ist die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur derart ausgebildet, dass sie zur Kontaktierung des angrenzenden Bauteils, insbesondere des Interkonnektors oder der Elektrode, dienen. Somit ist es nicht notwendig, dazwischen eine zusätzliche Kontaktschicht und/oder Schutzschicht anzuordnen. Es ist wie beschrieben allerdings möglich, zusätzliche Kontaktschicht und/oder Schutzschicht anzuordnen. In particular, the gas and / or electron conduction structure is designed in such a way that it is used to make contact with the adjoining component, in particular the interconnector or the electrode. It is therefore not necessary to arrange an additional contact layer and / or protective layer between them. As described, however, it is possible to arrange an additional contact layer and / or protective layer.

Insbesondere ist die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur nicht selbst die (elektrochemisch aktive) Elektrode und/oder die Elektrode befindet sich nicht direkt am Interkonnektor. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann sich zwischen der Elektrode und dem Interkonnektor befinden. In particular, the gas and / or electron conduction structure is not itself the (electrochemically active) electrode and / or the electrode is not located directly on the interconnector. The gas and / or electron conduction structure can be located between the electrode and the interconnector.

Das Material kann auf eine Oberfläche eines flächigen Bauteils aufgetragen werden. Das flächige Bauteil kann zur mechanischen Verstärkung beispielsweise konturiert sein. Es kann Formelemente zur Versteifung aufweisen. The material can be applied to a surface of a flat component. The flat component can, for example, be contoured for mechanical reinforcement. It can have form elements for stiffening.

In dem Fall, dass das Material auf eine Oberfläche einer Elektrode aufgetragen wird, werden bei dem kontaktierenden Bauteil, insbesondere einem Interkonnektor, keine Gasleitungsstrukturen benötigt. Der Interkonnektor kann somit als flaches Bauteil ausgestaltet sein, was signifikante Einsparungen hinsichtlich des technischen Aufwands und der Kosten mit sich bringt. Alternativ kann das Material auf eine flache Interkonnektor-Vorstufe aufgebracht werden, die beispielsweise mit einer Schutzschicht und/oder einer Kontaktschicht versehen ist, um auf diese Weise als angrenzende Elektrode ein flaches Bauteil zu ermöglichen. In the event that the material is applied to a surface of an electrode, no gas line structures are required for the contacting component, in particular an interconnector. The interconnector can thus be designed as a flat component, which brings significant savings in terms of technical complexity and costs. Alternatively, the material can be applied to a flat interconnector precursor, which is provided, for example, with a protective layer and / or a contact layer, in order in this way to enable a flat component as an adjacent electrode.

In einer Ausführungsform ist die Kathode im Wesentlichen frei von Metall. Das bedeutet, dass die Kathode einen auf die Masse bezogenen Metallanteil von weniger als 5%, insbesondere weniger als 1% und beispielsweise weniger als 0,5% aufweist. Insbesondere ist die Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle oder derIn one embodiment, the cathode is essentially free of metal. This means that the cathode has a metal content based on the mass of less than 5%, in particular less than 1% and, for example, less than 0.5%. In particular, the fuel cell or electrolysis cell or the

Brennstoffzellenstapel so aufgebaut, dass an einer Oberfläche einer Elektrode die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur anliegt. An der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur liegt wiederum der Interkonnektor an. Dies ermöglicht eine flache und ggf. ebene Ausgestaltung des Interkonnektors. Dieser kann beispielsweise als Blech ausgestaltet sein. Er kann wie beschrieben konturiert sein. Fuel cell stack constructed in such a way that the gas and / or electron conduction structure rests on a surface of an electrode. The interconnector is in turn in contact with the gas and / or electron conduction structure. This enables a flat and possibly even design of the interconnector. This can for example be designed as a sheet metal. It can be contoured as described.

Zwischen der Oberfläche und der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann eine Schutzschicht und/oder eine Kontaktschicht angeordnet sein. Insbesondere kann oder können diese auf der Oberfläche angeordnet sein. Zwischen der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur und dem Interkonnektor kann eine Schutzschicht und/oder eine Kontaktschicht angeordnet sein. Insbesondere kann oder können diese auf dem Interkonnektor angeordnet sein. Die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur kann keramisches Material umfassen oder daraus bestehen. A protective layer and / or a contact layer can be arranged between the surface and the gas and / or electron conduction structure. In particular, they can be arranged on the surface. A protective layer and / or a contact layer can be arranged between the gas and / or electron conduction structure and the interconnector. In particular, they can be arranged on the interconnector. The gas and / or electron conduction structure can comprise or consist of ceramic material.

Claims

Ansprüche Expectations 1. Verfahren zur Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (20) oder Elektrolysezelle, bei dem zur Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) auf zumindest einen Bereich einer Oberfläche (30) Material (12) aufgetragen wird. 1. A method for producing a gas and / or electron conduction structure (10) for a fuel cell (20) or electrolytic cell, in which material (12) is used to form the gas and / or electron conduction structure (10) on at least one area of a surface (30) ) is applied. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Material (12) dem Material des die Oberfläche (30) ausbildenden Bauteils (32) entspricht. 2. The method according to claim 1, characterized in that the applied material (12) corresponds to the material of the component (32) forming the surface (30). 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des aufgetragenen Materials (12) eine poröse Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) hergestellt wird, sodass eine Zu- und Abführung von Gasen oder Gasgemischen durch das aufgetragene Material (12) hindurch erfolgen kann. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that by means of the applied material (12) a porous gas and / or electron conduction structure (10) is produced, so that a supply and discharge of gases or gas mixtures through the applied material (12 ) can take place through it. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (12) flächig auf zumindest einen Bereich der Oberfläche (30) und insbesondere auf die gesamte Oberfläche (30) aufgetragen wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the material (12) is applied flat to at least one area of the surface (30) and in particular to the entire surface (30). 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (12) ein elektrisch leitfähiges Material (12) ist, insbesondere ein metallisches oder keramisches Material (12), so dass die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) zur elektrischen Kontaktierung einer Elektrode (40) eingerichtet ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the material (12) is an electrically conductive material (12), in particular a metallic or ceramic material (12), so that the gas and / or electron conduction structure (10) for electrical contacting of an electrode (40) is set up. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) derart hergestellt wird, dass zwischen Bereichen aufgetragenen Materials (12) zumindest ein Strömungskanal (14) verbleibt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gas and / or electron conduction structure (10) is produced in such a way that at least one flow channel (14) remains between areas of applied material (12). 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (12) auf eine Oberfläche (30) eines flächigen Bauteils (32), insbesondere eines Blechteils oder einer Elektrode, aufgetragen wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the material (12) is applied to a surface (30) of a flat component (32), in particular a sheet metal part or an electrode. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (12) mittels eines Druckverfahrens aufgetragen wird, insbesondere mittels Siebdrucks, Tampondrucks oder eines 3D-Druck-Verfahrens, dass das Material (12) mittels eines Gussverfahrens, beispielsweise Foliengießen, mittels eines Spritzverfahrens oder mittels Extrudieren aufgetragen wird, und/oder dass das Material (12) nach dem Aufbringen einer Wärmebehandlung unterzogen, insbesondere gesintert, wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the material (12) is applied by means of a printing process, in particular by means of screen printing, pad printing or a 3D printing process, that the material (12) is applied by means of a casting process, for example film casting, is applied by means of a spraying process or by means of extrusion, and / or that the material (12) is subjected to a heat treatment, in particular sintered, after application. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (12) auf eine Oberfläche (30) einer Elektrode (40), insbesondere einer Kathode (41), aufgetragen wird. 9. The method according to any one of claims 1-8, characterized in that the material (12) is applied to a surface (30) of an electrode (40), in particular a cathode (41). 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das10. The method according to any one of claims 1-8, characterized in that the Material (12) zwecks Herstellung eines Interkonnektors (44) auf eineMaterial (12) for the purpose of producing an interconnector (44) on a Oberfläche (30) einer Interkonnektor-Vorstufe aufgetragen wird. Surface (30) of an interconnector precursor is applied. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das aufgetragene Material (12) zumindest bereichsweise eine Schutzschicht (51) aufgebracht wird, um ein Abdampfen von chromhaltigen Substanzen zu verhindern, und/oder dass auf das aufgetragene Material (12) oder auf eine Schutzschicht (51) zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht (52) aufgebracht wird, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a protective layer (51) is applied to the applied material (12) at least in some areas in order to prevent evaporation of chromium-containing substances, and / or that the applied material (12) or a contact layer (52) is applied to a protective layer (51) at least in regions in order to improve electrical contacting. 12. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (20) oder Elektrolysezelle, umfassend die Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1-11. 12. A method for producing a fuel cell (20) or electrolysis cell, comprising the production of a gas and / or electron conduction structure (10) according to any one of claims 1-11. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 13. The method according to claim 12, characterized in that - das Material (12) auf eine Oberfläche (30) einer Elektrode (40) aufgetragen wird und auf einen Interkonnektor (44) zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht (52) aufgebracht wird, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern, wobei die Kontaktschicht (52) insbesondere aus dem auf die Oberfläche (30) der Elektrode (40) aufgetragenen Material (12) besteht, oder - das Material (12) zwecks Herstellung eines Interkonnektors (44) auf eine Oberfläche (30) einer Interkonnektor- Vorstufe aufgetragen wird und auf eine Elektrode (40) zur Kontaktierung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) des Interkonnektors (44) zumindest bereichsweise eine Kontaktschicht (52) aufgebracht wird, um eine elektrische Kontaktierung zu verbessern, wobei die Kontaktschicht (52) insbesondere aus dem auf die Oberfläche (30) des Interkonnektors (44) aufgetragenen Material (12) besteht. - The material (12) is applied to a surface (30) of an electrode (40) and a contact layer (52) is applied at least in some areas to an interconnector (44) for contacting the gas and / or electron conduction structure (10) in order to provide a to improve electrical contact, wherein the contact layer (52) in particular consists of the material (12) applied to the surface (30) of the electrode (40), or - the material (12) is applied to a surface (30) of an interconnector precursor for the purpose of producing an interconnector (44) and to a Electrode (40) for contacting the gas and / or electron conduction structure (10) of the interconnector (44), a contact layer (52) is applied at least in some areas in order to improve electrical contacting, the contact layer (52) in particular from being applied to the surface (30) of the interconnector (44) applied material (12). 14. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, umfassend die Herstellung einer Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1-11 und/oder die Herstellung einer Brennstoffzelle (20) gemäß einem der Ansprüche 12 und 13. 14. A method for producing a fuel cell stack, comprising the production of a gas and / or electron conduction structure (10) according to one of claims 1-11 and / or the production of a fuel cell (20) according to one of claims 12 and 13. 15. Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) für eine Brennstoffzelle (20) oder Elektrolysezelle, umfassend ein zur Ausbildung der Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) auf zumindest einen Bereich einer Oberfläche (30) aufgetragenes Material (12). 15. Gas and / or electron conduction structure (10) for a fuel cell (20) or electrolysis cell, comprising a material (12) applied to at least one area of a surface (30) to form the gas and / or electron conduction structure (10). 16. Brennstoffzelle (20) oder Elektrolysezelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, umfassend eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) gemäß Anspruch 15. 16. Fuel cell (20) or electrolysis cell, in particular solid oxide fuel cell, comprising a gas and / or electron conduction structure (10) according to claim 15. 17. Brennstoffzellenstapel, umfassend wenigstens eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) gemäß Anspruch 15 und/oder wenigstens eine Brennstoffzelle (20) gemäß Anspruch 16, wobei insbesondere zwischen zwei benachbarten Elektroden (40) benachbarter Brennstoffzellen (20) eine Gas- und/oder Elektronenleitungsstruktur (10) angeordnet ist. 17. Fuel cell stack, comprising at least one gas and / or electron conduction structure (10) according to claim 15 and / or at least one fuel cell (20) according to claim 16, wherein in particular between two adjacent electrodes (40) of adjacent fuel cells (20) a gas and / or electron conduction structure (10) is arranged.
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