DE10135336C1

DE10135336C1 - Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenblockverbund

Info

Publication number: DE10135336C1
Application number: DE10135336A
Authority: DE
Inventors: Armin Diez
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2021-07-20

Abstract

Um eine Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenblockverbund, welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten umfaßt, die längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgen, wobei die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil, welche im wesentlichen gasdicht miteinander verbunden sind, umfaßt, und wobei der erste Gehäuseteil eine erste Verbindungsfläche aufweist, an welcher der erste Gehäuseteil an dem zweiten Gehäuseteil festgelegt ist, zu schaffen, deren Gehäuse einfach und rasch montierbar ist, wird vorgeschlagen, daß die erste Verbindungsfläche im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung ausgerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenein heit für einen Brennstoffzellenblockverbund, welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten umfaßt, die längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgen, wobei die Brennstoff zelleneinheit ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil, welche im wesentlichen gasdicht miteinander verbunden sind, umfaßt, und wobei der erste Ge häuseteil eine erste Verbindungsfläche aufweist, an welcher der erste Gehäuseteil an dem zweiten Gehäuseteil festgelegt ist.

Aus der deutschen Patentanmeldung 100 44 703 derselben Anmel derin ist eine solche Brennstoffzelleneinheit bekannt, bei welcher ein als Kontaktplatte ausgebildetes erstes Gehäuse teil eine Verbindungsfläche aufweist, welche senkrecht zu der Stapelrichtung ausgerichtet ist, wobei die Kontaktplatte an dieser Verbindungsfläche durch Verschweißen oder Verlöten an einem als Fluidführungsrahmen ausgebildeten zweiten Gehäuse teil festgelegt ist.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Kontaktplatte und des Fluidführungsrahmens oder aufgrund von Montagetoleranzen beim Zusammenbau des Gehäuses der Brenn stoffzelleneinheit kann es jedoch vorkommen, daß die Verbin dungsfläche der Kontaktplatte nicht überall flächig an dem Fluidführungsrahmen anliegt, so daß die miteinander zu ver bindenden Bereiche der Kontaktplatte und des Fluidführungs rahmens während des Verschweißens oder des Verlötens gegen einander gepreßt werden müssen, um eine ausreichende Gas dichtheit der Verbindung zwischen diesen beiden Gehäuseteilen zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Gehäuse einfach und rasch montierbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß da durch gelöst, daß die erste Verbindungsfläche im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenblockver bunds ausgerichtet ist.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenein heit die erste Verbindungsfläche parallel zu der Stapelrich tung ausgerichtet ist, können Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der beiden Gehäuseteile dadurch ausgeglichen wer den, daß die beiden miteinander zu verbindenden Gehäuseteile beim Zusammenbau des Gehäuses längs der Stapelrichtung so ge geneinander verschoben werden, daß die gasdichte Verbindung zwischen der ersten Verbindungsfläche des ersten Gehäuseteils und dem zweiten Gehäuseteil hergestellt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß die erste Verbin dungsfläche an einem ersten Verbindungsflansch angeordnet ist, wobei der erste Verbindungsflansch längs einer Biegeli nie an einen Bereich des ersten Gehäuseteils angrenzt, der im wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung ausgerichtet ist, und wobei sich der erste Verbindungsflansch von diesem Bereich des ersten Gehäuseteils aus im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung erstreckt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der erste Verbindungs flansch den im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung aus gerichteten Bereich des ersten Gehäuseteils ringförmig um gibt.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß der zweite Gehäuse teil einen zweiten Verbindungsflansch aufweist, welcher längs einer Biegelinie an einen Bereich des zweiten Gehäuseteils angrenzt, der im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichtet ist, und welcher sich von diesem Bereich des zweiten Gehäuseteils aus im wesentlichen parallel zu der Sta pelrichtung erstreckt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der zweite Verbin dungsflansch des zweiten Gehäuseteils einen Schiebesitz bil det, in dem der erste Verbindungsflansch des ersten Gehäuse teils längs der Stapelrichtung verschieblich aufgenommen ist. Auf diese Weise können eventuell auftretende Fertigungs- und Montagetoleranzen besonders einfach ausgeglichen werden.

Ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der zweite Verbin dungsflansch einen freien Rand aufweist, an dem der zweite Verbindungsflansch mit dem ersten Gehäuseteil verbunden ist, so bietet dies den Vorteil, daß die Verbindungsstelle zwi schen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil be sonders leicht von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist.

Aus demselben Grund ist es von Vorteil, wenn der erste Ver bindungsflansch einen freien Rand aufweist, an dem der erste Verbindungsflansch mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden ist.

Der erste Gehäuseteil und der zweite Gehäuseteil sind vor zugsweise durch Verschweißen, insbesondere durch Laser schweißen und/oder durch Verlöten, insbesondere durch Hartlö ten, im wesentlichen gasdicht miteinander verbunden.

Anspruch 8 ist auf einen Brennstoffzellenblockverbund gerich tet, welcher eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennstoff zelleneinheiten umfaßt, die längs der Stapelrichtung aufein anderfolgen.

Um die Herstellung des Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit weiter zu vereinfachen, sind die Gehäuseteile der Brennstoff zelleneinheit vorzugsweise als Blechformteile ausgebildet, die durch einen oder mehrere Umformvorgänge, insbesondere durch Prägen und/oder Tiefziehen, aus im wesentlichen ebenen Blechzuschnitten hergestellt werden.

Der erfindungsgemäße Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit eignet sich insbesondere für sogenannte Hochtemperatur-Brenn stoffzelleneinheiten, die eine Betriebstemperatur von bis zu 1000°C aufweisen und ohne externen Reformer direkt mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas wie beispielsweise Methan oder Erdgas oder, alternativ hierzu, unter Verwendung eines externen Reformers, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas, wie beispielsweise Methan, Erdgas, Diesel- oder Benzinkraftstoff, betrieben werden können.

Zur Verwendung in einer solchen Hochtemperatur-Brennstoffzel leneinheit werden die Gehäuseteile des Gehäuses der Brenn stoffzelleneinheit aus einem Blechmaterial hergestellt, das bei den auftretenden Temperaturen von bis zu 1000°C chemisch beständig gegenüber den Bestandteilen des Brenngases, der zu geführten Verbrennungsluft und eines gegebenenfalls zugeführ ten Kühlmittels (beispielsweise Kühlluft) ist.

Besonders geeignet hierfür sind hochtemperaturbeständige Edelstahlbleche oder mit einem anorganischen oder keramischen Material beschichtete Stahlbleche.

Die Stärke des verwendeten Blechmaterials beträgt vorzugs weise höchstens ungefähr 3 mm, insbesondere höchstens unge fähr 1 mm.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit Zuführlei tungen und Abführleitungen für das Oxidationsmit tel und das Brennstoffgas;

Fig. 2 einen schematischen vertikalen Schnitt durch einen in dem Gehäuse der Brennstoffzellenvorrich tung aus Fig. 1 angeordneten Brennstoffzellen blockverbund;

Fig. 3 eine Draufsicht von oben auf Endplatten des Brennstoffzellenblockverbunds aus Fig. 2;

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ka thoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit mit daran an grenzenden Kontaktplatten;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine Kontakt platte einer Brennstoffzelleneinheit;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf einen Fluidfüh rungsrahmen einer Brennstoffzelleneinheit;

Fig. 7 den rechten Teil eines schematischen Querschnitts durch vier in der Stapelrichtung des Brennstoff zellenblockverbunds aufeinanderfolgende Brenn stoffzelleneinheiten;

Fig. 8 den rechten Teil eines schematischen Längs schnitts durch vier längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenblockverbunds aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten im Bereich eines Gaska nals;

Fig. 9 den rechten Teil eines schematischen Längs schnitts durch vier längs der Stapelrichtung des Brennstoffzellenblockverbunds aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten im Bereich zwischen zwei Gaskanälen;

Fig. 10 eine schematische perspektivische Darstellung eines einen Gaskanal umgebenden ringförmigen Ab stützelements einer Brennstoffzelleneinheit;

Fig. 11 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus Fig. 7;

Fig. 12 eine schematische perspektivische Explosionsdar stellung zweier in der Stapelrichtung aufeinan derfolgender Brennstoffzelleneinheiten;

Fig. 13 eine Draufsicht auf das Gehäuse einer Brennstoff zelleneinheit im Bereich einer Gasdurchgangsöff nung bei einer zweiten Ausführungsform der Brenn stoffzelleneinheit, welche eine Vielzahl ein stückig mit den Gehäusewänden ausgebildeter Ab stützelemente aufweist;

Fig. 14 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit aus Fig. 13 längs der Li nie 14-14 in Fig. 13; und

Fig. 15 einen schematischen Schnitt durch das Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit aus Fig. 13 längs der Li nie 15-15 in Fig. 13.

Gleiche oder funktional äquvalente Elemente sind in allen Fi guren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Eine in den Fig. 1 bis 12 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung umfaßt ein im wesent lichen quaderförmiges Gehäuse 102 (siehe Fig. 1), in das eine Oxidationsmittel-Zuführleitung 104 mündet, über die dem In nenraum des Gehäuses 102 ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reiner Sauerstoff, von einem (nicht dargestellten) Zuführgebläse unter einem Überdruck von beispielsweise unge fähr 50 mbar zugeführt wird.

Ferner mündet in das Gehäuse 102 eine Oxidationsmittel-Ab führleitung 105, durch welche überschüssiges Oxidationsmittel aus dem Innenraum des Gehäuses 102 abführbar ist.

Im Innenraum des Gehäuses 102 ist ein in den Fig. 2 und 3 als Ganzes dargestellter Brennstoffzellenblockverbund 106 ange ordnet, welcher eine untere Endplatte 108, eine mittlere obere Endplatte 110, zwei seitliche obere Endplatten 111 und eine Vielzahl zwischen der unteren Endplatte 108 und den obe ren Endplatten 110, 111 angeordneter, längs einer Stapelrich tung 112 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 114 umfaßt.

Wie am besten aus Fig. 12 zu ersehen ist, welche eine per spektivische Explosionsdarstellung zweier längs der Stapel richtung 112 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 114 zeigt, umfaßt jede der Brennstoffzelleneinheiten 114 eine im wesentlichen plattenförmige Kathoden-Anoden-Elektrolyt- Einheit 116 (im folgenden kurz als KAE-Einheit bezeichnet), die zwischen einer Kontaktplatte 118 und einem Fluidführungs rahmen 120 gehalten ist.

Die KAE-Einheit 116 umfaßt, wie in Fig. 4 rein schematisch dargestellt ist, ein gasdurchlässiges, elektrisch leitfähiges Substrat 121, das beispielsweise als Metalldrahtgeflecht, Me talldrahtvlies, Metalldrahtgewebe, Metalldrahtgestrick oder als ein aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln beste hender poröser Körper ausgebildet sein kann, wobei durch das Substrat 121 ein Brenngas aus einem an das Substrat 121 an grenzenden Brenngasraum 124 hindurchtreten kann.

Ferner umfaßt die KAE-Einheit 116 eine auf dem Substrat 121 angeordnete plattenförmige Anode 122 aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise Ni-ZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), welches porös ist, um dem Brenngas aus dem Brenngasraum 124 den Durchtritt durch die Anode 122 zu dem an die Anode 122 angrenzenden Elektroly ten 126 zu ermöglichen.

Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhalti ges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.

Der Elektrolyt 126 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt ausgebildet uns beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.

Auf der der Anode 122 gegenüberliegenden Seite des Elektroly ten 126 grenzt an denselben eine plattenförmige Kathode 128, die aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus LaMnO₃, gebildet ist und eine Porösität aufweist, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 128 angrenzenden Oxidationsmittelraum 130 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 126 zu ermöglichen.

Der Elektrolyt 126 ist im wesentlichen gasdicht, so daß kein Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 130 durch den Elektrolyten 126 in den Brenngasraum 124 und kein Brenngas aus dem Brenngasraum 124 durch den Elektrolyten 126 in den Oxidationsmittelraum 130 gelangen kann.

Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung weist die KAE-Ein heit 116 jeder Brennstoffzelleneinheit 114 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 850°C auf, bei welcher der Elek trolyt 126 für Sauerstoffionen leitfähig ist. Das Oxidations mittel aus dem Oxidationsmittelraum 130 nimmt an der Anode 122 Elektronen auf und gibt zweiwertige Sauerstoffionen an den Elektrolyten 126 ab, welche durch den Elektrolyten 126 hindurch zur Anode 122 wandern. An der Anode 122 wird das Brenngas aus dem Brenngasraum 124 durch die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten 126 oxidiert und gibt dabei Elektronen an die Anode 122 ab.

Die Kontaktplatten 118 dienen dazu, die bei der Reaktion an der Anode 122 frei werdenden Elektronen von der Anode 122 über das Substrat 121 abzuführen bzw. die für die Reaktion an der Kathode 128 benötigten Elektronen der Kathode 128 zuzu führen.

Hierzu besteht jede der Kontaktplatten 118 aus einem elek trisch gut leitfähigen Metallblech, das (wie am besten aus Fig. 5 zu ersehen ist) mit einer Vielzahl von Kontaktelemen ten 132 versehen ist, welche beispielsweise die Form sich in der Längsrichtung 133 der Kontaktplatte 118 erstreckender Rippen aufweisen, die in der Querrichtung 131 der Kontakt platte 118 aufeinander folgen, wobei die in der Querrichtung 131 aufeinanderfolgenden Kontaktelemente 132 unmittelbar an einander angrenzen und von der Mittelebene 139 der Kontakt platte 118 aus abwechselnd zu verschiedenen Seiten der Kon taktplatte 118 vorspringen. Die von der Kontaktplatte 118 nach oben und somit zu der Anode 122 der derselben Brenn stoffzelleneinheit 114 zugehörigen KAE-Einheit 116 vorspring enden anodenseitigen Kontaktelemente sind mit dem Bezugszei chen 132a, die von der Kontaktplatte 118 nach unten und damit zu der Kathode 128 der einer benachbarten Brennstoffzellen einheit 114 zugehörigen KAE-Einheit 116 vorspringenden katho denseitigen Kontaktelemente sind mit dem Bezugszeichen 132b bezeichnet.

Jedes der Kontaktelemente 132 weist einen mittigen, streifen förmigen Kontaktbereich 137 auf, an dem es mit einer angren zenden KAE-Einheit 116 in elektrisch leitendem Kontakt steht (siehe insbesondere Fig. 4 und Fig. 7).

Die Kontaktbereiche 137 der anodenseitigen Kontaktelemente 132a einer Kontaktplatte 118 stehen mit dem Substrat 121 und somit mit der Anode 122 der derselben Brennstoffzelleneinheit 114 zugehörigen KAE-Einheit 116 in elektrischem Flächenkon takt, so daß Elektronen von der jeweiligen Anode 122 in die Kontaktplatte 118 gelangen können.

Die kathodenseitigen Kontaktelemente 132b der Kontaktplatten 118 stehen jeweils mit der Kathode 128 der einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 114 zugehörigen KAE-Einheit 116 in elektrisch leitfähigem Flächenkontakt, so daß Elektronen von der Kontaktplatte 118 zu der Kathode 128 gelangen können. Auf diese Weise ermöglichen die Kontaktplatten 118 den Ladungs ausgleich zwischen den Anoden 122 und den Kathoden 128 längs der Stapelrichtung 112 aufeinanderfolgender KAE-Einheiten 116.

Die an den Enden des Brennstoffzellenblockverbunds 106 ange ordneten Kontaktplatten 118 sind (auf nicht zeichnerisch dar gestellte Weise) mit einem externen Stromkreislauf verbunden, um die an diesen randständigen Kontaktplatten 118 entstehen den elektrischen Ladungen abzugreifen.

Das aus den Kontaktelementen 132 gebildete Kontaktfeld 134 jeder Kontaktplatte 118 weist die Struktur eines in der Quer richtung 131 der Kontaktplatte 118 gewellten Wellblechs auf.

Wie am besten aus der Draufsicht der Fig. 5 zu ersehen ist, ist das mit den Kontaktelementen 132 versehene mittige, im wesentlichen rechteckige Kontaktfeld 134 jeder Kontaktplatte 118 in einen ebenen, im wesentlichen rechteckigen Gasfüh rungsbereich 136 der Kontaktplatte 118 eingebettet.

Der Gasführungsbereich 136 weist zu beiden Seiten des Kon taktfeldes 134 jeweils einen Seitenbereich 140a bzw. 140b auf.

In dem Seitenbereich 140a sind mehrere, beispielsweise zwei, im wesentlichen kreisförmige Brenngasdurchgangsöffnungen 142 ausgebildet.

Jede der Brenngasdurchgangsöffnungen 142 ist von einem ring förmigen Randbereich 144 umgeben, wobei jeder der Bereiche 142 gegenüber dem Gasführungsbereich 136 längs der Stapel richtung 112 nach unten versetzt und mit dem Gasführungsbe reich 136 über eine Schräge 146, welche an einer inneren Bie gelinie 148 an den jeweiligen Randbereich 144 und längs einer äußeren Biegelinie 150 an den Gasführungsbereich 136 an grenzt, verbunden ist.

Die Brenngasdurchgangsöffnungen 142 dienen dem Durchtritt von den Brennstoffzelleneinheiten 114 zuzuführendem Brenngas durch die jeweilige Kontaktplatte 118.

Der dem Seitenbereich 140a gegenüberliegende Seitenbereich 140b jeder Kontaktplatte 118 ist mit mehreren, beispielsweise mit drei, im wesentlichen kreisförmigen Abgasdurchgangsöff nungen 152 versehen.

Jede der Abgasdurchgangsöffnungen 152 ist von einem ringför migen Randbereich 154 umgeben, welcher gegenüber dem Gasfüh rungsbereich 136 der Kontaktplatte 118 längs der Stapelrich tung 112 nach unten versetzt ist und mit dem Gasführungsbe reich 136 über eine Schräge 156, welche an einer inneren Bie gelinie 158 an den Randbereich 154 und längs einer äußeren Biegelinie 160 an den Gasführungsbereich 136 angrenzt, mit dem Gasführungsbereich 136 verbunden ist (siehe insbesondere Fig. 8).

Die Abgasdurchgangsöffnungen 152 der Kontaktplatte 118 ermög lichen den Durchtritt von aus den Brennstoffzelleneinheiten 114 abzuführendem Abgas, welches überschüssiges Brenngas und Verbrennungsprodukte, insbesondere Wasser, enthält, durch die Kontaktplatte 118.

Ferner ist jede Kontaktplatte 118 mit einem den Gasführungs bereich 136 umschließenden Randbereich 162 versehen, welcher senkrecht zur Stapelrichtung 112 ausgerichtet ist, gegenüber dem Gasführungsbereich 136 längs der Stapelrichtung 112 nach oben versetzt ist und mit dem Gasführungsbereich 136 über eine Schräge 164, welche längs einer inneren Biegelinie 166 an den Gasführungsbereich 136 und längs einer äußeren Biege linie 168 an den Randbereich 162 angrenzt, verbunden ist.

Der äußere Rand des Randbereichs 162 ist mit einem Verbin dungsflansch 170 versehen, welcher längs einer Biegelinie 172 an den Randbereich 162 angrenzt und sich von dem Randbereich 162 im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 112 nach unten erstreckt.

Die im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 112 ausge richtete Außenfläche des Verbindungsflansches 170 bildet eine erste Verbindungsfläche 174.

Jede der Kontaktplatten 118 ist als Blechformteil ausgebil det, welches aus einer im wesentlichen ebenen, im wesentli chen rechteckigen Blechlage durch Prägen und/oder Tiefziehen sowie durch Ausstanzen oder Ausschneiden der Brenngasdurch gangsöffnungen 142 und der Abgasdurchgangsöffnungen 152 ge bildet ist.

Auch die Fluidführungsrahmen 120 sind als Blechformteile aus einer im wesentlichen ebenen, im wesentlichen rechteckigen Blechlage gebildet.

Wie am besten aus Fig. 6 zu ersehen ist, weist jeder Fluid führungsrahmen 120 eine im wesentlichen rechteckige, mittige Durchtrittsöffnung 176 für den Durchtritt der KAE-Einheit 116 derselben Brennstoffzelleneinheit 114 auf.

Diese Durchtrittsöffnung 176 ist von einem im wesentlichen ebenen, senkrecht zur Stapelrichtung 112 ausgerichteten Gas führungsbereich 178 umgeben, welcher zwei Seitenbereiche 180a, 180b umfaßt, welche einander an der Durchtrittsöffnung 176 gegenüberliegen.

In dem Seitenbereich 180a sind mehrere, beispielsweise zwei, im wesentlichen kreisförmige Brenngasdurchgasöffnungen 182 ausgebildet, welche den Durchtritt von Brenngas durch den Fluidführungsrahmen 120 ermöglichen.

In dem dem Seitenbereich 180a gegenüberliegenden Seitenbe reich 180b des Gasführungsbereichs 178 sind mehrere, bei spielsweise drei, im wesentlichen kreisförmige Abgasdurch gangsöffnungen 184 ausgebildet, welche den Durchtritt von aus den Brennstoffzelleneinheiten 114 abzuführendem Abgas durch den Fluidführungsrahmen 120 ermöglichen.

Der Gasführungsbereich 178 jedes Fluidführungsrahmens 120 ist an seinem äußeren Rand mit einem Verbindungsflansch 186 ver sehen, welcher längs einer Biegelinie 188 an den Gasführungs bereich 178 angrenzt und sich von dem Gasführungsbereich 178 im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 112 nach unten erstreckt.

Die im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 112 ausge richtete Innenseite des Verbindungsflansches 186 bildet eine zweite Verbindungsfläche 190.

Jeweils ein Fluidführungsrahmen 120 und eine Kontaktplatte 118 bilden zusammen ein Gehäuse 192 einer Brennstoffzellen einheit 114.

Wie aus den Fig. 7 bis 9 zu ersehen ist, sind der Fluidfüh rungsrahmen 120 und die Kontaktplatte 118 eines solchen Ge häuses 192 einer Brennstoffzelleneinheit 114 an ihren Verbin dungsflanschen 186 bzw. 170 aneinander festgelegt und gas dicht gegeneinander abgedichtet.

Dabei umgreift der im wesentlichen parallel zur Stapelrich tung 112 ausgerichtete Verbindungsflansch 186 des Fluidfüh rungsrahmens 120 den ebenfalls im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 112 ausgerichteten Verbindungsflansch 170 der Kontaktplatte 118 derart, daß die erste Verbindungsfläche an dem Verbindungsflansch 170 der Kontaktplatte 118 und die zweite Verbindungsfläche 190 an dem Verbindungsflansch 186 des Fluidführungsrahmens 120 einander gegenüberstehen.

Wie aus den Fig. 7 bis 9 zu ersehen ist, sind der untere Rand 194 und die zweite Verbindungsfläche 190 des Verbindungsflan sches 186 des Fluidführungsrahmens 120 mittels einer Schweiß naht 196 mit der ersten Verbindungsfläche 174 und an dem un teren Rand 198 des Verbindungsflansches 170 der Kontaktplatte 118 verbunden und so an dem Verbindungsflansch 170 der Kon taktplatte 118 festgelegt.

Dabei sorgt die längs der Ränder der Kontaktplatte 118 und des Fluidführungsrahmens 120 umlaufende Schweißnaht 196 für einen gasdichten Verschluß des Zwischenraums zwischen den Verbindungsflanschen 186 und 170.

Die Schweißnaht 196 kann beispielsweise im Laserschweißver fahren oder im Elektronenstrahlverfahren hergestellt werden.

Alternativ oder ergänzend zu einer Verschweißung kann die Verbindung zwischen den Verbindungsflanschen 186 und 170 auch durch Verlötung, insbesondere durch eine Hartlötung, erfol gen.

Dadurch, daß die Verbindungsflansche 186 und 170 und insbe sondere die einander gegenüberstehenden Verbindungsflächen 174 und 190 parallel zur Stapelrichtung 112 ausgerichtet sind, ist die Kontaktplatte 118 in einer Art Schiebesitz in dem Fluidführungsrahmen 120 aufgenommen, so daß die Verbin dungsflansche 186 und 170 auch dann problemlos gasdicht mit einander verbunden werden können, wenn der Abstand zwischen den unteren Rändern 194 und 198 längs der Stapelrichtung 112 aufgrund von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Kontaktplatte 118 und des Fluidführungsrahmens 120 oder auf grund von Montagetoleranzen beim Zusammenbau der Brennstoff zelleneinheit 114 längs des Randes der Kontaktplatte 118 und des Randes des Fluidführungsrahmens 120 variiert.

Wie am besten aus Fig. 8 zu ersehen ist, sind im Bereich der Abgasdurchgangsöffnungen 152, 184 ringförmige Abstützelemente 200 angeordnet, welche mit ihrer Unterseite 202 jeweils an der Oberseite eines eine Abgasdurchgangsöffnung 152 umgeben den Randbereichs 154 einer Kontaktplatte 118 und mit ihrer Oberseite 204 jeweils an der Unterseite des eine Abgasdurch gangsöffnung 184 in dem Fluidführungsrahmen 120 umgebenden Bereichs des Fluidführungsrahmens 120 anliegen.

Ähnliche, sich nur in ihren Abmessungen von den Abstützele menten 200 an den Abgasdurchgangsöffnungen 152, 184 unter scheidende Abstützelemente 200 sind zwischen der Kontakt platte 118 und dem Fluidführungsrahmen 120 im Bereich der Brenngasdurchgangsöffnungen 142, 182 angeordnet.

Ein solches Abstützelement 200 ist in Fig. 10 perspektivisch dargestellt und weist die Form eines Kreisringes mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Um einen Gasdurch tritt von der Innenseite zur Außenseite des Abstützelements 200 (oder in umgekehrter Richtung) zu ermöglichen, ist das Abstützelement 200 mit radial ausgerichteten, das Abstützele ment 200 von dessen Innenseite 206 bis zu dessen Außenseite 208 durchsetzenden, in der Umfangsrichtung des Abstützele ments 200 voneinander beabstandeten, im wesentlichen zylin drischen Gasdurchtrittskanälen 210 versehen.

Die Abstützelemente 200 dienen dazu, die Kontaktplatte 118 und den Fluidführungsrahmen 120 eines Gehäuses 192 einer Brennstoffzelleneinheit 114 auf Abstand voneinander zu halten und so ein Zusammendrücken des Gehäuses 192 durch die bei der Montage des Brennstoffzellenblockverbunds 106 auf das Gehäuse 192 einwirkende Einspannkraft zu verhindern.

Die Abstützwirkung der Abstützelemente 200 spielt bei der Be triebstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung 100, welche bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung im Be reich von ungefähr 800°C bis ungefähr 1000°C liegt, eine be sondere Rolle, da bei solchen Betriebstemperaturen die Streckgrenze des Stahls, aus welchem die Kontaktplatte 118 und der Fluidführungsrahmen 120 gebildet sind, auf Werte von weniger als ungefähr 10 N/mm² abfällt, so daß ohne das Vor handensein der Abstützelemente 200 bereits geringe Einspann kräfte dazu ausreichen würden, die Kontaktplatte 118 und den Fluidführungsrahmen 120 eines Gehäuses 192 gegeneinander zu drücken.

Die Abstützelemente 200 können aus einem metallischen Mate rial oder aus einem keramischen Material gebildet sein.

Statt eines massiven Abstützelements mit Gasdurchtrittskanä len 210 kann auch ein Abstützelement verwendet werden, wel ches als poröses Sinterelement aus einem keramischen und/oder einem metallischen Material gebildet ist. Ein solches Sinter element weist bereits aufgrund seiner Porösität eine ausrei chende Gasdurchlässigkeit auf, so daß ein solches Element nicht mit Gasdurchtrittskanälen versehen werden muß.

Wie am besten aus den Fig. 8 und 12 zu ersehen ist, ist zwi schen der Unterseite des Randbereichs 154 jeder Abgasdurch gangsöffnung 152 in einer Kontaktplatte 118 und der Oberseite des Gasführungsbereichs 178 des in der Stapelrichtung 112 un ter der betreffenden Kontaktplatte 118 angeordneten Fluidfüh rungsrahmens 120 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 114 jeweils eine Gaskanal-Dichtung 212 angeordnet. Jede der Gaskanaldichtungen 212 dichtet den Zwischenraum zwischen der angrenzenden Kontaktplatte 118 und dem angrenzenden Fluidfüh rungsrahmen 120 gasdicht ab und umschließt die jeweilige Ab gasdurchgangsöffnung 152, 184 in der Kontaktplatte 118 bzw. in dem Fluidführungsrahmen 120 ringförmig.

Wie am besten aus Fig. 8 zu erkennen ist, begrenzen die in der Stapelrichtung 112 aufeinanderfolgenden Kontaktplatten 118 und Fluidführungsrahmen 120 mit den jeweils dazwischen angeordneten Abstützelementen 200 und Gaskanal-Dichtungen 212 mehrere, beispielsweise drei, Abgaskanäle 214, in welche Ab gas aus den Brenngasräumen 124 der Brennstoffzelleneinheiten 114 durch die Gasdurchtrittskanäle 210 in den Abstützelemen ten 200 eintreten kann und die durch die Gaskanal-Dichtungen 212 gasdicht von den Oxidationsmittelräumen 130 der Brenn stoffzelleneinheiten 114 getrennt sind.

In entsprechender Weise sind auch zwischen den Randbereichen 144 der Brenngasdurchgangsöffnungen 142 jeder Kontaktplatte 118 und dem Fluidführungsrahmen 120 einer in der Stapelrich tung 112 unter der betreffenden Kontaktplatte 118 angeordne ten Brennstoffzelleneinheit 114 Gaskanal-Dichtungen 212 ange ordnet, welche die Brenngasdurchgangsöffnungen 142 und 182 in der Kontaktplatte 118 bzw. in dem Fluidführungsrahmen 120 ringförmig umschließen, so daß die in der Stapelrichtung 112 aufeinanderfolgenden Kontaktplatten 118 und Fluidführungsrah men 120 zusammen mit den jeweils dazwischen angeordneten Ab stützelementen 200 und Gaskanal-Dichtungen 212 mehrere, bei spielsweise zwei, Brenngaskanäle 216 bilden, welche sich längs der Stapelrichtung 112 erstrecken, aus welchen Brenngas durch die Gasdurchtrittskanäle 210 in den Abstützelementen 200 in die Brenngasräume 124 der Brennstoffzelleneinheiten 114 austreten kann und welche durch die Gaskanal-Dichtungen 212 gasdicht von den Oxidationsmittelräumen 130 der Brenn stoffzelleneinheiten 114 getrennt sind.

Die Gaskanal-Dichtungen 112 können beispielsweise jeweils eine Flachdichtung aus Glimmer, insbesondere aus Phlogopit, umfassen.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Gaskanal-Dichtungen 212 jeweils eine gasdichte, elek trisch isolierende Beschichtung umfassen, die als Paste im Siebdruckverfahren oder mittels Walzenbeschichtung auf die Oberfläche der Kontaktplatte 118 oder auf die Oberfläche des Fluidführungsrahmens 120 aufgebracht wird.

Ferner ist der Brenngasraum 124 jeder Brennstoffzelleneinheit 114 von dem Oxidationsmittelraum 130 einer in der Stapelrich tung 112 darüber angeordneten Brennstoffzelleneinheit 114 gasdicht durch eine Brenngasraum-Dichtung 218 getrennt, deren Aufbau im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 11 detail liert beschrieben wird.

Wie aus Fig. 11 zu ersehen ist, weist das Substrat 121 der KAE-Einheit 116 einen verdichteten Außenbereich 220 auf, der sich längs des gesamten Umfangs des Substrats 121 erstreckt und in welchem die Dicke des Substrats 121 durch einen Press vorgang auf beispielsweise ungefähr 20 . der Anfangsdicke, d. h. der Dicke des ungepreßten Bereichs des Substrats 121, reduziert worden ist.

Bei diesem Verdichtungsvorgang wird die Porosität des Sub strats 121, d. h. der prozentuale Anteil des gasgefüllten Vo lumens des Substrats 121 am Gesamtvolumen des Substrats 121, in dem verdichteten Außenbereich 220 auf nahezu Null verrin gert.

Um dies zu erreichen, wird bei einem Substrat 121, das eine Porosität von x% aufweist, die Dicke im verdichteten Außen bereich 220 durch den Verdichtungsvorgang vorzugsweise auf (100 - x)% der Anfangsdicke reduziert; im Falle einer Poro sität von 80% also auf 20% der Anfangsdicke.

Das Substrat 121 wird mit der Unterseite 222 des verdichteten Außenbereichs 220 auf den Fluidführungsrahmen 120 aufgelegt und durch einen Schweißvorgang, beispielsweise durch Laser schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Buckelschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen, gasdicht mit dem metallischen Material des Fluidführungsrahmens 120 verbunden.

Durch den Schweißvorgang wird in dem verdichteten Außenbe reich 220 des Substrats 121 eine keine Porösität mehr aufwei sende gasdichte Zone 224 gebildet, welche sich von der Unter seite 222 bis zu der Oberseite 226 des verdichteten Außenbe reichs 220 durch den verdichteten Außenbereich 220 des Sub strats 121 hindurch erstreckt und eine sich längs des gesam ten Umfangs des Substrats 121 erstreckende gasdichte Barriere bildet, welche einen Gasdurchtritt von dem außerhalb der gas dichten Zone 224 liegenden Randbereich 228 in den von der gasdichten Zone 224 umschlossenen Innenbereich 230 des Sub strats 121 ebenso wie einen Gasdurchtritt in umgekehrter Richtung verhindert.

Statt durch Verschweißen des Substrats 121 mit dem Fluidfüh rungsrahmen 120 kann die gasdichte Zone 224 im verdichteten Außenbereich 220 des Substrats 221 auch durch Verlöten des Substrats 121 mit dem Fluidführungsrahmen 120 gebildet wer den. Dabei wird das verwendete Lot aufgrund der Kapillarwir kung in die noch vorhandenen Poren und Durchgangskanäle in dem verdichteten Außenbereich 220 des Substrats 121 hineinge sogen und verschließt diese Durchgangsöffnungen dauerhaft, so daß eine sich über die gesamte Höhe des verdichteten Außenbe reichs 220 erstreckende gasdichte Zone 224 entsteht.

Wie aus Fig. 11 ferner zu ersehen ist, erstreckt sich der gasdichte Elektrolyt 126 der KAE-Einheit 116 über den Rand der gasdurchlässigen Anode 122 und über den Rand der gas durchlässigen Kathode 128 hinaus und liegt mit seiner Unter seite direkt auf der Oberseite 226 des verdichteten Außenbe reichs 220 des Substrats 121 auf.

Dieser direkt auf dem Substrat 121 angeordnete Außenbereich 232 des Elektrolyts 126 erstreckt sich zum Rand des Substrats 121 hin so weit nach außen, daß er die gasdichte Zone 224 überdeckt und somit der Innenbereich 230 des Substrats 121 gasdicht von dem über dem Elektrolyten 126 liegenden Oxida tionsmittelraum 130 getrennt ist, ohne daß für diese gas dichte Abtrennung ein zusätzliches Abdichtmedium benötigt wird.

Der Außenbereich 232 des Elektrolyten 126 bildet somit zusam men mit der gasdichten Zone 224 des verdichteten Außenbe reichs 220 des Substrats 121 eine gasdichte Brenngasraum- Dichtung 218, welche den oberhalb des Fluidführungsrahmens 120 angeordneten Oxidationsmittelraum 130 gasdicht von dem unterhalb des Fluidführungsrahmens 120 angeordneten Brenngas raum 124 trennt.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform der Brenn gasraum-Dichtung 218 wird diese Dichtung im Bereich zwischen dem äußeren Rand der Anode 122 und der gasdichten Zone 224 des verdichteten Außenbereichs 220 des Substrats 121 durch den über die Anode 122 hinausgeführten Außenbereich 232 des Elektrolyten 126 gebildet.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Brenngasraum-Dichtung 218 einen aus einer Vergußmasse gebildeten Dichtungsbereich umfaßt, welcher den Bereich vom äußeren Rand der Anode 122 bis zu der gasdichten Zone 224 gasdicht überdeckt.

Eine solche Vergußmasse kann beispielsweise ein Glaslot, ein Metallot oder eine anorganische Paste umfassen.

Umfaßt die Brenngasraum-Dichtung 218 sowohl einen bis über die gasdichte Zone 224 hinausgezogenen Elektrolyten 126 als auch eine diesen Außenbereich 232 des Elektrolyten 126 über deckende Vergußmasse, so wird hierdurch eine besonders dichte und zuverlässige Abdichtung des Brenngasraums 124 gegenüber dem Oxidationsmittelraum 130 erzielt.

Wie insbesondere aus Fig. 7 zu ersehen ist, liegt im montier ten Zustand einer Brennstoffzelleneinheit 114 die KAE-Einheit 116 der betreffenden Brennstoffzelle 114 mit dem Substrat 121 auf den anodenseitigen Kontaktelementen 132a der Kontaktplat te 118 der Brennstoffzelleneinheit 114 auf.

Ferner liegt die KAE-Einheit 116 mit dem verdichteten Außen bereich 220 des Substrats 121 auf dem Fluidführungsrahmen 120 derselben Brennstoffzelleneinheit 114 auf, wobei sich der un verdichtete Bereich des Substrats 121 durch die Durchtritts öffnung 176 des Fluidführungsrahmen 120 hindurch erstreckt, das Substrat 121 durch Verschweißung oder Verlötung an dem Fluidführungsrahmen 120 festgelegt ist und der Fluidführungs rahmen 120 durch Verschweißung an der Schweißnaht 196 oder durch Verlötung seines Verbindungsflansches 186 mit dem Ver bindungsflansch 170 der Kontaktplatte 118 an der Kontaktplat te 118 festgelegt ist.

Die Brennstoffzelleneinheiten 114 des Brennstoffzellenblock verbunds 106 sind längs der Stapelrichtung 112 so aufeinan dergestapelt, daß die kathodenseitigen Kontaktelemente 132b jeder Kontaktplatte 118 sich zu der Kathode der KAE-Einheit 116 der darunter angeordneten Brennstoffzelleneinheit 114 er strecken und im elektrisch leitenden Kontakt an derselben an liegen.

Dabei fluchten die Brenngasdurchgangsöffnungen 142, 182 und die Abgasdurchgangsöffnungen 152, 184 längs der Stapelrich tung 112 aufeinanderfolgender Hrennstoffzelleneinheiten 114 miteinander, um so die Brenngaskanäle 216 bzw. die Abgaska näle 214 zu bilden.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, mündet an dem unterem Ende je des Brenngaskanals 216 in denselben eine Brenngaszuführöff nung 234, welche die untere Endplatte 108 des Brennstoffzel lenblockverbunds 106 koaxial zu dem jeweiligen Brenngaskanal 216 durchsetzt.

An das dem jeweiligen Brenngaskanal 216 abgewandte Ende der Brenngaszuführöffnung 234 ist eine Brenngas-Zweigleitung 236 angeschlossen, welche von einer Brenngas-Zuführleitung 238 abzweigt, die durch das Gehäuse der Brennstoffzellenvorrich tung 100 gasdicht hindurchgeführt und an eine (nicht darge stellte) Brenngaszufuhr angeschlossen ist, welche der Brenn gas-Zuführleitung 238 ein Brenngas, beispielsweise ein koh lenwasserstoffhaltiges Gas oder reinen Wasserstoff, unter einem Überdruck von beispielsweise ungefähr 50 mbar zuführt.

Die Abgaskanäle 214 des Brennstoffzellenblockverbunds 106 münden an ihren oberen Enden jeweils in eine zum betreffenden Abgaskanal 214 koaxiale Abgasabführöffnung 240 (siehe Fig. 3), welche die seitliche obere Endplatte 111 durchsetzt und an ihrem dem jeweiligen Abgaskanal 214 abgewandten Ende an jeweils eine Abgas-Zweigleitung 242 angeschlossen ist.

Diese Abgas-Zweigleitungen 242 münden in eine gemeinsame Ab gas-Abführleitung 244 (siehe Fig. 1), welche gasdicht durch das Gehäuse 102 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 hindurch geführt und an eine (nicht dargestellt) Abgasbehandlungsein heit angeschlossen ist.

Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 100 strömt das Brenngas durch die Brenngas-Zuführleitung 238, die Brenngas- Zweigleitungen 236 und die Brenngaszuführöffnungen 234 in die beiden Brenngaskanäle 216 ein und verteilt sich von dort durch die Gasdurchtrittskanäle 210 der brenngaskanalseitigen Abstützelemente 200 auf die Brenngasräume 124 der Brennstoff zelleneinheiten 114, welche jeweils durch die Kontaktplatte 118, den Fluidführungsrahmen 120 und die KAE-Einheit 116 der betreffenden Brennstoffzelleneinheit 114 umschlossen sind.

Wie bereits beschrieben, wird das Brenngas zumindest teil weise an der den jeweiligen Brenngasraum 124 begrenzenden An ode 122 der jeweiligen KAE-Einheit 116 oxidiert.

Das Oxidationsprodukt (Wasser) gelangt zusammen mit über schüssigem Brenngas aus den Brenngasräumen 124 der Brenn stoffzelleneinheiten 114 durch die Gasdurchtrittskanäle 210 der abgaskanalseitigen Abstützelemente 200 in die drei Abgas kanäle 214, aus welchen es durch die Abgasabführöffnungen 240, die Abgas-Zweigleitungen 242 und die Abgas-Abführleitung 244 zu der (nicht dargestellten) Abgasbehandlungseinheit ab geführt wird.

Dadurch, daß die Anzahl der Abgaskanäle 214 größer ist als die Anzahl der Brenngaskanäle 216, wird eine besonders gleichmäßige Durchströmung der Brenngasräume 124 zwischen den rippenförmigen Kontaktelementen 132 erzielt und der Strö mungswiderstand beim Durchströmen des Kontaktfeldes 134 redu ziert.

In der Abgasbehandlungseinheit wird beispielsweise das Reak tionsprodukt (Wasser) aus dem Abgasstrom entfernt, und über schüssiges Brenngas wird zu der Brenngaszufuhr geleitet, um nochmals der Brennstoffzellenvorrichtung 100 zugeführt zu werden.

Das für den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 100 benö tigte Oxidationsmittel (beispielsweise Luft oder reiner Sau erstoff) wird dem Innenraum des Gehäuses 102 durch die Oxida tionsmittel-Zuführleitung 104 zugeführt.

Im Innenraum des Gehäuses 102 verteilt sich das Oxidations mittel auf die zwischen den Brenngasräumen 124 der Brenn stoffzelleneinheiten 114 ausgebildeten Oxidationsmittelräume 130, welche durch jeweils eine Kontaktplatte 118 einer Brenn stoffzelleneinheit 114 sowie durch den Fluidführungsrahmen 120 und die Kathode 128 der KAE-Einheit 116 einer benachbar ten Brennstoffzelleneinheit 114 umschlossen sind.

In die Oxidationsmittelräume hinein und aus denselben wieder heraus gelangt das Oxidationsmittel durch die Zwischenräume zwischen jeweils einem Fluidführungsrahmen 120 einer Brenn stoffzelleneinheit 114 und der Kontaktplatte 118 der in der Stapelrichtung 112 darauffolgenden Brennstoffzelleneinheit 114, soweit diese Zwischenräume nicht durch die Abstützele mente 200, welche die Brenngaskanäle 216 bzw. die Abgaskanäle 214 umgeben, überdeckt sind.

Wie bereits beschrieben, werden aus dem Oxidationsmittel an den Kathoden 128 der KAE-Einheiten 116 der Brennstoffzellen einheiten 114 Sauerstoffionen gebildet, welche durch die Elektrolyten 126 zu den Anoden 122 der KAE-Einheiten 116 der Brennstoffzelleneinheiten 114 wandern.

Überschüssiges Oxidationsmittel gelangt aus den Oxidations mittelräumen 130 der Brennstoffzelleneinheiten 114 auf der der Eintrittsseite des Oxidationsmittels gegenüberliegenden Seite hinaus und wird durch die Oxidationsmittel-Abführlei tung 105 aus dem Innenraum des Gehäuses 102 der Brennstoff zellenvorrichtung 100 abgeführt.

Die Strömungsrichtung des Brenngases und des Abgases durch die Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist in den Zeichnungen mit einfachen Pfeilen 246, die Strömungsrichtung des Oxida tionsmittels durch die Brennstoffzellenvorrichtung 100 mit tels Doppelpfeilen 248 angegeben.

Die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels durch die Oxida tionsmittelräume 130 ist im wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung des Brenngases durch die Brenngasräume 124.

Um die längs der Stapelrichtung 112 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 114 durch äußere Verspannung anein ander festzulegen, sind mehrere Verbindungsschrauben 250 (siehe Fig. 2 und 3) vorgesehen, welche Durchgangsbohrungen 252 in der mittleren oberen Endplatte 110 des Brennstoffzel lenblockverbunds 106 durchsetzen und an ihrem dem jeweiligen Schraubenkopf 254 abgewandten Ende mit einem Aussengewinde 256 versehen sind, welches in jeweils eine Gewindebohrung 258 in der unteren Endplatte 108 des Brennstoffzellenverbunds 106 eingedreht ist, so daß die mittlere obere Endplatte 110 und die untere Endplatte 108 durch die Verbindungsschrauben 250 gegeneinander verspannt werden und eine gewünschte Presskraft über die Endplatten 108, 110 auf den mittigen, die Kontakt felder 134 umfassenden Bereich des Stapels der Brennstoffzel leneinheiten 114 übertragbar ist (siehe Fig. 2).

Ferner sind mehrere Verbindungsschrauben 260 vorgesehen, wel che Durchgangsbohrungen 262 in den seitlichen oberen Endplat ten 111 des Brennstoffzellenblockverbunds 106 durchsetzen und an ihrem dem jeweiligen Schraubenkopf 264 abgewandten Ende mit einem Außengewinde 266 versehen sind, welches in jeweils eine Gewindebohrung 268 in der unteren Endplatte 108 einge dreht ist, so daß die seitlichen oberen Endplatten 111 und die untere Endplatte 108 durch die Verbindungsschrauben 260 gegeneinander verspannt sind und eine gewünschte Presskraft über die Endplatten 108, 111 im Bereich der Brenngaskanäle 216 bzw. der Abgaskanäle 214 auf den Stapel der Brennstoff zelleneinheiten 114 übertragbar ist.

Die durch die äußere Verspannung mittels der Verbindungs schrauben 250 und der mittleren oberen Endplatte 110 erzeugte Presskraft bestimmt den Anpressdruck, mit dem die Kontaktele mente 132 gegen das Substrat 121 bzw. gegen die Kathode 128 der angrenzenden KAE-Einheit 116 gepreßt werden.

Der Anpressdruck, mit dem die Abstützelemente 200 und die Gaskanal-Dichtungen 212 gegen die Kontaktplatten 118 und die Fluidführungsrahmen 120 gepreßt werden, wird dagegen - unab hängig von der Verspannung mittels der Verbindungsschrauben 250 und der mittleren oberen Endplatte 110 - ausschließlich durch die äußere Vorspannkraft bestimmt, mit welcher die seitlichen oberen Endplatten 111 mittels der Verbindungs schrauben 260 gegen die untere Endplatte 108 verspannt sind.

Der vorstehend beschriebene Brennstoffzellenblockverbund 106 wird wie folgt montiert:
Zunächst werden die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 114 montiert, indem jeweils ein Substrat 121 mit seinem verdich teten Außenbereich 220 auf einen Fluidführungsrahmen 120 auf gelegt und in der vorstehend beschriebenen Weise durch Ver schweißen oder Verlöten, unter Bildung einer gasdichten Zone 224 in dem verdichteten Außenbereich 220, an dem Fluidfüh rungsrahmen 120 festgelegt wird. Anschließend werden auf dem Substrat 121 die Anode 122, der Elektrolyt 126 und die Katho de 128 der KAE-Einheit 116, beispielsweise durch Plasmasprit zen erzeugt, wobei der Elektrolyt 126 in der Weise erzeugt wird, daß er die gasdichte Zone 224 in dem verdichteten Aus senbereich 220 des Substrats 121 gasdicht überdeckt, um die Brenngasraum-Dichtung 218 herzustellen.

Anschließend wird die Kontaktplatte 118 der Brennstoffzellen einheit 114 zur Anlage an der der KAE-Einheit 116 abgewandten Seite des Substrats 121 gebracht, und durch Verschweißen oder Verlöten wird der Verbindungsflansch 170 der Kontaktplatte 118 mit dem Verbindungsflansch 186 des Fluidführungsrahmens 120 gasdicht verbunden.

Darauf wird der Brennstoffzellenverbund 106 aus den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 114 zusammengesetzt, indem die ge wünschte Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 114 längs der Stapelrichtung 112 gestapelt wird und die Brennstoffzellen einheiten 114 mittels der Endplatten 108, 110, 111 und der die Endplatten gegeneinander verspannenden Verbindungsschrau ben 250, 260 in ihrer Lage relativ zueinander fixiert werden.

Eine in den Fig. 13 bis 15 dargestellte zweite Ausführungs form einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform le diglich dadurch, daß Abstützelemente 200', welche zwischen der Kontaktplatte 118 und dem Fluidführungsrahmen 120 dersel ben Brennstoffzelleinheit 114 angeordnet sind und somit ein Kollabieren des Gehäuses 192 der Brennstoffzelleneinheit 114 unter dem Anpressdruck, unter dem die seitlichen oberen End platten 111 und die untere Endplatte 108 gegeneinander ver spannt werden, verhindern, nicht als separate Bauteile, son dern vielmehr einstückig mit der Kontaktplatte 118 bzw. mit dem Fluidführungsrahmen 120 ausgebildet sind.

Wie aus den Fig. 13 und 14 zu ersehen ist, sind rings um je den Abgaskanal 214 mehrere, beispielsweise zehn, Abstützele mente 200' angeordnet, welche in der Umfangsrichtung des Ab gaskanals 214 voneinander beabstandet sind, so daß das Abgas aus dem Brenngasraum 124 der betreffenden Brennstoffzellen einheit 114 durch die Gasdurchlässe 269 bildenden Zwischen räume zwischen den Abstützelementen 200' in den Abgaskanal 214 gelangen kann.

Wie am besten aus der Schnittdarstellung der Fig. 14 zu erse hen ist, umfaßt jedes der Abstützelemente 200' einen oberen Teil 270 und einen unteren Teil 272, wobei der untere Teil 272 einstückig mit der Kontaktplatte 118 ausgebildet ist und einen in die Abgasdurchgangsöffnung 152 überstehenden Randbe reich der Kontaktplatte 118 umfaßt, welcher durch Umbiegen längs einer Biegelinie 274 um 180° auf den Randbereich 154 der Kontaktplatte 118 zurückgebogen worden ist.

Der obere Teil 270 des Abstützelements 200' ist einstückig mit dem Fluidführungsrahmen 120 ausgebildet und umfaßt einen in die Abgasdurchgangsöffnung 184 überstehenden Randbereich des Fluidführungsrahmens 120, welcher längs einer ersten Bie gelinie 276 um 180° auf den Gasführungsbereich 178 zurückge bogen worden ist und längs einer zweiten Biegelinie 278 um 180° auf sich selbst zurückgebogen worden ist.

Der obere Teil 270 des Abstützelements 200' umfaßt somit zwei übereinander angeordnete Lagen, wobei die untere Lage 280 mit ihrer Unterseite auf der Oberseite des unteren Teils 272 des Abstützelements 200' flächig aufliegt.

Die insgesamt drei Metallblechlagen des Abstützelements 200' bilden somit einen massiven metallischen Körper, welcher durch die auf die Gaskanal-Dichtungen 212 und die Abstützele mente 200' wirkenden Presskräfte im wesentlichen nicht weiter komprimiert werden kann und somit die Kontaktplatte 118 und den Fluidführungsrahmen 120 im Bereich des Abgaskanals 214 auf Abstand voneinander hält und ein Zusammendrücken des Ge häuses 192 der Brennstoffzelleneinheit 114 verhindert.

Den vorstehend beschriebenen Abstützelementen 200' entspre chende Abstützelemente sind auch im Bereich der Brenngaska näle 216 zwischen der Kontaktplatte 118 und dem Fluidfüh rungsrahmen 120 derselben Brennstoffzelleneinheit 114 ange ordnet.

Im übrigen stimmt die zweite Ausführungsform einer Brenn stoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

1. Brennstoffzelleneinheit für einen Brennstoffzellenblock verbund, welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzellenein heiten (114) umfaßt, die längs einer Stapelrichtung (112) aufeinanderfolgen, wobei die Brennstoffzellenein heit (114) ein Gehäuse (192) mit einem ersten Gehäuse teil (118) und einem zweiten Gehäuseteil (120), welche im wesentlichen gasdicht miteinander verbunden sind, um faßt, und wobei der erste Gehäuseteil (118) eine erste Verbindungsfläche (174) aufweist, an welcher der erste Gehäuseteil (118) an dem zweiten Gehäuseteil (120) fest gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verbindungsfläche (174) im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung (112) ausgerichtet ist.

2. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Verbindungsfläche (174) an einem ersten Verbindungsflansch (170) angeordnet ist, wobei der erste Verbindungsflansch (170) längs einer Biegeli nie (172) an einen Bereich (136) des ersten Gehäuseteils (118) angrenzt, der im wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung (112) ausgerichtet ist, und sich von die sem Bereich (136) des ersten Gehäuseteils (118) aus im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung (112) er streckt.

3. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Verbindungsflansch (170) den im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung (112) ausge richteten Bereich (136) des ersten Gehäuseteils (118) ringförmig umgibt.

4. Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gehäuseteil (120) einen zweiten Verbindungsflansch (186) aufweist, welcher längs einer Biegelinie (188) an einen Bereich (178) des zweiten Gehäuseteils (120) angrenzt, der im wesentlichen zur Stapelrichtung (112) ausgerichtet ist, und welcher sich von diesem Bereich (178) des zweiten Gehäuseteils (120) aus im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung (112) erstreckt.

5. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Verbindungsflansch (186) einen freien Rand (194) aufweist, an dem der zweite Verbin dungsflansch (186) mit dem ersten Gehäuseteil (118) ver bunden ist.

6. Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Verbindungsflansch (170) einen freien Rand (198) aufweist, an dem der erste Verbin dungsflansch (170) mit dem zweiten Gehäuseteil (120) verbunden ist.

7. Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gehäuseteil (118) und der zweite Gehäuseteil (120) durch Verschweis sen, insbesondere durch Laserschweißen, und/oder durch Verlöten, insbesondere durch Hartlöten, im wesentlichen gasdicht miteinander verbunden sind.

8. Brennstoffzellenblockverbund, umfassend eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die längs der Stapelrichtung (112) aufeinander folgen.