DE102004048525A1

DE102004048525A1 - Fuel cell stack manufacturing method, involves already adding stack during actual assembling under ambient temperature, and utilizing sealing medium with very small shrinkage and inserting before assembly of stack

Info

Publication number: DE102004048525A1
Application number: DE102004048525A
Authority: DE
Inventors: Bernd Kuhn; Stefan Hastreiter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-13

Abstract

The method involves already adding a fuel cell stack during actual assembling under ambient temperature. A sealing medium (13) with very small shrinkage is utilized and inserted before the assembly of the fuel cell stack. The sealing medium is inserted, after assembly of the fuel cell stack under positive pressure, in cavities that are provided for receiving the sealing medium in border area of interconnectors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellen-Stapels mit mehreren übereinander gestapelten Brennstoff-Einzelzellen, die jeweils eine auf ein Substrat aufgebrachte Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit aufweisen, wobei die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Einzelzelle über einen Interkonnektor mit dem Substrat der benachbarten Einzelzelle in elektrisch leitender Verbindung steht, der auch eine Gasverteilung über der reaktiven Oberfläche zumindest einer der Einzelzellen ermöglicht, wobei im substratfreien Randbereich der Interkonnektoren zwischen den übereinander gestapelten Einzelzellen ein Dichtungsmedium vorgesehen ist, das nass verbaut und bei hohen Temperaturen, die höher als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sind, getrocknet wird. Lediglich beispielshalber wird zum technischen Umfeld auf die DE 102 10 293 A1 sowie auf die DE 102 06 863 A1 verwiesen.The invention relates to a method for producing a fuel cell stack having a plurality of stacked single fuel cells, each having a cathode-electrolyte anode unit applied to a substrate, wherein the cathode-electrolyte-anode unit of a single cell via an interconnector with the substrate of the adjacent single cell is in electrically conductive connection, which also allows a gas distribution over the reactive surface of at least one of the individual cells, wherein in the substrate-free edge region of the interconnectors between the stacked single cells, a sealing medium is provided which is wet and installed at high temperatures higher than the operating temperature of the fuel cell is dried. By way of example, the technical environment on the DE 102 10 293 A1 as well as on the DE 102 06 863 A1 directed.

Aufgrund der relativ geringen elektrischen Spannung, die eine einzelne Brennstoffzelle liefern kann, müssen für technische Anwendungen mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenblock oder Brennstoffzellen-Stapel ("Stack") in Reihe zusammengeschaltet werden. Die elektrische Verbindung erfolgt über sogenannte Interkonnektoren oder Bipolarplatten. Insbesondere im Falle eines planaren Stack-Designs übernehmen die Bipolarplatten neben der elektrischen Verbindung der einzelnen Zellen zusätzlich die Aufgabe der Brenngasführung und/oder Oxidationsgaszuführung zu den Elektroden der Brennstoffzellen sowie die Separierung der Brenngase und Oxidationsgase benachbarter Zellen. Beim gasdichten Zusammenbau der Brennstoff-Einzelzellen sowie weiterer zugehöriger Einzelteile zum Brennstoffzellen-Stack muss neben der Gasdichtheit eine ausreichende elektrische Isolation im Randbereich der Interkonnektoren gewährleistet sein. Eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Einzelzellen darf nämlich nur über deren Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten vorliegen, während im Randbereich der Interkonnektoren, über den die Einzelzellen zum Stack zusammengebaut werden und die somit quasi ein Gehäuse des Stacks bilden bzw. der Bestandteil eines Stack-Gehäuses ist, und in dem keine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit vorhanden ist, kein elektrischer Kontakt vorliegen darf, da andernfalls ein die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten umgehender Kurzschluss vorläge. Hingegen sollen die elektrische Kontaktierung zwischen einander benachbarten Einzelzellen im Bereich der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten möglichst niederohmig sein. Dass der Zusammenbau eines Brennstoffzellen-Stacks dabei mit hoher Prozessgeschwindigkeit und Prozesssicherheit durchführbar sein soll, ist praktisch selbstverständlich.by virtue of the relatively low electrical voltage that a single fuel cell has can deliver for technical Apply multiple fuel cells to a fuel cell block or fuel cell stack ("Stack") connected in series become. The electrical connection is via so-called interconnectors or bipolar plates. Especially in the case of a planar stack design take over the bipolar plates in addition to the electrical connection of the individual Cells in addition the task of fuel gas guidance and / or oxidizing gas supply to the electrodes of the fuel cell and the separation of the Fuel gases and oxidizing gases of neighboring cells. When gas-tight Assembly of the fuel single cells and other associated items to the fuel cell stack must in addition to the gas tightness a sufficient ensures electrical insulation in the edge area of the interconnectors be. An electrical connection between adjacent single cells may namely only over their cathode-electrolyte-anode units present while in the edge area of the interconnectors, via which the single cells to the Stack are assembled and thus, so to speak, a housing of the Stacks form or the component of a stack housing is and in which no cathode-electrolyte-anode unit is present is, must be no electrical contact, otherwise a the cathode-electrolyte-anode units immediate short circuit vorläge. On the other hand, the electrical contact between each other adjacent single cells in the area of the cathode-electrolyte-anode units preferably be low impedance. That the assembly of a fuel cell stack with it high process speed and process reliability be feasible should, is almost natural.

Üblich ist der Zusammenbau eines mehrzelligen Stacks in Einzelschritten, wobei zunächst die Brennstoff-Einzelzellen unter Zwischenlage eines geeigneten Dichtungsmediums, das im Randbereich der Interkonnektoren nass aufgetragen wird, übereinander gestapelt werden. Anschließend erfolgt ein Aufheizen des so vorbereiteten Stacks auf erhöhte Betriebstemperatur, wodurch die geforderte Gasdichtheit im Bereich des Dichtungsmediums hergestellt wird. Während nämlich die übliche Betriebstemperatur eines Stacks von SOFC-Einzelzellen ca. 800°C beträgt, liegen die Erweichungstemperaturen herkömmlicher Dichtungsmedien in Form von Glasloten bei ca. 900°C und höher. Mit entsprechendem Erweichen der Glaslote bzw. allg. des Dichtungsmediums ergibt sich dann eine gasdichte Verbindung zwischen benachbarten Einzelzellen, wobei jedoch diese herkömmliche Dichtungsmedien bei erstmaligem Erreichen der Erweichungstemperatur eine relativ hohe Volumenschwindungsrate (von 50% und mehr) aufweisen. Daher muss zunächst eine erheblich größere Menge von Dichtungsmedium aufgetragen werden, als zum Verfüllen des nach dem geschilderten Hochheizen auf erhöhte Betriebstemperatur verbleibenden Dichtspalts notwendig wäre. Da der mit dem Glaslot bzw. Dichtungsmedium befüllte Dichtspalt mit dem Volumenschwund der Dichtungsmasse selbstverständlich geringer wird, haben einander benachbarte Einzelzellen vor dem Aufheizen auf erhöhte Betriebstemperatur und somit beim ursprünglichen Zusammenbau bei Raumtemperatur keinen Kontakt zueinander. Der Stack hat nach dem Zusammenbau bei Raumtemperatur, jedoch vor dem geschilderten Aufheizen also „Übermaß", und sinkt erst nach diesem Aufheizen auf sein geplantes Endmaß zusammen.It is usual the assembly of a multicellular stack in single steps, wherein first the fuel single cells with the interposition of a suitable Sealing medium, wet applied in the edge region of the interconnectors will, on top of each other be stacked. Subsequently a heating up of the thus prepared stack takes place to an elevated operating temperature, whereby the required gas-tightness in the region of the sealing medium will be produced. While namely the usual Operating temperature of a stack of SOFC single cells is about 800 ° C, lie the softening temperatures of conventional Sealants in the form of glass solders at approx. 900 ° C and higher. With corresponding softening of the glass solders or general of the sealing medium then results in a gas-tight connection between adjacent Single cells, but with these conventional sealing media in first reaching the softening temperature a relatively high Volume shrinkage rate (of 50% and more) have. Therefore, must first a considerably larger amount be applied by sealing medium, as for filling the remaining at the elevated operating temperature after the described heating up Sealing gaps would be necessary. Since filled with the glass solder or sealing medium sealing gap with the volume shrinkage the sealant of course smaller, have adjacent single cells before heating on raised Operating temperature and thus at the original assembly at room temperature no contact with each other. The stack has after assembly at room temperature, but before the described heating so "excess", and decreases only after this heating up on his planned gage together.

Diese Fügetechnik führt zu einer Reihe von Nachteilen. Wie geschildert haben die Einzelzellen beim Zusammenbau keinen Kontakt zueinander. Die Gasdichtigkeit, sowie die Güte der elektrischen Kontaktierung ist somit abhängig vom gleichmäßigen Einsinken des gesamten Aufbaus. Dies bedingt eine extrem aufwendige und dadurch extrem teure Qualitätssicherung aller Komponenten (bspw. hinsichtlich Fertigungstoleranzen der Ober- und Unterschalen, Ebenheit der Einzelzellen, etc.).Die Fügung des Stacks kann nicht im Gesamtsystem, d.h. gesamthaft mit Zusatzkomponenten wie Gaserzeuger, Wärmetauschern, Leistungselektronik, Wärmedämmung etc., verbaut erfolgen, da der dazu notwendige Bauraum nicht vorhanden ist. Der Stack weist nach dem Zusammenbau – wie bereits erwähnt wurde – nämlich „Übermaß" auf, d.h. er ist höher als im gasdicht gefügten Zustand. Somit ist ein Zwischenschritt erforderlich, nämlich das sog. „Ausbacken" des Dichtungsmediums mit einem zusätzlichen thermischen Behandlungsschritt, der die Montagekosten erhöht. Dabei muss die Temperaturverteilung einer Vorrichtung, die zum „Ausbacken" des Dichtungsmediums eingesetzt wird, so bspw. ein Durchlaufofen, extrem homogen sein, um ein gleichmäßiges Einsinken des Aufbaus zu gewährleisten. Ist dies nicht gewährleistet, so kann es zu Fehlstellen in den Dichtungen kommen und eine Folge hiervon können Gasleckagen und elektrische Kurzschlüsse sein. Weiterhin kann es zu ungleichmäßiger Kraftverteilung über den Flächen der Einzelzellen kommen. Dies führt zu ungleichmäßiger elektrischer Kontaktierung im Bereich der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheiten, was im Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks zu Leistungseinbußen und überdies zu ungleichmäßiger Temperaturverteilung und somit zu schädlichen thermisch induzierten Spannungen führen kann. In besonders ungünstigen Fällen kann es durch die erhöhten Temperaturen, die zum „Ausbacken" einer Glaslotdichtung notwendig sind, zu einer Vorschädigung der metallischen Komponenten kommen, bspw. zur Bildung unerwünschter Oxidschichten, die eine unzureichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Grundsätzlich wird der Unterschied der thermischen Dehnungen der metallischen und keramischen Werkstoffe des Stacks, die auf einen möglichst geringen Unterschied bei Betriebstemperatur ausgelegt sind, durch die zum „Ausbacken" erforderliche Temperaturerhöhung verschärft, denn die metallischen Komponenten dehnen sich bei Temperaturerhöhung stärker aus als die involvierten keramischen Werkstoffe. Dies erhöht die thermomechanischen Spannungen der Werkstoffverbunde und kann zur Vorschädigung der keramischen Funktionsschichten führen.This joining technique leads to a number of disadvantages. As described, the individual cells have no contact with each other during assembly. The gas-tightness, as well as the quality of the electrical contact is thus dependent on the uniform sinking of the entire structure. This requires extremely expensive and therefore extremely expensive quality assurance of all components (for example with regard to manufacturing tolerances of the upper and lower shells, flatness of the individual cells, etc.) The joining of the stack can not in the overall system, ie in total with additional components such as gas generators, heat exchangers, power electronics , Insulation, etc., installed, since the necessary space is not available. The stack has after assembly - as already mentioned - namely "excess", ie it is higher than in gas-tight joined state Thus, an intermediate step is required, namely the so-called "baking" of the sealing medium with an additional thermal treatment step, the increased assembly costs. The temperature distribution of a Vorrich a continuous furnace, to be extremely homogeneous, to ensure a uniform sinking of the structure.If this is not guaranteed, it can lead to imperfections in the seals and a consequence of this This can lead to uneven electrical contact in the area of the cathode-electrolyte-anode units, which leads to a loss of performance during operation of the fuel cell stack and, moreover, to an uneven temperature distribution In particularly unfavorable cases, the elevated temperatures which are necessary for the "baking" of a glass solder seal can lead to a pre-damage of the metallic components, for example to the formation of undesired oxide layers which cause a have insufficient electrical conductivity. Basically, the difference of the thermal expansions of the metallic and ceramic materials of the stack, which are designed for the smallest possible difference in operating temperature, exacerbated by the required for "baking" temperature increase, because the metallic components expand when the temperature increase more than the ceramic involved This increases the thermo-mechanical stresses of the material composites and can lead to the pre-damage of the ceramic functional layers.

Ein demgegenüber verbessertes Herstellverfahren für einen Brennstoffzellen-Stapel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung.One In contrast, improved manufacturing method for a fuel cell stack according to the preamble of the claim 1 show, is therefore an object of the present invention.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellen-Stapel bereits beim tatsächlichen Zusammenbau unter Raumtemperatur und somit vor dem Trocknen des Dichtungsmediums im wesentlichen auf sein Endmaß gefügt wird, wozu im Hinblick auf eine sichere Abdichtung entweder ein Dichtungsmedium mit sehr geringer Volumen schwindung verwendet und vor dem Zusammenbau des Brennstoffzellen-Stapels eingebracht wird oder das Dichtungsmedium erst nach Zusammenbau des Brennstoffzellen-Stapels unter Überdruck in für die Aufnahme des Dichtungsmediums vorgesehene Hohlräume im Randbereich der Interkonnektoren eingebracht wird.The solution this object is characterized in that the fuel cell stack already at the actual Assembling below room temperature and thus before drying the Sealing medium is essentially added to its final dimensions, including with regard to a secure seal either a sealing medium with very low Volume shrinkage used and introduced prior to assembly of the fuel cell stack or the sealing medium only after assembly of the fuel cell stack under overpressure in for the inclusion of the sealing medium provided cavities in the edge region the interconnector is introduced.

Auch nach der hier vorgeschlagenen Fügetechnik wird das Dichtungsmedium naß und somit flexibel, d.h. noch nicht „ausgebacken", unter Raumtemperatur in den Stack eingebracht, der jedoch – abweichend vom üblichen Stand der Technik – hierbei bereits auf Endmaß montiert ist bzw. auf Endmaß montiert wird. Ein Zusammensacken des Stacks in Verbindung mit dem „Ausbacken" des Dichtungsmaterials, d.h. mit Erhitzung desselben auf Temperaturen größer als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, ist nun also nicht vorgesehen und erfolgt auch nicht. Der Stack kann so ohne Zwischenschritte direkt in das umgebende Gesamtsystem montiert werden. Ein eventuell noch notwendiges „Ausbacken" des Dichtungsmediums kann ebenfalls schon im Gesamtsystem verbaut erfolgen.Also according to the joining technique proposed here the sealing medium becomes wet and wet thus flexible, i. not yet "baked", below room temperature introduced into the stack, but - deviating from the usual State of the art - here already mounted to final dimensions is or mounted on gauge block becomes. A collapse of the stack in connection with the "baking" of the sealing material, i.e. when heated to temperatures greater than the operating temperature the fuel cell, so now is not intended and does not take place. The stack can thus without intermediate steps directly into the surrounding Complete system to be mounted. A possibly still necessary "baking" of the sealing medium can also be installed already in the overall system.

Um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten, soll das verwendete Dichtungsmedium zumindest dann, wenn dieses während des Zusammenbaus des Stacks eingebracht wird, keine oder allenfalls eine sehr geringe Volumenschwindung aufweisen. In Frage kommen für diesen Zweck wasserglasbasierte Dichtungssysteme, die z.B. mit Quarz als Füllstoff versehen sind, wie sie aus der DE 102 06 863 A1 bekannt sind, oder Reaktivlote der Zusammensetzung Ag/Cu, Ag/CuO oder Ag/Cu/Ti, die die Eigenschaft besitzen, sowohl Metalle als auch Keramiken zu benetzen. Überdies sollte das Dichtungsmedium einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen um die Höhe des Dichtspalts so gering wie möglich halten zu können, da dies die Wahrscheinlichkeit von Leckagen erheblich verringert. Vorzugsweise ist die Höhe des Dichtspalts dabei derart bemessen, dass der gesamte vom Dichtungsmedium eingenommene Raum im wesentlichen nur noch aus Reaktionsbereichen des Dichtungsmediums mit dem metallischen oder keramisch beschichtetem Gehäuse des Stacks bzw. mit den Interkonnektoren besteht. Ist dies der Fall, so dominieren Oberflächeneffekte wie Austauschreaktionen von Dichtungsmedium und Stahl/Keramik und Bildung neuer Phasen über eventuelle noch vorhandene Schwindungen. Die Höhe des Dichtspalts, die in der Größenordnung von 10 μm bis 30 μm liegen kann, kann bspw. über in das metallische Stack-Gehäuse bzw. in dessen Interkonnektoren im substratfreien Randbereich eingeprägte Abstandshalter eingestellt werden.In order to ensure a secure seal, the sealing medium used, at least when it is introduced during the assembly of the stack, should have no or at most a very small volume shrinkage. In question come for this purpose, water glass-based sealing systems, for example, are provided with quartz as a filler, as they are from the DE 102 06 863 A1 are known, or reactive solders of the composition Ag / Cu, Ag / CuO or Ag / Cu / Ti, which have the property to wet both metals and ceramics. Moreover, the sealing medium should have a high electrical resistance to keep the height of the sealing gap as low as possible, as this significantly reduces the likelihood of leaks. Preferably, the height of the sealing gap is dimensioned such that the entire space occupied by the sealing medium consists essentially only of reaction areas of the sealing medium with the metallic or ceramic-coated housing of the stack or with the interconnectors. If this is the case, surface effects such as exchange reactions of sealing medium and steel / ceramic and the formation of new phases dominate over any remaining shrinkage. The height of the sealing gap, which may be on the order of 10 .mu.m to 30 .mu.m, can be adjusted, for example, by means of spacers embossed into the metallic stack housing or in its interconnectors in the substrate-free edge area.

Nach einem weiteren Vorschlag kann das Dichtungsmedium erst nach Zusammenbau des Stacks eingebracht werden, und zwar von außen in geeignete Dichtungs-Hohlräume, die beim Zusammensetzen der Einzelebenen des Brennstoffzellen-Stacks freigelassen bzw. gebildet werden. Der Stack kann dann im Dichtungsbereich somit „trocken" auf sein Endmaß assembliert und verspannt werden. Anschließend wird das Dichtungsmedium unter Druck in den entstandenen Hohlraum eingepresst. In diesem Falle ist jegliches Setzen des fertigen Stacks beim Aufheizen auf Betriebstemperatur ausgeschlossen. Ein Austreten des Dichtungsmediums aus dem Dichtungsbereich kann bspw. durch das Vorsehen von um die Dichtungskonturen umlaufenden Erhebungen am Metallgehäuse bzw. am substratfreien Randbereich der Interkonnektoren ausgeschlossen werden. Auch ist es hierbei möglich, mehrere Dichtungsprinzipien miteinander zu verbinden, so neben dem Dichtungsmedium das Prinzip der Labyrinthdichtung. Werden die genannten Erhebungen bspw. nicht einfach, sondern in Reihe angeordnet mehrfach ausgeführt, so kann eine signifikante Vergrößerung der Dichtungsbreite und somit auch der zur Verfügung stehenden Fläche erreicht werden.According to a further proposal, the sealing medium can be introduced only after assembly of the stack, namely from the outside into suitable sealing cavities, which are released or formed when assembling the individual levels of the fuel cell stack. The stack can then be "dry" assembled and clamped in the sealing area to its final dimension, and then the sealing medium is pressed under pressure into the resulting cavity, in which case any setting of the finished stack during heating to operating temperature is precluded The sealing region can, for example. By providing surrounding the sealing contours surveys on the metal housing or on the sub stratfreien border area of the interconnectors are excluded. It is also possible here to connect several sealing principles with each other, so in addition to the sealing medium, the principle of the labyrinth seal. If the aforementioned elevations are, for example, not simply arranged but arranged in series several times, then a significant enlargement of the sealing width and thus also of the available area can be achieved.

Eine Möglichkeit, den elektrischen Widerstand der Dichtung sicherzustellen, ist es, eine zusätzliche Isolationskomponente (z. B. eine elektrisch nicht leitende Keramikschicht) einzuführen, die der Dichtung die Funktion des elektrischen Isolators zwischen den Dichtflächen der einzelnen Brennstoffzellen quasi abnimmt. Beim Einsatz von Reaktivloten ist dies unumgänglich, da andernfalls über das metallische Lot ein elektrischer Kurzschluss zustande kommen würde.A Possibility, to ensure the electrical resistance of the seal is to an additional Insulation component (eg an electrically non-conductive ceramic layer) introduce, the seal between the function of the electrical insulator the sealing surfaces the individual fuel cells quasi decreases. When using reactive solders is this inevitable otherwise over the metallic solder an electrical short circuit come about would.

Um eine möglichst großflächige, homogene elektrische Kontaktierung zwischen den reaktiven Oberflächen einander benachbarter Einzelzellen zu gewährleisten, kann im Bereich des Substrates ein beim Zusammenbau unter Raumtemperatur flexibles Kontaktierungselement eingesetzt werden. Wenn dieses Element eine kissenartige Ausprägung aufweist, kann es beim Zusammenbau eventuelle Oberflächenunebenheiten der jeweiligen Einzelz elle ausgleichen. Falls dieses Kontaktierungselement mit Einbauübermaß angefertigt ist, so kann hiermit auch die resultierende Anpresskraft innerhalb des Stacks beeinflusst werden. Dabei können die Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kontaktierungselemente einerseits und der Zellkeramiken andererseits für die Aufrechterhaltung der Anpresskraft (auch nach vielen raschen Temperaturwechseln) sorgen.Around one possible large-area, homogeneous electric Contacting between the reactive surfaces of adjacent ones To ensure single cells can in the area of the substrate during assembly below room temperature flexible contacting element can be used. If this element a pillow-like expression , it may during assembly any surface irregularities to compensate for the respective single cell. If this contacting element made with installation oversize is, so hereby also the resulting contact pressure within of the stack. The differences between the thermal expansion coefficient of the contacting elements on the one hand and the cell ceramics on the other hand for the maintenance of the Contact pressure (even after many rapid temperature changes) provide.

Im übrigen kann durch den Einsatz von niedrig sinternden Keramiksuspensionen als Kontaktpasten ein Ansintern, also eine vorteilhafte mechanische Anbindung des metallischen Kontaktierungselements an die keramische Kathode erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von hochwarmfesten Werkstoffen für das Kontaktierungselement, die durch ihre auch bei Betriebstemperatur der Brennstoffzelle verbleibende Federsteifigkeit die Anpresskraft des Kontaktierungselements auf die Kathode gewährleisten.For the rest, can through the use of low sintering ceramic suspensions as Contact pastes a Ansintern, so an advantageous mechanical connection the metallic contacting element to the ceramic cathode be achieved. One more way is the use of highly heat-resistant materials for the contacting element, by remaining at their operating temperature of the fuel cell Spring stiffness on the contact pressure of the contacting element ensure the cathode.

Die beigefügten Prinzipskizzen zeigen Ausschnitte von erfindungsgemäß gefertigten Brennstoffzellen-Stapeln, jeweils bestehend aus drei übereinander gestapelten Brennstoff-Einzelzellen 1(a), 1(b), 1(c). Die jeweiligen Einzelzellen 1 eines Ausführungsbeispieles sind gleich aufgebaut, wobei für deren Bestandteile über alle Ausführungsbeispiele für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet werden.The accompanying schematic diagrams show sections of inventively manufactured fuel cell stacks, each consisting of three stacked single fuel cells 1 (a) . 1 (b) . 1 (c) , The individual cells 1 an embodiment are the same structure, being used for the components over all embodiments for the same components, the same reference numerals.

So ist mit der Bezugsziffer 10 ein sog. Substrat gekennzeichnet, auf das wie üblich eine Kathoden-Elektrolyt-Anodeneinheit 11 aufgebracht ist. Das Substrat 10 seinerseits wird von einem in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichneten Interkonnektor getragen, dessen substratfreier Randbereich gleichzeitig einen Teil des Gehäuses des Brennstoffzellen-Stacks bildet. Der Interkonnektor 12 besteht aus einem durchgehenden Grundblech 12a, auf welches im Randbereich ein Deckblech 12b aufgebracht ist. Ein weiterer Bestandteil des Interkonnektors 12 ist ein sich am Grundblech 12a im wesentlichen im Bereich des Substrates 10, jedoch auf der diesem gegenüberliegenden Seite des Grundbleches 12a abstützendes flächiges Kontaktierungselement 12c, das von einem Randelement 12d umgeben ist. Zumindest im fertigen Zustand des Brennstoffzellen-Stacks stellt dieses Kontaktierungselement 12c in Zusammenwirken mit dem Grundblech 12a als Interkonnenktor 12 die elektrische Verbindung zwischen den Kathoden-Elektrolyt-Anodeneinheiten 11 der einander benachbarten, übereinander gestapelten Einzelzellen 1 her. Im substratfreien Randbereich der Interkonnektoren 12 hingegen darf keine elektrische Verbindung zwischen den Interkonnektoren 12 einander benachbarter Einzelzellen 1 vorliegen, da andernfalls ein die Kathoden-Elektrolyt-Anodeneinheiten 11 überbrückender elektrischer Kurzschluss entstünde. In diesem substratfreien Randbereich der Interkonnektoren 12 ist also eine ausreichende elektrische Isolation sicherzustellen. Gleichzeitig ist in diesem Randbereich ein gasdichter Abschluss herzustellen, damit Rektionsgase, die auch unter Führung durch die Interkonnektoren an die jeweilige Seite der Kathoden-Elektrolyt-Anodeneinheiten 11 herangeführt werden, vom Innenraum des Brennstoffzellen-Stapels nicht nach außen gelangen können. Hierfür ist ein geeignetes Dichtungsmedium 13 im substratfreien Randbereich der Interkonnektoren 12 zwischen einander benachbarten Interkonnektoren 12 eingebracht, wobei dieses Dichtungsmedium 13 entweder selbst einen elektrischen Isolator bildet oder wobei eine geeignete zusätzliche Isolationsschicht vorgesehen ist (nicht dargestellt).So with the reference number 10 a so-called. Substrate characterized, as usual, a cathode-electrolyte anode unit 11 is applied. The substrate 10 for its part, is given by a reference in its entirety 12 worn interconnected connector whose substrate-free edge region simultaneously forms part of the housing of the fuel cell stack. The interconnector 12 consists of a continuous base plate 12a , on which in the edge area a cover plate 12b is applied. Another component of the interconnector 12 is one at the base plate 12a essentially in the region of the substrate 10 , but on the opposite side of the base plate 12a supporting flat contacting element 12c that of a border element 12d is surrounded. At least in the finished state of the fuel cell stack provides this contacting element 12c in cooperation with the base plate 12a as an interconnenctor 12 the electrical connection between the cathode-electrolyte-anode units 11 the adjacent, stacked single cells 1 ago. In the substrate-free edge area of the interconnectors 12 however, no electrical connection between the interconnectors may 12 adjacent single cells 1 otherwise the cathode-electrolyte-anode units will be present 11 bridging electrical short circuit would result. In this substrate-free edge region of the interconnectors 12 So ensure sufficient electrical insulation. At the same time, a gas-tight seal is to be produced in this edge region, so that reaction gases, which are also under the guidance of the interconnectors to the respective side of the cathode-electrolyte-anode units 11 be introduced, can not get out from the interior of the fuel cell stack to the outside. This is a suitable sealing medium 13 in the substrate-free edge area of the interconnectors 12 between adjacent interconnectors 12 introduced, this sealing medium 13 either itself forms an electrical insulator or wherein a suitable additional insulating layer is provided (not shown).

Wie einleitend geschildert werden bislang Brennstoffzellen-Stacks derart zusammengebaut, dass unter Raumtemperatur eine derart große Menge von „nassem" Dichtungsmedium 13 zwischen die Interkonnektoren 12 übereinander liegender Einzelzellen 1 eingebracht wird, dass diese zunächst voneinander beabstandet sind, d.h. dass unter Bezugnahme auf 1 der Interkonnektor 12 der obersten Einzelzelle 1c nicht auf der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 11 der mittleren Einzelzelle 1b aufliegt. Dieser Kontakt ergibt sich im üblichen Stand der Technik erst mit dem Erhitzen des Dichtungsmediums 13 auf sehr hohe Temperaturen, d.h. beim sog. „Ausbacken" desselben und dem damit verbundenen Zusammensacken des Brennstoffzellen-Stacks.As described in the introduction, so far fuel cell stacks are assembled such that below room temperature, such a large amount of "wet" sealing medium 13 between the interconnectors 12 superimposed single cells 1 is introduced, that they are initially spaced apart, ie that with reference to 1 the interconnector 12 the highest single cell 1c not on the cathode-electrolyte-anode unit 11 the middle single cell 1b rests. This contact results in the usual state of Technique only with the heating of the sealing medium 13 to very high temperatures, ie the so-called. "Baking" of the same and the associated collapse of the fuel cell stack.

Anders ist dies beim hier vorgeschlagenen Herstellverfahren. Gemäß der ersten Variante wird der Brennstoffzellen-Stapel bereits beim tatsächlichen Zusammenbau unter Raumtemperatur und somit vor dem Trocknen oder „Ausbacken" des Dichtungsmediums 13 auf sein Endmaß (in der Höhe, d.h. in Richtung gemäß Pfeil 14 senkrecht zur Fläche des Substrats 10) gefügt, so dass also 1 den zusammengebauten Zustand noch vor dem Ausbacken (Trocknen) des Dichtungsmediums 13 zeigt, wobei somit der Interkonnektor 12 bzw. dessen Kontaktierungselement 12c der in 1 obersten Einzelzelle 1c mit gutem elektrischen Kontakt an der Katoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 11 der mittleren Einzelzelle 1b anliegt. Im Hinblick auf eine sichere Abdichtung wird dabei ein Dichtungsmedium 13 mit sehr geringer Volumenschwindung verwendet und vor dem Zusammenbau des Brennstoffzellen-Stapels in die zur Aufnahme des Dichtungsmediums 13 vorgesehenen Räume im substratfreien Randbereich der Interkonnektoren 12 eingebracht. Das kissenartige, verformbare Kontaktierungselement 12c stellt dabei einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen dem jeweiligen Interkonnektor 12 und der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 11 der anderen, benachbarten Einzelzelle 1 her.This is different with the production method proposed here. According to the first variant, the fuel cell stack already in the actual assembly below room temperature and thus before drying or "baking" of the sealing medium 13 on its final dimension (in height, ie in the direction indicated by arrow 14 perpendicular to the surface of the substrate 10 ) so that so 1 the assembled state even before baking (drying) of the sealing medium 13 shows, and thus the interconnector 12 or its contacting element 12c the in 1 highest single cell 1c with good electrical contact at the cathode-electrolyte-anode unit 11 the middle single cell 1b is applied. With regard to a secure seal while a sealing medium 13 used with very little volume shrinkage and prior to assembly of the fuel cell stack in the for receiving the sealing medium 13 provided spaces in the substrate-free edge region of the interconnectors 12 brought in. The pillow-like, deformable contacting element 12c provides sufficient electrical contact between the respective interconnector 12 and the cathode-electrolyte-anode unit 11 the other, adjacent single cell 1 ago.

Zum zweiten hiermit vorgeschlagenen Herstellverfahren wird auf die 2, 3 verwiesen. Auch hierbei wird der Brennstoffzellen-Stack zunächst bei Raumtemperatur auf sein Endmaß (und zwar in der Höhe, d.h. in Richtung gemäß Pfeil 14 senkrecht zur Fläche des Substrats 10) gefügt, so dass also 2 den zusammengebauten Zustand noch vor dem Ausbacken (Trocknen) des Dichtungsmediums 13 zeigt, wobei jedoch dieses Dichtungsmedium 13 in diesem Zustand zunächst noch gar nicht in zur Aufnahme des Dichtungsmediums vorgesehene Hohlräume 15 eingebracht ist, weshalb die Bezugsziffer 13 in den 2, 3 in Klammern gesetzt ist. Das Dichtungsmedium 13 wird nämlich erst nach dem Zusammenbau des Brennstoffzellen-Stacks auf sein Endmaß in geeignet vorgesehene Hohlräume 15, die im Randbereich der Interkonnektoren 12 liegen, eingebracht, und zwar unter entsprechendem Überdruck, so dass sichergestellt ist, dass auch nach einem erfolgten „Ausbacken" des Dichtungsmediums 13 eine sichere Abdichtung gewährleistet ist. Nicht figürlich dargestellt sind geeignete zu den Hohlräumen 15 führende Kanäle bzw. Einfüllöffnungen in einer Außenseite der Interkonnektoren 12, über die das Dichtungsmedium 13 in die bzw. in den jeweiligen Hohlraum 15 eingepresst wird, wonach (abschließend) diese Kanäle bzw. Einfüllöffnungen geeignet verschlossen werden. Gebildet werden diese Hohlräume 15 zur Aufnahme des Dichtungsmediums 13 dabei durch geeignete durch an den Interkonnektoren 12 vorgesehene Erhebungen 16, wobei bei der Variante nach 3 mehrere derartige Erhebungen 16 vorgesehen sind, so dass hier ein Dichtungslabyrinth gebildet wird.For the second hereby proposed manufacturing method is based on the 2 . 3 directed. Again, the fuel cell stack is first at room temperature to its final dimension (and in height, ie in the direction of arrow 14 perpendicular to the surface of the substrate 10 ) so that so 2 the assembled state even before baking (drying) of the sealing medium 13 shows, however, this sealing medium 13 in this state initially not yet provided for receiving the sealing medium cavities 15 is introduced, which is why the reference number 13 in the 2 . 3 in parentheses. The sealing medium 13 namely, only after the assembly of the fuel cell stack to its final dimension in appropriately provided cavities 15 located in the edge area of the interconnectors 12 lie, introduced, under appropriate overpressure, so as to ensure that even after a successful "baking" of the sealing medium 13 a secure seal is guaranteed. Not shown figuratively are suitable to the cavities 15 leading channels or filling openings in an outer side of the interconnectors 12 about which the sealing medium 13 into or into the respective cavity 15 is pressed, after which (finally) these channels or filling openings are suitably closed. These cavities are formed 15 for receiving the sealing medium 13 thereby by suitable through at the Interkonnektoren 12 surveys planned 16 , whereby in the variant after 3 several such surveys 16 are provided so that a seal labyrinth is formed here.

Mit dem vorgeschlagenen Herstellverfahren besteht die Möglichkeit, die Gasdichtigkeit, die elektrische Isolierung der Interkonnektoren zueinander, sowie die Güte der elektrischen Kontaktierung der Einzelzellen voneinander getrennt zu optimieren, letzteres aufgrund der speziellen Kontaktierungselemente 12c. Dies schafft Eingriffsmöglichkeiten und erhöht somit die Steuerbarkeit und Sicherheit des Gesamtprozesses der Fügung des Brennstoffzellen-Stacks. Da die Einzelzellen schon bei Raumtemperatur auf Stack-Endmaß zusammengebaut werden, sind keine aufwändigen Zwischenschritte (Vortrocknung der Dichtungen vor Zusammenbau, Ausbacken in einem zusätzlichen Ofenlauf bei erhöhten Temperaturen) und keine extrem aufwendigen Qualitätssicherungs-Maßnahmen notwendig, um eine gleichmäßige Fügung des Stacks sicherzustellen. Vielmehr kann die Fügung des Stacks im Gesamtsystem verbaut erfolgen, was die Prozessgeschwindigkeit erhöht, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.With the proposed manufacturing process, it is possible to optimize the gas tightness, the electrical insulation of the interconnectors to one another, and the quality of the electrical contacting of the individual cells separated from each other, the latter due to the special contacting elements 12c , This creates opportunities for intervention and thus increases the controllability and safety of the overall process of adding the fuel cell stack. Since the individual cells are already assembled at room temperature to stack gauge, no complex intermediate steps (predrying of the seals before assembly, baking in an additional oven run at elevated temperatures) and no extremely complex quality assurance measures are necessary to ensure a uniform addition of the stack. Rather, the joining of the stack can be installed in the overall system, which increases the process speed, wherein it should be noted that quite a variety of details can be deviated from the above explanations, without departing from the content of the claims.

Claims

Method for producing a fuel cell stack with a plurality of stacked single fuel cells ( 1 ), each one on a substrate ( 10 ) applied cathode-electrolyte-anode unit ( 11 ), wherein the cathode-electrolyte-anode unit ( 11 ) of a single cell ( 1 ) via an interconnector ( 12 ) with the substrate ( 10 ) of the adjacent single cell ( 1 ) is in electrically conductive connection, which also has a gas distribution over the reactive surface of at least one of the individual cells ( 1 ), wherein in the substrate-free edge region of the interconnectors ( 12 ) between the stacked single cells ( 1 ) a sealing medium ( 13 ), which are installed wet and dried at high temperatures, which are higher than the operating temperature of the fuel cell, characterized in that the fuel cell stack already in the actual assembly below room temperature and thus before the drying of the sealing medium ( 13 ) is added substantially to its final dimension, for which purpose either a sealing medium with a very small volume shrinkage is used with a view to a secure seal and is introduced before the assembly of the fuel cell stack or the sealing medium ( 13 ) after assembly of the fuel cell stack under pressure in for the Receiving the sealing medium provided cavities ( 15 ) in the edge area of the interconnectors ( 12 ) is introduced.

Method according to claim 1, characterized in that in the region of the substrate ( 10 ) as an interconnector ( 12 ) a flexible, pad-like contacting element ( 12c ) is used.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the height of the for the sealing medium ( 13 ) provided sealing gap between the interconnectors ( 12 ) is dimensioned so small that the entire of the sealing medium ( 13 ) occupied space essentially from reaction areas of the sealing medium ( 13 ) with the interconnectors ( 12 ) consists.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that leakage of the sealing medium ( 13 ) from the sealing area by means of suitable surveys on the interconnectors ( 16 ) is prevented.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in addition to the sealing medium, an electrical insulation component between the interconnectors ( 12 ) is introduced in its edge region.