DE102006016001A1

DE102006016001A1 - Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102006016001A1
Application number: DE102006016001A
Authority: DE
Inventors: Hans-Rainer Dr. Zerfaß; Armin Diez; Peter Schenk; Wolfgang Fritz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: US20070231664A1; DE102006016001B4

Abstract

Um einen Brennstoffzellenstapel, umfassend mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten, wobei jede der Brennstoffzelleneinheiten ein Gehäuse mit mindestens einem Gehäuseteil aus einem metallischen Material umfasst, zu schaffen, dessen Brennstoffzelleneinheiten einen einfachen Aufbau aufweisen und der auch bei einer hohen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine ausreichende elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wird vorgeschlagen, dass der Brennstoffzellenstapel mindestens ein Verteilerelement umfasst, das mindestens einen Gasverteilerkanal zum Zuführen eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels zu einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten oder zum Abführen von Abgas oder überschüssigem Oxidationsmittel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweist, wobei mindestens ein Gehäuseteil mindestens einer Brennstoffzelleneinheit mit dem mindestens einen Verteilerelement verlötet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten umfasst, wobei jede der Brennstoffzelleneinheiten ein Gehäuse mit mindestens einem Gehäuseteil aus einem metallischen Material umfasst.
Zur Einstellung der gewünschten Betriebsspannung werden Brennstoffzelleneinheiten in der benötigten Anzahl aufeinander angeordnet, um so einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack) zu erhalten. Um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern, müssen die Gehäuse von in dem Brennstoffzellenstapel aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten elektrisch voneinander isoliert werden. Außerdem ist es erforderlich, die Brenngaskanäle des Brennstoffzellenstapels gasdicht von den Oxidationsmittelräumen der Brennstoffzelleneinheiten und die Oxidationsmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels gasdicht von den Brenngasräumen der Brennstoffzelleneinheiten zu trennen.
Bei bekannten Brennstoffzellenstapeln werden Dicht- und Isolationselemente zwischen den längs der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten angeordnet, um die erforderliche elektrische Isolationswirkung und die erforderliche Abdichtwirkung zu erzielen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Brennstoffzelleneinheiten einen einfachen Aufbau aufweisen und der auch bei einer hohen Betriebstemperatur des Brennstoffstapels eine ausreichende elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennstoffzellenstapel mindestens ein Verteilerelement umfasst, das mindestens einen Gasverteilerkanal zum Zuführen eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels zu einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten oder zum Abführen von Abgas oder überschüssigem Oxidationsmittel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweist, wobei mindestens ein Gehäuseteil mindestens einer Brennstoffzelleneinheit mit dem mindestens einen Verteilerelement verlötet ist.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt somit das Konzept zugrunde, die Gasverteilerkanäle zum Zuführen des Brenngases oder des Oxidationsmittels zu den Brennstoffzelleneinheiten und die Gasverteilerkanäle zum Abführen von Abgas oder überschüssigem Oxidationsmittel aus den Brennstoffzelleneinheiten nicht durch eine Abfolge von miteinander fluchtenden Gasdurchtrittsöffnungen in den Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten auszubilden, sondern stattdessen die Gasverteilerkanäle in mindestens einem separat von den Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten ausgebildeten Verteilerelement (Manifold) vorzusehen und die Gehäuse der Brennstoffzelleneinheifen jeweils einzeln an dem mindestens einen Verteilerelement festzulegen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung liegen die Gehäuse der längs der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten vorzugsweise nicht direkt aneinander an, so dass auf die Anordnung von Dicht- und Isolationselementen zwischen den längs der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten verzichtet werden kann.
Die erforderliche elektrische Isolationswirkung und die erforderliche Abdichtwirkung werden bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beide durch die Verbindung der Gehäuseteile der Brennstoffzelleneinheiten mit dem mindestens einen Verteilerelement erzielt.
So kann insbesondere vorgesehen sein, dass das mindestens eine Gehäuseteil und das mindestens eine Verteilerelement mittels eines bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels elektrisch isolierenden Lotmaterials miteinander verlötet sind.
Ein solches Lotmaterial kann insbesondere als ein Glaslotmaterial ausgebildet sein.
Bei einigen der üblicherweise verwendeten Lot- und/oder Dichtungsmaterialien ist der elektrische Widerstand bei der Betriebstemperatur einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit (im Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C) nicht mehr ausreichend hoch, um eine zufriedenstellende Isolationswirkung zu erzielen. Ferner weisen einige der üblicherweise verwendeten Lot- und/oder Dichtungsmaterialien nur eine geringe Beständigkeit gegenüber den bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit häufig auftretenden Temperaturwechseln (zwischen Betriebs- und Ruhephasen) auf.
Eine besonders gute elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit auch bei einer hohen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels wird vorteilhafterweise erreicht, wenn das mindestens eine Gehäuseteil mit einer Beschichtung aus einem keramischen Material versehen und an mindestens einer mit der Keramikbeschichtung versehenen Stelle mit dem mindestens einen Verteilerelement verlötet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verteilerelement mit einer Beschichtung aus einem keramischen Material versehen und an mindestens einer mit der Keramikbeschichtung versehenen Stelle mit dem mindestens einen Gehäuseteil verlötet ist.
Eine mechanisch besonders belastbare Verbindung zwischen dem mindestens einen Gehäuseteil und dem mindestens einen Verteilerelement wird erzielt, wenn das mindestens eine Gehäuseteil und das mindestens eine Verteilerelement mittels eines metallischen Lotes miteinander verlötet sind.
Das metallische Lot ist bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels fest.
Die Keramikbeschichtung ist aus einem keramischen Material gebildet, das bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Isolationswirkung aufweist, so dass die elektrische Isolation zwischen den Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten einerseits und dem mindestens einen Verteilerelement andererseits durch diese Keramikbeschichtung gewährleistet ist.
Da die elektrische Isolierung bereits durch die Keramikbeschichtung erreicht wird, kann für die mechanische Verbindung der Gehäuse der Brennstoffzelleneinheiten mit dem mindestens einen Verteilerelement statt eines Glaslotes oder eines keramischen Dichtmaterials ein metallisches Lot verwendet werden, welches eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine hohe Temperaturwechselbeanspruchbarkeit aufweist.
Außerdem erlaubt es das erfindungsgemäße Konzept, in einfacher Weise eine haltbare Verbindung zwischen den Gehäusen von in der Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten einerseits und dem mindestens einen Verteilerelement andererseits zu schaffen, so dass der Aufbau der Brennstoffzellenstapels durch sukzessives Anfügen der Gehäuse der Brennstoffzelleneinheiten an das mindestens eine Verteilerelement besonders einfach und rasch erfolgen kann.
Grundsätzlich kann die Keramikbeschichtung aus jedem keramischen Material gebildet werden, welches bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels einen ausreichend hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
Besonders geeignet sind solche Keramikbeschichtungen, welche Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Magnesiumoxid umfassen.
Die Keramikbeschichtung kann beispielsweise durch thermisches Spritzen, insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen, durch Vakuumplasmaspritzen oder durch Flammspritzen, erzeugt sein.
Bei einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Gehäuseteil und/oder das mindestens eine Verteilerelement aus einer metallischen Legierung gebildet ist, welche einen oxidierbaren Bestandteil enthält.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die metallische Legierung Aluminium und/oder Zirkonium als oxidierbaren Bestandteil enthält.
Bei Vorhandensein eines oxidierbaren Bestandteil in der metallischen Legierung, aus der das Gehäuseteil gebildet ist, kann die Keramikbeschichtung durch Oxidation des oxidierbaren Bestandteils, beispielsweise Aluminium und/oder Zirkonium, der metallischen Legierung erzeugt sein.
Vorzugsweise weist die Keramikbeschichtung eine Dicke von ungefähr 20 μm bis ungefähr 1.000 μm auf.
Für die Verlötung der Keramikbeschichtung des mindestens einen Gehäuseteils mit dem mindestens einen Verteilerelement kann insbesondere ein Silberbasislot verwendet werden.
Ein solches Silberbasislot kann mit oder ohne Zusatz von elementarem Kupfer verwendet werden.
Wenn das Silberbasislot ohne Zusatz von elementarem Kupfer verwendet wird, so ist es günstig, wenn das Silberbasislot einen Zusatz von Kupferoxid enthält, da durch den Zusatz von Kupferoxid das Silberbasislot Keramikoberflächen besser benetzt.
Ferner kann das Silberbasislot einen Titanzusatz zur Verbesserung der Benetzung umfassen.
Das für die Verlötung des mindestens einen Gehäuseteils mit dem mindestens einen Verteilerelement verwendete Lot wird aus einem innigen Gemenge der Komponenten hergestellt, aus welchem sich erst bei der Erwärmung auf die Löttemperatur in situ die Lotlegierung bildet.
Für die Verlötung des mindestens einen Gehäuseteils mit dem mindestens einen Verteilerelement kann ferner auch ein Aktivlot verwendet werden.
Aktivlote sind metallische Legierungen, die grenzflächenaktive Elemente (z.B. Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob und/oder Tantal) in geringen Mengen enthalten und somit in der Lage sind, die Grenzflächenenergie zwischen einem keramischen Material und der Lotschmelze so weit herabzusetzen, dass eine Benetzung des keramischen Materials durch das Lot erfolgen kann.
Die Aktivlöttechnik unter Verwendung von Aktivloten ermöglicht die Herstellung von Keramik-Keramik/Metall-Verbunden in einem einstufigen Fügeprozess, ohne vorhergehende Metallisierung der Keramikfügeflächen. Die Benetzung der Keramikfügeflächen durch das Lot wird hierbei durch die Verwendung des Aktivlots sichergestellt.
Ein geeignetes Aktivlot wird beispielsweise unter der Bezeichnung "Copper ABA" von der Firma Wesgo Metals, 610 Quarry Road, San Carlos, CA 94070, USA, vertrieben.
Dieses Aktivlot hat die folgende Zusammensetzung: 2 Gewichtsprozent Al; 92,7 Gewichtsprozent Cu; 3 Gewichtsprozent Si; und 2,3 Gewichtsprozent Ti.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist vorgesehen, dass das Gehäuse mindestens einer Brennstoffzelleneinheit mindestens zwei Gehäuseteile aus einem metallischen Material umfasst, die beide mit dem mindestens einen Verteilerelement verlötet sind.
Um ein gasdichtes Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Gehäuseteile des Gehäuses der mindestens einen Brennstoffzelleneinheit, vorzugsweise durch Verschweißung und/oder Verlötung, aneinander festgelegt sind.
Dabei kann mindestens eines der Gehäuseteile mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweisen, durch welche im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit der Brennstoffzelleneinheit für eine elektrische Kontaktierung durch eine andere Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels zugänglich ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Gehäuseteile ein Kontaktfeld zum elektrischen Kontaktieren einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer anderen Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels aufweist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass an mindestens einem der Gehäuseteile eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit der Brennstoffzelleneinheit, entweder direkt oder über ein Substrat der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit, festgelegt ist, beispielsweise durch Verlötung und/oder durch Verschweißung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei Gehäuseteile der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil, gemeinsam ein vollständiges, zweiteiliges Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit bilden, ohne dass hierfür weitere, insbesondere metallische, Gehäuseteile erforderlich sind.
Dieses Gehäuse kann insbesondere eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit der Brennstoffzelleneinheit zwischen den beiden Gehäuseteilen einschließen.
Das mindestens eine Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit ist vorzugsweise aus einem Metallblech gebildet.
Insbesondere kann das Gehäuseteil als ein Blechformteil ausgebildet sein, das durch Umform- und/oder Prägevorgänge aus einem im wesentlichen ebenen Metallblech gebildet ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das mindestens eine Gehäuseteil aus einem hochkorrosionsfesten Stahl gebildet ist. Dadurch wird eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit des Gehäuseteils auch bei der hohen Betriebstemperatur einer SOFC(Solid Oxyde Fuel Cell)-Brennstoffzelleneinheit erzielt.
Besonders günstig ist es, wenn als Material für das Gehäuseteil der korrosionsbeständige Stahl verwendet wird, der unter dem Handelsnamen "Aluchrom Y" oder auch "FeCrAlY" kommerziell erhältlich ist.
Um einen besonders einfachen Aufbau des Brennstoffzellenstapels zu erzielen, kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Gehäuseteil keine Durchtrittsöffnung für ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Abgas aufweist. In diesem Fall wird die Zufuhr und Abfuhr von Gasen zu den Brennstoffzelleneinheiten ausschließlich durch das mindestens eine Verteilerelement oder durch eine Mehrzahl von Verteilerelementen bewerkstelligt.
Um die Brennstoffzelleneinheit mit einem Brenngas oder einem Oxidationsmittel zu versorgen oder ein Abgas oder ein Oxidationsmittel aus der Brennstoffzelleneinheit abzuführen, kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse mindestens einer Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Durchtrittsöffnung für ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Abgas, die mit einem Gasverteilerkanal des mindestens einen Verteilerelements verbunden ist, aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Verteilerelement mindestens einen von dem mindestens einen Gasverteilerkanal abzweigenden Gaszweigkanal aufweist, über den die mindestens eine Durchtrittsöffnung des Gehäuses der mindestens einen Brennstoffzelleneinheit mit dem mindestens einen Gasverteilerkanal verbunden ist.
Eine solche Durchtrittsöffnung kann insbesondere dadurch gebildet sein, dass sie seitlich durch mindestens einen Bereich des Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit begrenzt ist, welche einen Bördelfalz umfasst.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das mindestens eine Verteilerelement mindestens eine Aufnahme für das mindestens eine Gehäuseteil aufweist, welche einen Randbereich des Gehäuseteils aufnimmt.
Eine solche Aufnahme kann insbesondere als eine Aufnahmenut ausgebildet sein.
Um einen besonders stabilen Brennstoffzellenstapel zu erhalten, welcher alle notwendigen Gasverteilerkanäle aufweist, ist es günstig, wenn der Brennstoffzellenstapel mindestens zwei Verteilerelemente mit jeweils mindestens einem Gasverteilerkanal umfasst und das mindestens eine Gehäuseteil mindestens einer Brennstoffzelleneinheit auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einem der Verteilerelemente verlötet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten umfasst, die zwischen zwei Verteilerelementen gehalten sind, welche Gasverteilerkanäle zum Zuführen eines Brenngases und eines Oxidationsmittels zu den Brennstoffzelleneinheiten und zum Abführen von Abgas und überschüssigem Oxidationsmittel aus den Brennstoffzelleneinheiten umfasst;
2 eine schematische perspektivische Darstellung, welche einen Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels, insbesondere die Mündungen von Gaszweigkanälen an einer den Brennstoffzelleneinheiten zugewandten Seite eines der Verteilerelemente, zeigt;
3 eine der 2 entsprechende schematische perspektivische Darstellung eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels, wobei eines der Verteilerelemente entfernt worden ist, um die seitlichen Ränder von Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten zu zeigen;
4 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel im Bereich eines Brenngaszuführkanals;
5 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel im Bereich eines Oxidationsmittelzuführkanals;
6 einen schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel im Bereich eines quer zu den Verteilerelementen verlaufenden Randes der Gehäuse der Brennstoffzelleneinheiten; und
7 einen der 6 entsprechenden schematischen vertikalen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels, bei welcher eine elektrische Isolierungsschicht nicht an den Gehäusen der Brennstoffzelleneinheiten, sondern an einem externen Gehäuse des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in den 1 bis 6 dargestellter, als Ganzes mit 100 bezeichneter Brennstoffzellenstapelumfasst mehrere Brennstoffzelleneinheiten 102 von jeweils gleichem Aufbau, welche längs einer vertikalen Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelt sind.
In den Zeichnungen sind beispielhaft drei solcher Brennstoffzelleneinheiten 102 dargestellt; in der Praxis wird deren Zahl jedoch in der Regel deutlich höher sein.
Jede der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfasst ein Gehäuse 106, das aus einem Gehäuseoberteil 108 und einem Gehäuseunterteil 110 zusammengesetzt ist, sowie eine zwischen dem Gehäuseoberteil 108 und dem Gehäuseunterteil 110 gehaltene elektrochemische Einheit 112, die ihrerseits ein Substrat 114, ein an der dem Gehäuseunterteil 110 zugewandten Seite des Substrats 114 angeordnetes Kontaktmaterial 116 und eine an der dem Kontaktmaterial 116 abgewandten Oberfläche des Substrats 114 angeordnete Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 118 umfasst.
Das Gehäuseoberteil 108 ist als ein Blechformteil ausgebildet und umfasst eine im wesentlichen rechteckige und im wesentlichen ebene Blechplatte 120, die mit einer im wesentlichen rechteckigen mittigen Durchtrittsöffnung 122 versehen ist, durch welche im fertig montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit 102 die KEA-Einheit 118 der Brennstoffzelleneinheit 102 für eine Kontaktierung durch das Gehäuseunterteil 110 der in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 zugänglich ist.
Längs ihrer Außenränder ist die Blechplatte 120 mit einem umlaufenden Bördelfalz 124 versehen, der dadurch gebildet ist, dass ein äußerer Randbereich der Blechplatte 120 längs einer Biegelinie 126 aus der Ebene der Blechplatte 120 herausgebogen und auf die Unterseite 128 der Blechplatte 120 zurückgefaltet worden ist.
Längs zweier einander gegenüberliegender Seiten des Gehäuseoberteils 108 ist der so gebildete Bördelfalz 124 abschnittsweise unterbrochen, weil an diesen Stellen der sonst umgefaltete Randbereich der Blechplatte 120 durch Ausstanzen oder Ausschneiden entfernt worden ist. Dieses abschnittsweise Entfallen des Bördelfalzes 124 dient dazu, Brenngaseintrittsöffnungen 130 bzw. den Brenngaseintrittsöffnungen 130 gegenüberliegende Abgasaustrittsöffnungen an dem Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheit 102 auszubilden.
Das Gehäuseoberteil 108 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosisionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Legierung Crofer 22, hergestellt.
Der Werkstoff Crofer 22 hat die folgende Zusammensetzung: 22 Gewichtsprozent Chrom; 0,6 Gewichtsprozent Aluminium; 0,3 Gewichtsprozent Silizium; 0,45 Gewichtsprozent Mangan; 0,08 Gewichtsprozent Titan; 0,08 Gewichtsprozent Lanthan; Rest Eisen.
Dieser Werkstoff wird von der Firma ThyssenKrupp VDM GmbH, Plettenberger Straße 2, 58791 Werdohl, Deutschland, vertrieben.
Das Gehäuseunterteil 110 ist ebenfalls als ein Blechformteil ausgebildet und umfasst eine im wesentliche rechteckige, senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtete Blechplatte 132, welche ein im wesentlichen rechteckiges, mittiges Kontaktfeld 134 aufweist, das mit Kontaktelementen zur Kontaktierung des Kontaktmaterials 116 einerseits und der Kathode einer KEA-Einheit 118 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 andererseits versehen ist, wobei diese Kontaktelemente beispielsweise wellblechförmig (wie in 3 dargestellt) oder noppenförmig ausgebildet sein können.
Auch das Gehäuseunterteil 110 ist an den äußeren Rändern der Blechplatte 132 mit einem umlaufenden Bördelfalz 138 versehen, der durch Umbiegen eines äußeren Randbereichs der Blechplatte 132 um eine Biegelinie 140 und Zurückfalten dieses Randbereichs auf die Oberseite 140 der Blechplatte 132 gebildet ist.
Wie aus den 5 und 6 zu ersehen ist, liegen die Bördelfalze 124 des Gehäuseoberteils 108 und 138 des Gehäuseunterteils 110 flächig aneinander an. Die Bördelfalze 124 und 138 sind in gasdichter Weise, beispielsweise durch Verschweißung und/oder Verlötung, aneinander festgelegt, so dass das Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheit 102 im Bereich der Bördelfalze 124, 138 gasdicht abgeschlossen ist.
In den Randabschnitten des Gehäuseunterteils 110, welche den bördelfalzlosen Randabschnitten des Gehäuseoberteils 108 entsprechen, ist auch das Gehäuseunterteil 110 nicht mit einem solchen Bördelfalz versehen, was dadurch erreicht wird, dass der sonst zur Bildung des Bördelfalzes 138 verwendete Randbereich der Blechplatte 132 durch Ausstanzen oder Ausschneiden entfernt worden ist.
Durch den Fortfall der Bördelfalze 124 und 138 werden in diesen Abschnitten die bereits erwähnten Brenngaseintrittsöffnungen 130 und die denselben gegenüberliegenden Abgasaustrittsöffnungen des Gehäuses 106 der Brennstoffzelleneinheit 102 geschaffen (siehe insbesondere 4).
Das Gehäuseunterteil 110 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosisionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der vorstehend bereits genannten Legierung Crofer 22, hergestellt.
Das Substrat 114 der elektrochemischen Einheit 112 kann beispielsweise als ein Sinterkörper ausgebildet sein.
Ein solcher Sinterkörper kann beispielsweise aus einem FeCrAlY-Pulver gebildet sein, welches unter der Bezeichnung FE-151 von der Firma Praxair in Indianapolis, Illinois, USA, vertrieben wird. Die ungefähre Zusammensetzung dieses FeCrAlY-Pulvers ist die folgende: 30 Gewichtsprozent Cr, 5 Gewichtsprozent Al, 0,5 Gewichtsprozent Y, Rest Fe.
Das Kontaktmaterial 116, das zwischen dem Substrat 114 und dem Gehäuseunterteil 110 angeordnet ist, kann beispielsweise als ein Metallnetz, Metallgestrick oder Metallvlies, insbesondere aus Nickeldraht, ausgebildet sein.
Die auf der dem Kontaktmaterial 116 abgewandten Oberfläche des Substrats 114 angeordnete KEA-Einheit 118 umfasst eine Anode, einen über der Anode angeordneten Elektrolyten und eine über dem Elektrolyten angeordnete Kathode.
Die Anode ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C) elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus ZrO₂ oder aus einem NiZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), gebildet, welches porös ist, um einem Brenngas den Durchtritt durch die Anode zu dem an die Anode angrenzenden Elektrolyten zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt, insbesondere als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet. Der Elektrolyt ist bei Umgebungs- wie bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektronisch nicht leitend. Hingegen nimmt seine ionische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu.
Die Kathode ist aus einem bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und porös, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode angrenzenden Oxidationsmittelraum 142 den Durchtritt zu dem Elektrolyten zu ermöglichen.
Der gasdichte Elektrolyt der KEA-Einheit 118 erstreckt sich bis zum Rand der gasdurchlässigen Anode, wobei die Kathodenfläche kleiner als die Anodenfläche ist, so dass der Elektrolyt in seinem Randbereich mit der Unterseite 128 des Gehäuseoberteils 108 durch eine Lotschicht 144 verlötet werden kann.
Das für die Herstellung der Lotschicht 144 benötigte Lötmaterial kann als entsprechend zugeschnittene Lötfolie zwischen den Elektrolyten und das Gehäuseoberteil 108 eingelegt werden oder aber mittels eines Dispensers in Form einer Lötmaterialraupe auf die Oberseite des Elektrolyten und/oder auf die Unterseite des Gehäuseoberteils 108 aufgetragen werden. Ferner ist es auch möglich, das Lötmaterial mittels eines Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens, auf die Oberseite des Elektrolyten und/oder auf die Unterseite 128 des Gehäuseoberteils 108 aufzubringen.
Als Lötmaterial kann ein Silberbasislot mit Kupferzusatz verwendet werden, beispielsweise ein Silberbasislot mit der Zusammensetzung (in mol-Prozent): Ag-4Cu oder Ag-8Cu.
Die Lötung erfolgt in einer Luftatmosphäre. Die Löttemperatur beträgt beispielsweise 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 Minuten. Bei der Lötung in Luft bildet sich in situ Kupferoxid.
Alternativ hierzu kann als Lötmaterial auch ein Silberbasislot ohne Kupferzusatz verwendet werden. Ein solches kupferfreies Lot bietet den Vorteil einer höheren Solidustemperatur (diese beträgt ohne Kupferzusatz ungefähr 960°C, mit Kupferzusatz ungefähr 780°C). Da reines Silber Keramikoberflächen nicht benetzt, wird in Silberbasisloten ohne Kupferzusatz Kupfer(II)Oxid zur Verkleinerung des Randwinkels zugesetzt. Die Lötung mit Silberbasisloten ohne Kupferzusatz erfolgt in einer Luftatmosphäre oder in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise unter Argon.
Die Löttemperatur beträgt auch in diesem Fall vorzugsweise ungefähr 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 Minuten.
Alternativ zum Einlöten der elektrochemischen Einheit 112 in das Gehäuseoberteil 108 kann auch vorgesehen sein, dass ein Substrat 114, auf dem die KEA-Einheit 118 noch nicht erzeugt worden ist, mit dem Gehäuseoberteil 108 verschweißt wird und nach der Verschweißung die elektrochemisch aktiven Schichten der KEA-Einheit 118, d.h. deren Anode, Elektrolyt und Kathode, nacheinander im Vakuumplasmaspritzverfahren auf dem mit dem Gehäuseoberteil 108 bereits verschweißten Substrat 114 erzeugt werden.
Die vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinheiten 102 sind zwischen zwei Manifolds oder Verteilerelementen 146 gehalten, wobei das erste Verteilerelement 146a mehrere, beispielsweise drei, parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende Brenngaszuführkanäle 148 sowie mehrere, beispielsweise zwei, alternierend zu den Brenngaszuführkanälen 148 angeordnete und ebenfalls parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende Oxidationsmittelzuführkanäle 150 aufweist, während das dem ersten Verteilerelement 146a gegenüberliegende zweite Verteilerelement 146b mehrere, beispielsweise drei, parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende Abgasabführkanäle 152 und mehrere, beispielsweise zwei, alternierend zu den Abgasabführkanälen 152 angeordnete und ebenfalls parallel zur Stapelrichtung 104 verlaufende Oxidationsmittelabführkanäle 154 aufweist.
Wie am besten aus den 2 und 3 zu ersehen ist, weist jedes Verteilerelement 146 an seiner den Brennstoffzelleneinheiten 102 zugewandten Seite eine Reihe von senkrecht zur Stapelrichtung 104 verlaufenden Aufnahmenuten 156 auf, wobei jede der Aufnahmenuten 156 jeweils einen Randbereich des Gehäuses 106 einer Brennstoffzelleneinheit 102 aufnimmt, der die Brenngaseintrittsöffnungen 130 bzw. die Abgasaustrittsöffnungen des Gehäuses 106 enthält.
Die Aufnahmenuten 156 des ersten Verteilerelements 146a sind über senkrecht zu den Aufnahmenuten 156 und senkrecht zur Stapelrichtung 104 verlaufende Brenngaszweigkanäle 158 mit den Brenngaszuführkanälen 148 des ersten Verteilerelements 146a verbunden, wobei die Brenngaszweigkanäle 158 jeweils so in die Aufnahmenuten 156 münden, dass sie einer Brenngaseintrittsöffnung 130 des Gehäuses 106 einer Brennstoffzelleneinheit 102 gegenüberstehen.
Im Bereich zwischen den Aufnahmenuten 156 ist das erste Verteilerelement 146a mit mehreren Oxidationsmittelzweigkanälen 160 versehen, welche die zwischen den in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 ausgebildeten Oxidationsmittelräume 142 des Brennstoffzellenstapels 100 mit den Oxidationsmittelzuführkanälen 150 des ersten Verteilerelements 146a verbinden und in den Bereichen zwischen den Aufnahmenuten 156 an der den Brennstoffzelleneinheiten 102 zugewandten Außenseite des ersten Verteilerelements 146a münden.
Wie aus den 1 bis 3 zu ersehen ist, sind die Brenngaszweigkanäle 158 und die Oxidationsmittelzweigkanäle 160 vorzugsweise in Gruppen von jeweils mehreren, beispielsweise jeweils sieben, Kanälen zusammengefasst, wobei diese Kanalgruppen, entsprechend der alternierenden Anordnung der Brenngaszuführkanäle 148 und der Oxidationsmittelzuführkanäle 150, in der Längsrichtung des ersten Verteilerelements 146a alternierend angeordnet sind.
In entsprechender Weise ist das zweite Verteilerelement 146b mit Aufnahmenuten 156 versehen, in welche Abgaszweigkanäle münden, die den Abgasaustrittsöffnungen der Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 gegenüberstehen und dieselben mit den Abgasabführkanälen 152 des zweiten Verteilerelements 146b verbinden.
Zwischen den Aufnahmenuten 156 des zweiten Verteilerelements 146b sind Oxidationsmittelzweigkanäle 160 angeordnet, welche die Oxidationsmittelräume 142 des Brennstoffzellenstapels 100 mit den Oxidationsmittelabführkanälen 154 des zweiten Verteilerelements 146b verbinden.
Um die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 an den Verteilerelementen 146 festzulegen, sind die Gehäuseoberteile 108 mit den oberen Begrenzungswänden 162 der Aufnahmenuten 156 und die Gehäuseunterteile 110 mit den unteren Begrenzungswänden 164 der Aufnahmenuten 156 verlötet (siehe 4).
In den zwischen den Mündungen der Brenngaszweigkanäle 158 bzw. der Abgaszweigkanäle in die Aufnahmenuten 156 liegenden Bereichen sind die Gehäuseoberteile 108 und die Gehäuseunterteile 110 außerdem auch mit dem Aufnahmenutgrund 165 verlötet, so dass in diesen Bereichen der gesamte Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 106 und den Begrenzungswänden 162, 164, 165 der Aufnahmenut 156 durch das Lötmaterial ausgefüllt ist (siehe 5).
Um die erforderliche elektrische Isolation zwischen den Verteilerelementen 146 einerseits und den Gehäusen 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 andererseits zu gewährleisten, sind das Gehäuseoberteil 108 und das Gehäuseunterteil 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 an den mit der Lotschicht 166 in Kontakt kommenden Stellen mit einer Keramikbeschichtung 168 aus einem keramischen Material, welches bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 eine elektrische Isolationswirkung aufweist, versehen.
Die Keramikbeschichtung 168 des Gehäuseoberteils 108 kann sich über die gesamte Oberseite 170 des Gehäuseoberteils 108 oder aber auch nur über die Stellen erstrecken, an denen das Gehäuseoberteil 108 mit einem Verteilerelement 146 verlötet wird.
Die Keramikbeschichtung 168 des Gehäuseunterteils 110 kann sich über den gesamten, das mittige Kontaktfeld 134 umgebenden Bereich der Unterseite 172 des Gehäuseunterteils 110 oder aber auch nur über die Stellen erstrecken, an denen das Gehäuseunterteil 110 mit einem der Verteilerelemente 146 verlötet wird.
Die elektrisch isolierenden Keramikbeschichtungen 168 werden in einer Schichtdicke von beispielsweise ungefähr 30 μm bis beispielsweise ungefähr 500 μm durch thermisches Spritzen aufgebracht.
Hierfür geeignete Verfahren sind beispielsweise das atmosphärische Plasmaspritzen, das Vakuumplasmaspritzen oder das Flammspritzen.
Als Material für die Keramikbeschichtungen 168 eignen sich beispielsweise die folgenden, durch thermisches Spritzen aufzubringenden Isoliermaterialien:

– 99,5%iges Aluminiumoxid;
– ein Gemisch aus 97 Gewichtsprozent Aluminiumoxid und 3 Gewichtsprozent Titandioxid;
– Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid 5YSZ oder 8YSZ;
– ein Gemisch von 70 Gewichtsprozent Aluminiumoxid und 30 Gewichtsprozent Magnesiumoxid;
– ein Aluminium-Magnesium-Spinell.

Alternativ zu einem Gehäuseoberteil 108 bzw. zu einem Gehäuseunterteil 110 mit einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten keramischen Isolierschicht können auch Gehäuseteile aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, der Aluminium enthält, verwendet werden, welcher durch Voroxidation des aluminiumhaltigen metallischen Materials an den zu verlötenden Stellen mit einer Keramikbeschichtung 168 aus Aluminiumoxid versehen worden ist.
Insbesondere können solche Gehäuseteile aus der Stahllegierung gebildet sein, die unter der Bezeichnung "FeCrAlY" oder auch "Aluchrom Y" bekannt ist.
Die Zusammensetzung der FeCrAlY-Legierung ist die folgende: 30 Gewichtsprozent Chrom, 5 Gewichtsprozent Aluminium, 0,5 Gewichtsprozent Yttrium, Rest Eisen.
Die durch Ausstanzen aus einem Blech aus dieser Stahllegierung und Umformvorgänge hergestellten Gehäuseteile werden in eine sauerstoffhaltige Atmosphäre (beispielsweise in Luft) eingebracht und während einer Zeitdauer von beispielsweise zwei Stunden auf einer Temperatur von ungefähr 1.100°C gehalten. Durch diese Temperaturbehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wird an der Oberseite der Gehäuseteile die Keramikbeschichtung 168 aus Aluminiumoxid erzeugt.
Die Keramikbeschichtungen 168 an den Gehäuseteilen 108, 110 können vor oder nach der Verbindung beider Gehäuseteile 108, 110 zu dem Gehäuse 106 einer Brennstoffzelleneinheit 102 erzeugt werden.
Für die Verlötung des Gehäuseoberteils 108 und des Gehäuseunterteils 110 mit den Verteilerelementen 146 können dieselben Lötmaterialien verwendet werden, die vorstehend im Zusammenhang mit der Verlötung der elektrochemischen Einheit 112 und des Gehäuseoberteils 108 beschrieben worden sind, und der Lötvorgang kann unter denselben Bedingungen erfolgen.
Insbesondere kann also das hierfür benötigte Lötmaterial als entsprechend zugeschnittene Lötfolie zwischen das Gehäuseoberteil 108 bzw. das Gehäuseunterteil 110 und das jeweilige Verteilerelement 146 eingelegt werden oder aber mittels eines Dispensers in Form einer Lötmaterialraupe auf die Oberseite 170 des Gehäuseoberteils 108 bzw. auf die Unterseite 172 des Gehäuseunterteils 110 und/oder auf das jeweilige Verteilerelement 146 aufgetragen werden. Ferner ist es auch möglich, das Lötmaterial mittels eines Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens, auf das Gehäuseoberteil 108 bzw. auf das Gehäuseunterteil 110 und/oder auf das jeweilige Verteilerelement 146 aufzubringen.
Als Lötmaterial kann ein Silberbasislot mit Kupferzusatz verwendet werden, beispielsweise ein Silberbasislot mit der Zusammensetzung (in mol-Prozent): Ag-4Cu oder Ag-8Cu.
Die Lötung erfolgt in einer Luftatmosphäre. Die Löttemperatur beträgt beispielsweise 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 Minuten. Bei der Lötung in Luft bildet sich in situ Kupferoxid.
Alternativ hierzu kann als Lötmaterial auch ein Silberbasislot ohne Kupferzusatz verwendet werden. Ein solches kupferfreies Lot bietet den Vorteil einer höheren Solidustemperatur (diese beträgt ohne Kupferzusatz ungefähr 960°C, mit Kupferzusatz ungefähr 780°C). Da reines Silber Keramikoberflächen nicht benetzt, wird in Silberbasisloten ohne Kupferzusatz Kupfer(II)Oxid zur Verkleinerung des Randwinkels zugesetzt. Die Lötung mit Silberbasisloten ohne Kupferzusatz erfolgt in einer Luftatmosphäre oder in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise unter Argon.
Geeignete Silberbasislote ohne Zusatz von elementarem Kupfer haben beispielsweise die Zusammensetzung (in mol-Prozent): Ag-4CuO oder Ag-8CuO.
Zur weiteren Verbesserung der Benetzung (Verkleinerung des Randwinkels) kann ein Zusatz von Titan dienen. Zur Herstellung der Lote wird ein inniges Gemenge der entsprechenden Komponenten in Pulverform verwendet. Aus diesem Gemenge bildet sich in situ die Lotlegierung. Das Titan wird diesem Gemenge in Form von Titanhydrid zugesetzt. Aus dem Hydrid bildet sich bei ungefähr 400°C ein metallisches Titan. Geeignete Silberbasislote ohne Zusatz von elementarem Kupfer, aber mit Zusatz von Titan haben beispielsweise die Zusammensetzung (in mol-Prozent): Ag-4CuO-0,5Ti oder Ag-8CuO-0,5Ti.
Die Löttemperatur beträgt auch in diesem Fall vorzugsweise ungefähr 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 Minuten.
Ferner können als Lötmaterial zum Verlöten des Gehäuseoberteils 108 und des Gehäuseunterteils 110 mit den Verteilerelementen 146 auch Aktivlote verwendet werden.
Aktivlote sind metallische Legierungen, die grenzflächenaktive Elemente (z.B. Titan, Zirkonium, Hafnium, Niob und/oder Tantal) in geringen Mengen enthalten und somit in der Lage sind, die Grenzflächenenergie zwischen einem keramischen Material und der Lotschmelze so weit herabzusetzen, dass eine Benetzung des keramischen Materials durch das Lot erfolgen kann.
Die Aktivlöttechnik unter Verwendung von Aktivloten ermöglicht die Herstellung von Keramik-Keramik/Metall-Verbunden in einem einstufigen Fügeprozess, ohne vorhergehende Metallisierung der Keramikfügeflächen. Die Benetzung der Keramikfügeflächen durch das Lot wird hierbei durch die Verwendung eines Aktivlots sichergestellt.
Ein geeignetes Aktivlot wird beispielsweise unter der Bezeichnung "Copper ABA" von der Firma Wesgo Metals, 610 Quarry Road, San Carlos, CA 94070, USA, vertrieben.
Dieses Aktivlot hat die folgende Zusammensetzung: 2 Gewichtsprozent Al; 92,7 Gewichtsprozent Cu; 3 Gewichtsprozent Si; und 2,3 Gewichtsprozent Ti.
Der Lötvorgang kann insbesondere gemäß dem folgenden Temperaturprogramm durchgeführt werden:

– Sofern das Lotmaterial in Form einer Lotpaste aufgetragen wird, wird die Lotpaste während einer Dauer von ungefähr 10 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 150°C getrocknet.
– Anschließend erfolgt die Verlötung in drei Schritten, wobei in einem ersten Schritt die miteinander zu verlötenden Bauelemente während einer Stunde von Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 300°C erwärmt werden, in einer anschließenden zweiten Stufe die zu verlötenden Bauelemente innerhalb von drei Stunden von einer Temperatur von ungefähr 300°C auf eine Temperatur von ungefähr 550°C erwärmt werden und in einem dritten Schritt die miteinander zu verlötenden Bauelemente innerhalb von drei Stunden von einer Temperatur von ungefähr 550°C auf eine Endtemperatur von ungefähr 1.050°C erwärmt werden, wobei die Endtemperatur für einen Zeitraum von beispielsweise ungefähr 5 Minuten gehalten wird.
– Nach erfolgter Verlötung erfolgt die Abkühlung der miteinander verlöteten Bauelemente auf Raumtemperatur über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über Nacht.

Um ein unerwünschtes Fließen des Lotmaterials über den zu verlötenden Bereich hinaus zu verhindern, kann in den Bereichen des Gehäuseoberteils 108 und des Gehäuseunterteils 110 und des jeweiligen Verteilerelements 146, welche frei von dem Lotmaterial bleiben sollen, ein Lotstopp-Material aufgetragen werden.
Geeignete Lotstopp-Materialien werden unter den Bezeichnungen "Stopyt Liquid" oder "Stopyt Liquid #62A" von der Firma Wesgo Metals, 610 Quarry Road, San Carlos, CA 94070, USA, vertrieben.
Wird der Lötvorgang im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, so ist zu beachten, dass der Sauerstoffpartialdruck nicht unter eine bestimmte Untergrenze absinkt, da sonst die Kathode der KEA-Einheit 118 zerstört wird.
Im Falle einer Kathode aus Lanthanstrontiummanganat (LSM) beträgt die Untergrenze für den Sauerstoffpartialdruck ungefähr 1 ppm (10^–4 bar); im Falle einer Kathode aus Lanthanstrontiumcobaltferrit (LSCF) beträgt die Untergrenze für den Sauerstoffpartialdruck ungefähr 10 ppm (10^–3 bar).
Der durch die Verlötung der Brennstoffzelleneinheiten 102 mit den Verteilerelementen 146 hergestellte Brennstoffzellenstapel 100 wird in einem externen Gehäuse 174 angeordnet, um die Oxidationsmittelräume 142 von der Umgebungsatmosphäre abzutrennen.
Das externe Gehäuse 174 kann beispielsweise aus einem metallischen Material gebildet sein. Um in diesem Fall einen Kurzschluss zwischen den in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 auszuschließen, sind die Gehäuseoberteile 108 und die Gehäuseunterteile 110 der Brennstoffzelleneinheiten 102 auch längs ihrer quer zu den Verteilerelementen 146 verlaufenden Ränder mit der elektrisch isolierenden Keramikbeschichtung 168 versehen, so dass die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 nur über diese elektrisch isolierenden Keramikbeschichtungen 168 an dem externen Gehäuse 174 anliegen (siehe 6).
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 wird ein Brenngas den jeweils zwischen dem Gehäuseunterteil 110 und der elektrochemischen Einheit 112 ausgebildeten Brenngasräumen 176 der Brennstoffzelleneinheiten 102 über die Brenngaszuführkanäle 148 des ersten Verteilerelements 146a zugeführt und durch Oxidation an den Anoden der KEA-Einheiten 118 entstandenes Abgas sowie nicht verbrauchtes Brenngas durch die Abgasaustrittsöffnungen, die Abgaszweigkanäle und die Abgasabführkanäle 152 des zweiten Verteilerelements 146b aus den Brenngasräumen 176 abgeführt.
Ebenso wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, durch die Oxidationsmittelzuführkanäle 150 und die Oxidationsmittelzweigkanäle 160 des ersten Verteilerelements 146a dem Oxidationsmittelraum 142 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 zugeführt und nicht verbrauchtes Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittelzweigkanäle und die Oxidationsmittelabführkanäle 154 des zweiten Verteilerelements 146b aus den Oxidationsmittelräumen 142 abgeführt.
Bei der hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 sind die Ströme von Brenngas und Oxidationsmittel durch die Brennstoffzelleneinheiten 102 gleichsinnig gerichtet; es könnte aber auch vorgesehen sein, dass der Oxidationsmittelstrom entgegengesetzt zu dem Brenngasstrom gerichtet ist, indem beispielsweise die Oxidationsmittelzuführkanäle 150 des ersten Verteilerelements 146a mit den Oxidationsmittelabführkanälen 154 des zweiten Verteilerelements 146b vertauscht werden.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 weisen die KEA-Einheiten 118 eine Temperatur von beispielsweise 850°C auf, bei welcher der Elektrolyt jeder KEA-Einheit 118 für Sauerstoffionen leitfähig ist. Das Oxidationsmittel aus den Oxidationsmittelräumen 142 nimmt an den Kathoden Elektronen auf und gibt zweifach negativ geladene Sauerstoffionen an die Elektrolyten ab, welche durch die Elektrolyten zu den Anoden wandern. An den Anoden wird das Brenngas aus den Brenngasräumen 176 durch die Sauerstoffionen aus den Elektrolyten oxidiert und gibt dabei Elektronen an die Anoden ab.
Die bei der Reaktion an den Anoden frei werdenden Elektronen werden von den Anoden über die Substrate 114 und die Kontaktmaterialien 116 sowie die Gehäuseunterteile 110 den an der Unterseite der Kontaktfelder 134 der Gehäuseunterteile 110 anliegenden Kathoden der jeweils benachbarten Brennstoffzelleneinheiten 102 zugeführt und ermöglichen so die Kathodenreaktion.
Das Gehäuseoberteil 108 und das Gehäuseunterteil 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 sind elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die durch jeweils ein Gehäuseoberteil 108 und ein Gehäuseunterteil 110 gebildeten Gehäuse 106 von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 sind jedoch durch die Keramikbeschichtungen 168 an den Gehäusen 106 elektrisch voneinander isoliert.
Dabei ist durch die Verlötung der Gehäuse 106 mit den Verteilerelementen 146 zugleich eine gasdichte Verbindung zwischen diesen Bauelementen gewährleistet, so dass die Oxidationsmittelräume 142 und die Brenngasräume 176 der Brennstoffzelleneinheiten 102 voneinander gasdicht getrennt sind.
Die Verteilerelemente 146 können insbesondere aus einem metallischen Material gebildet sein.
Die Verteilerelemente 146 können als massive Materialblöcke ausgebildet sein, in denen die Gasverteilerkanäle und die Gaszweigkanäle durch spanende Bearbeitung gebildet werden.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Verteilerelemente 146 als Blechformteile, beispielsweise aus umgeformten Blechschalen, auszubilden, wobei die Gasverteilerkanäle und Gaszweigkanäle der Verteilerelemente 146 durch geeignete Umform- und/oder Prägevorgänge aus einem Blechmaterial ausgebildet werden.
Bei einer (nicht dargestellten) Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 ist vorgesehen, dass die elektrisch isolierende Keramikbeschichtung nicht an den Gehäusen 106, sondern stattdessen an den Verteilerelementen 146 angeordnet ist.
Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass sowohl die Gehäuse 106 als auch die Verteilerelemente 146 mit jeweils einer elektrisch isolierenden Keramikbeschichtung versehen sind.
Bei einer weiteren (nicht dargestellten) Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 ist vorgesehen, dass die Gehäuseoberteile 108 und die Gehäuseunterteile 110 der Brennstoffzelleneinheiten 102 nicht mittels eines metallischen Lotes, sondern mittels eines Glaslotes, das bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektrisch isolierend ist, mit den Verteilerelementen 146 verlötet werden.
Da in diesem Fall die elektrische Isolationswirkung zwischen den Gehäusen 106 und den Verteilerelementen 146 bereits durch das Glaslot gewährleistet ist, können bei einer solchen Ausführungsform die elektrisch isolierenden Keramikbeschichtungen 168 an den Gehäuseoberteilen 108 und den Gehäuseunterteilen 110 entfallen.
Ein geeignetes, elektrisch isolierendes Glaslot kann beispielsweise wie ein aus der EP 0 907 215 A1 bekanntes Glaslot zusammengesetzt sein, d.h. 11 bis 13 Gewichtsprozent Aluminiumoxid (Al₂O₃), 10 bis 14 Gewichtsprozent Boroxid (BO₂), etwa 5 Gewichtsprozent Calciumoxid (CaO), 23 bis 26 Gewichtsprozent Bariumoxid (BaO) und etwa 50 Gewichtsprozent Siliziumoxid (SiO₂) enthalten.
Eine in 7 dargestellte weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 lediglich dadurch, dass die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 an ihren quer zu den Verteilerelementen 146 verlaufenden Rändern nicht mit einer elektrisch isolierenden Keramikbeschichtung 168 versehen sind, sondern stattdessen das externe Gehäuse 174 an seiner den Gehäusen 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 zugewandten Innenseite mit einer Isolationsschicht 178 aus einem bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektrisch isolierenden Material versehen ist, um die erforderliche elektrische Isolation zwischen den Gehäusen 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 einerseits und dem externen Gehäuse 174 des Brennstoffzellenstapels 100 andererseits sowie die elektrische Isolation der Gehäuse 106 untereinander zu gewährleisten.
Dabei kann die elektrisch isolierende Isolationsschicht 178 insbesondere aus einem keramischen Material, beispielsweise aus Al₂O₃, gebildet sein.
Im übrigen stimmt die in 7 dargestellte zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Brennstoffzellenstapel, umfassend mehrere längs einer Stapelrichtung (104) aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten (102), wobei jede der Brennstoffzelleneinheiten (102) ein Gehäuse (106) mit mindestens einem Gehäuseteil (108, 110) aus einem metallischen Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (100) mindestens ein Verteilerelement (146) umfasst, das mindestens einen Gasverteilerkanal (148, 150, 152, 154) zum Zuführen eines Brenngases oder eines Oxidationsmittels zu einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (102) oder zum Abführen von Abgas oder überschüssigem Oxidationsmittel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten (102) aufweist, wobei mindestens ein Gehäuseteil (108, 110) mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (102) mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) und das Verteilerelement (146) mittels eines bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (100) elektrisch isolierenden Lotmaterials miteinander verlötet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mit einer Beschichtung (168) aus einem keramischen Material versehen und an mindestens einer mit der Keramikbeschichtung (168) versehenen Stelle mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verteilerelement (146) mit einer Beschichtung (168) aus einem keramischen Material versehen und an mindestens einer mit der Keramikbeschichtung (168) versehen Stelle mit dem mindestens einen Gehäuseteil (108, 110) verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) und das mindestens eine Verteilerelement (146) mittels eines metallischen Lotes miteinander verlötet sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (168) Aluminiumoxid und/oder Titandioxid und/oder Zirkoniumdioxid und/oder Magnesiumoxid umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (168) durch thermisches Spritzen, insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen, durch Vakuumplasmaspritzen oder durch Flammspritzen, erzeugt ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) und/oder das mindestens eine Verteilerelement (146) aus einer metallischen Legierung gebildet ist, welche einen oxidierbaren Bestandteil enthält.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Legierung Aluminium und/oder Zirkonium als oxidierbaren Bestandteil enthält.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (168) durch Oxidation eines oxidierbaren Bestandteils der metallischen Legierung erzeugt ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (168) eine Dicke von ungefähr 20 μm bis ungefähr 1.000 μm aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) mittels eines Silberbasislotes mit Kupferzusatz verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) mittels eines Silberbasislotes ohne Kupferzusatz verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Silberbasislot einen Zusatz von Kupferoxid enthält.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) mittels eines Silberbasislotes mit Titanzusatz verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) mittels eines Aktivlotes verlötet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (106) mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (102) mindestens zwei Gehäuseteile (108, 110) aus einem metallischen Material umfasst, die beide mit dem mindestens einen Verteilerelement (146) verlötet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gehäuseteile (108, 110) des Gehäuses (106) der mindestens einen Brennstoffzelleneinheit (102), vorzugsweise durch Verschweißung und/oder Verlötung, aneinander festgelegt sind.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108) mindestens eine Durchtrittsöffnung (122) aufweist, durch welche im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels (100) eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (118) der Brennstoffzelleneinheit (102) für eine elektrische Kontaktierung durch eine andere Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) zugänglich ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (110) ein Kontaktfeld (134) zum elektrischen Kontaktieren einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (118) einer anderen Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) aus einem Metallblech gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) aus einem hochkorrosionsfesten Stahl gebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) keine Durchtrittsöffnung für ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Abgas aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (106) mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (102) mindestens eine Durchtrittsöffnung (130) für ein Brenngas, ein Oxidationsmittel oder ein Abgas, die mit einem Gasverteilerkanal (148, 150, 152, 154) des mindestens einen Verteilerelements (146) verbunden ist, aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verteilerelement (146) mindestens einen von dem mindestens einen Gasverteilerkanal (148, 152) abzweigenden Gaszweigkanal (158) aufweist, über den die mindestens eine Durchtrittsöffnung (130) des Gehäuses (106) der mindestens einen Brennstoffzelleneinheit (102) mit dem mindestens einen Gasverteilerkanal (148, 152) verbunden ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Durchtrittsöffnung (130) seitlich durch mindestens einen Bereich des Gehäuses (106) der Brennstoffzelleneinheit (102) begrenzt ist, welcher einen Bördelfalz (124, 138) umfasst.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verteilerelement (146) mindestens eine Aufnahme (156) für das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) aufweist, welche einen Randbereich des Gehäuseteils (108, 110) aufnimmt.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (100) mindestens zwei Verteilerelemente (146) mit jeweils mindestens einem Gasverteilerkanal (148, 150, 152, 154) umfasst und dass das mindestens eine Gehäuseteil (108, 110) mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (102) auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einem der Verteilerelemente (146) verlötet ist.