DE102004047761A1

DE102004047761A1 - Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage und Verfahren zur Herstellung von Kontaktierungselementen für eine derartige Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE102004047761A1
Application number: DE102004047761A
Authority: DE
Inventors: Robert Fleck; Harald Dr. Landes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-27
Also published as: EP1794824A2; WO2006035046A3; US20090061260A1; US8273503B2; WO2006035046A2

Abstract

Eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage enthält einzelne SOFC-Brennstoffzellen, die zur elektrischen Parallel- oder Hintereinanderschaltung miteinander kontaktiert sind. Dafür geeignete Kontaktierungselemente müssen für einen Dauerbetrieb neben der geforderten elektrischen Leitfähigkeit eine gewisse Flexibilität haben. Gemäß der Erfindung werden die Kontaktierungselemente zwischen zwei Brennstoffzellen durch ein Gestrick aus metallischen Drähten gebildet, die vorteilhafterweise aus Nickel gebildet wird. Derartige Nickeldrähte lassen sich maschinell zu einem fortlaufenden Gestrick, insbesondere Schlauch, fertigen, von dem Teile geeigneter Länge abgetrennt und in die geeignete Form gebracht werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenlage aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen, die zur elektrischen Parallel- und/oder Hintereinanderschaltung miteinander kontaktiert sind, wozu flexible und elektrisch leitfähige Kontaktierungselemente verwendet werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktierungselementen für eine derartige Brennstoffzellenanlage.

Beim Stand der Technik werden Kontaktstreifen zur elektrischen Kontaktierung von festkeramischen Brennstoffzellen in Reihen- oder Parallelschaltung verwendet. Diese Kontaktstreifen werden längs einer tubularen Brennstoffzelle auf dem dort bereits vorhandenen Interkonnektor aufgebracht und verbinden jeweils Kathode und Anode zweier einzelner übereinander angeordneter Brennstoffzellen (elektrische Reihenschaltung). Mehrere benachbarte Brennstoffzellen können zur Parallelschaltung durch einen Kontaktstreifen verbunden werden (elektrische Parallelschaltung).

Bekannte Kontaktierungselemente, die bisher zur elektrischen Verbindung von tubularen Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt werden, bestehen aus Nickelfilzstreifen, die aus einer Vielzahl von feinen und nur einige 10 μm dicken Nickelfasern bestehen und dadurch flexibel sowie auch kompressibel sind. Die Nickelfilzstreifen sind im verpressten Zustand ca. 6 mm breit und 3 bis 4 mm hoch.

Die Höhe des Kontaktstreifens wird nach dessen Montage durch die Distanz, die zwischen zwei Zellen durch die Kontaktierung überbrückt werden muss, vorgegeben. Dies ist im Einzelnen beispielsweise in der EP 0 320 087 B1 und der EP 0 536 909 A1 beschrieben. Zur bestimmungsgemäßen Verwendung werden die Nickelfilze mit einer Nickelpaste auf den Interkonnektor einerseits und die Anode andererseits aufgeklebt. Die Paste versintert bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen.

Die Herstellung letzterer Nickelfilze ist zeitintensiv und mit vielen Fertigungsschritten verbunden. Dadurch entstehen hohe Kosten. Eine unerwünschte Eigenschaft dieser Kontaktstreifen ist zudem, dass die Nickelfilze im Langzeitbetrieb nachsintern können, und somit durch Verlust von Flexibilität und Elastizität der Zellkontakt starr wird. Dies kann zur Folge haben, dass bei großen Temperaturschwankungen einzelne Kontakte abreißen und dadurch die Brennstoffzellenanlage an Leistung verliert.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen zu schaffen, bei denen die Kontaktierung zur elektrischen Parallel- oder Hintereinanderschaltung der einzelnen Zellen verbessert ist. Daneben ist es Aufgabe der Erfindung, Herstellungsverfahren für derartige Kontaktierungselemente anzugeben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktierungselemente ist Gegenstand des Anspruches 5. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist ein solches Kontaktierungselement, bei dem der elektrische Kontakt aus einem metallischen Gestrick gebildet ist. Das Gestrick besteht vorteilhafterweise aus Nickeldrähten einer Stärke zwischen 50 und 150 μm vorteilhafterweise etwa 100 μm gebildet. Das Gestrick hat vorteilhafterweise eine Porosität > 80 %.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Kontaktierungselemente kann industriell in einem Strickvorgang als Endlosteil erfolgen. Nickeldrähte von ca. 100 μm Stärke lassen sich gut verarbeiten, wobei das so hergestellte Gestrick die geforderten Eigenschaften an Leitfähigkeit hat. Durch Pressen und Falten lassen sich aus abgelängten Gestrickteilen Kontaktierungselemente der geforderten Form herstellen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanlage mit dem Zellkontakt zwischen zwei einzelnen Brennstoffzellen entsprechend dem Stand der Technik.
2 die Herstellung eines Kontaktierungselementes aus einem Nickelgestrick und
3 derart hergestellte Kontaktierungselemente zum Verbinden von HPD-Brennstoffzellenelementen.
In 1 ist eine Anordnung mit zwei tubularen Brennstoffzellen 1 und 2 entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Es bedeuten 10 bzw. 10' gesinterte Kathodenrohre, auf denen sich einzelne Funktionsschichten zur Bildung der Brennstoffzelle befinden. Derartige Funktionsschichten sind wenigstens ein Elektrolyt 11 einerseits und eine Anode 12 andererseits. Es können auch Zwischenschichten vorhanden sein, die in der 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind.
Da eine große Anzahl einzelner Zellen miteinander elektrisch verbunden werden müssen, um hinreichende Spannungen bzw. Ströme zu erreichen, werden die einzelnen Zellen beispielsweise in Reihenschaltung hintereinander geschaltet. Dafür muss jeweils die Kathode einer ersten Zelle mit der Anode einer zweiten Zelle kontaktiert werden. Hierfür befindet sich auf den Kathodenrohren 10 bzw. 10' in einem schmalen Bereich ein so genannter Interkonnektor 15, welcher nicht vom Elektrolyten 11 bzw. von der Anode 12 bedeckt ist. Auf dem Interkonnektor 15 wird ein separates Kontaktelement 20 zwecks Kontaktierung der Zelle 1 zur nächsten Zelle 2 aufgebracht.
Übliche tubulare Brennstoffzellen haben einen Außendurchmesser von beispielsweise 22 mm, wobei das Kathodenrohr eine Stärke von 2 mm hat. Die Kathodenrohre sind etwa 1800 mm lang und an einem Ende abgeschlossen. Der Interkonnektor 15 befindet sich als schmaler Streifen mit einer Dicke von etwa 40 bis 100 μm auf dem Kathodenrohr 10. Der Elektrolyt 11 und die Anode 12 haben ebenfalls eine Stärke im Bereich von etwa 100 μm.
Zur sachgerechten Verbindung zweier Brennstoffzellenrohre 1 bzw. 2 muss der Kontakt 20 etwa eine Stärke von 3 mm haben. Da die Brennstoffzellenanordnung bei Temperaturen im Bereich von 1000°C arbeitet, müssen die Materialien insbesondere bezüglich ihrer Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt werden, um eine hinreichende Stabilität zu gewährleisten. Deshalb müssen die üblicherweise verwendeten Nickelkontakte bis zu einem gewissen Grade elastisch und flexibel sein. Dies wird durch die Struktur des Gestricks insbesondere in einfacher Weise ermöglicht.
Anhand 2 wird verdeutlicht, dass Drahtgestricke aus einem metallischen Draht automatisiert gefertigt werden können: Dabei bedeutet 50 das Gestrick aus einzelnen Drähten 51, beispielsweise als ebene Masche oder auch als Rundschlauch. Vorgegeben sind die durch das Werkzeug bestimmten Parameter („needle loop" 52, „web loop" 53) einerseits und die durch Maschenweite („mesh loop" 54, „mesh length or division" 56) bestimmten Parameter andererseits, wodurch sich eine vorgebbare Breite 55 („width") des Gestricks 50 ergibt.
Die Drähte 51 sind zur Verwendung als Kontaktierungselemente bei Brennstoffzellen aus Nickel, das die geforderte Elektro nenleitfähigkeit auch noch bei der Arbeitstemperatur der SOFC-Brennstoffzellen hat. Die Nickeldrähte haben einen Durchmesser von etwa 100 μm. Drähte mit diesem Durchmesser können gut verarbeitet werden und sind hinreichend flexibel. In der Praxis erweist sich ein Wert von 150 μm als obere Grenze des Drahtdurchmessers.
Das Nickelgestrick 50 wird fortlaufend gefertigt, beispielsweise als Schlauch. wie es aus der Stricktechnologie bekannt ist. Insbesondere ein Schlauch kann unterschiedliche Durchmesser haben. Das Gestrick selbst hat für den bestimmungsgemäßen Verwendung als elastische Kontaktierungselemente bei SOFC-Brennstoffzellen, eine Porosität von > 80 %.
Von dem dargestellten Gestrick 50 können einzelne Teile geeigneter Länge durch Abschneiden abgetrennt werden. Zur Bildung eines Kontaktierungselementes 110 werden die abgelängten Elemente durch Pressen und Falten in eine solche Form gebracht, wie sie für den jeweiligen Anwendungszweck bei der SOFC-Brennstoffzelle gefordert ist.
In 3 sind HPD-Brennstoffzellenelemente 8 und 9 dargestellt. Derartige HPD-Brennstoffzellen bestehen aus einem flachen Sinterkörper, der eine ebene oder wellenförmige Oberfläche besetzen kann, in dem beispielsweise sechs oder acht. einzelne innere Röhren eingearbeitet sind. Aufgrund der vergrößerten Stromdichte pro Zellvolumen ergibt sich hier eine besonders hohe Ausgangsleistung (High Power Density) im Vergleich zu einzelnen Röhren.
Zwischen den beiden HPD-Brennstoffzellen 8 und 9 befindet sich Kontierungselemente 110, 120, ... die abschnittsweise aus dem Gestrick 50 gemäß 2, beispielsweise einem Schlauch, abgelängt, und zum Formkörper 100 gefaltet und gepresst wurden. Es kann zusätzlich ein durchgehendes Metallnetz 100 vorhanden sein.
Durch letztere Anordnung lassen sich zwei HPD-Brennstoffzellen 8 und 9 elektrisch sicher und mechanisch stabil mit einander verschalten. Auch beim Langzeitbetrieb bei hohen Temperaturen treten keine Störungen auf.

Claims

Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, die zur elektrischen Parallel- und/oder Hintereinanderschaltung miteinander kontaktiert sind, wofür elektrisch leitfähige und flexible Kontaktierungselemente vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelnes flexibles Kontaktierungselement (110, 120, ...) aus einem Gestrick (50) aus metallisch leitfähigem Material besteht.
Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Kontaktierungselement (110, 120, ...) aus dem Gestrick (50') elektronenleitfähig, temperaturstabil und ausreichend gasdurchlässig ist.
Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestrick (50) aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.
Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestrick (50) eine Porosität von > 80 % hat mit einer Drahtdicke zwischen 50 und 150 μm, vorzugsweise etwa 100 μm.
Verfahren zur Herstellung eines Kontaktierungselementes für eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (110, 120, ...) aus einem Gestrick (50) aus metallischen Drähten (51) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein fortlaufender Schlauch des Gestrickes (50) hergestellt wird, von dem einzelne Teile abgelängt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile durch Falten und Pressen in die für das elastische Kontaktierungselement (110, 120, ...) vorgegebene Form gebracht werden.