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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle in
Leichtbauweise, die aus einem im Zentralbereich eine geschlossene
Oberfläche
aufweisenden sog. Wannenblech, welches im Randbereich Durchtrittsöffnungen
für an
den elektrochemisch aktiven und Schichten (= Elektroden-Elektrolyt-Einheit)
reagierenden Reaktionsgase aufweist, sowie aus einem mit dem Wannenblech
verschweißten
oder in vergleichbarer Weise unlösbar
verbundenen sog. Fensterblech besteht, welches im Randbereich ebenfalls entsprechende
Durchtrittsöffnungen
und im Zentralbereich zumindest eine großflächige oder mehrere kleine Übertrittsöffnung(en)
für eines
der Reaktionsgase aufweist. Zum bekannten Stand der Technik wird
auf die
DE 102 38
857 A1 verwiesen.
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Die
elektrochemisch aktiven Schichten einer Brennstoffzelle bestehen
regelmäßig aus
einer Kathode, einem Elektrolyten sowie einer Anode (= Elektroden-Elektrolyt-Einheit).
Der Kathode wird ein Oxidationsmittel als erstes Reaktionsgas, bspw.
in Form von Umgebungsluft, und der Anode wird ein Brennstoff, bspw.
Wasserstoff, als zweites Reaktionsgas zugeführt. Bekannt sind unterschiedliche
Brennstoffzellentypen, so neben PEM-Brennstoffzellen insbesondere
Festoxid-Brennstoffzellen
(SOFC), die auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellen bezeichnet werden,
da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C betragen kann. An der Kathode
einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels
Sauerstoff-Ionen. Diese Sauerstoff-Ionen diffundieren durch den Elektrolyten
und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden
Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und
somit wird elektrische Energie erzeugt.
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Mehrere
sog. Einzel-Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung größerer elektrischer Leistungen
durch verbindende Elemente, auch Interkonnektoren genannt, elektrisch
und mechanisch miteinander verbunden. Mittels Interkonnektoren entstehen übereinander
gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese
Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brennstoffzellenstapel
bestehen aus den Interkonnektoren und den Einzel-Brennstoffzellen, deren wesentliches
Element wiederum Elektroden-Elektrolyt-Einheiten, also die o.g. elektrochemisch
aktiven Schichten sind. Üblicherweise
sind die Interkonnektoren im Hinblick auf eine gute elektrische
Leitfähigkeit
aus Metallplatten gebildet, welche zugleich die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels
gewährleisten
und in welche üblicherweise
Verteiler-Strukturen für
die Reaktionsgase eingearbeitet sind.
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Die
genannten durch Metallplatten gebildeten Interkonnektoren besitzen
ein relativ hohes Gewicht, was insbesondere für den Einsatz eines Brennstoffzellenstapels
in einem Fahrzeug von besonderem Nachteil ist. Um das Gewicht eines
Brennstoffzellen-Stapels bzw. der diesen bildenden Brennstoffzellen
zu reduzieren, können
die Interkonnektoren alternativ aus dünnen, geprägten Blechen bestehen, so wie
dies in der eingangs genannten Schrift gezeigt ist. Der Interkonnektor
ist dabei aus zwei geprägten
Blechen aufgebaut, die eine Kassette darstellen. In diese Kassette
ist die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit (d.h. hier ein
Anodensubstrat mit Elektrolyt und Kathode) integriert. Die beiden
Bleche für
die Kassette sind ein sog. Wannenblech und ein Fensterblech entsprechend
dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1, die am äußeren Umfang
in sog. Schweißfugen
gasdicht miteinander verschweißt
sind, wobei die beiden Bleche an diesen Verbindungsstellen umgebogen
sind, sodass ein Schiebesitz (und somit eine sog. Schiebesitz-Fuge) vorliegt.
Dabei können
die beiden Bleche vorzugsweise ohne Zusatzwerkstoff mittels Laserstrahlschweißen miteinander
verschweißt
werden, um einen möglichst
geringen Wärmeeintrag
beim Schweißen
zu erzielen und die induzierten Spannungen zu minimieren.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei diesem bekannten Stand der Technik die
relativ lange Schiebesitz-Fuge am äußeren Umfang der beiden Bleche
erheblichen Fertigungsaufwand bedingt. Falls dann noch Nacharbeit
erforderlich ist, können
beim Schweißen
zusätzliche
Spannungen in die Brennstoffzelle eingebracht und somit auch in
die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit übertragen werden, die diese
unter extrem ungünstigen
Randbedingungen schädigen
könnten.
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Eine
Abhilfemaßnahme
für diese
geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist für
eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch
gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen
oder dergleichen zwischen den beiden Blechen an den (genannten)
Durchtrittsöffnungen
in Form von Schiebesitz-Fugen und am Rand (bzw. am Umfang) der Bleche
in Form von Überlapp-Fugen ausgebildet
sind, in denen die Bleche unter einem kleinen Vorhaltewinkel aneinander
anstehen.
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Erfindungsgemäß ist die äußere, am
Umfang der unlösbar
miteinander zu verbindenden Bleche vorgesehene Randfuge als sog. Überlapp-Fuge
ausgeführt.
Hierbei liegen die beiden Bleche nahezu plan aufeinander und werden
an ihrem äußeren Umfang verschweißt bzw.
unlösbar
miteinander verbunden. Um einen Toleranzausgleich und damit eine
sichere Berührung
der Bleche im Verbindungsbereich zu erzielen, sollen die Bleche
dort unter einem kleinen Vorhaltewinkel anstehen. Zumindest eines
der beiden Blech hat demnach die Form einer (sehr) schwach ausgeprägten Tellerfeder,
womit vorteilhafterweise ein Höhenausgleich
erzielt wird. Beim Schweißen
ergibt sich somit der Vorteil, dass kein Spalt zwischen den Blechen
zu überbrücken ist.
Die ist vor allem bei einer Strahl schweißung (wie Laserschweißen) ohne
Zusatzwerkstoff von besonderer Bedeutung.
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Im
Gegensatz zur äußeren Randfuge
ist die Bruchgefahr für
die Brennstoffzelle bei Schiebesitzfugen im Bereich der genannten,
im Randbereich der Bleche (aber innerhalb der Randfuge) vorgesehenen Durchtrittsöffnungen
wesentlich geringer, sodass hierfür ein Schiebesitz zwischen
den beiden Blechen vorgeschlagen wird. Durch die Gestaltung dieser Schiebesitz-Fugen
vorzugsweise in Kreisform ist eine präzise Fugengeometrie und eine
Versteifung der Fuge gegeben, sodass praktisch keine mechanischen
Spannungen auf die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit übertragen werden. Ein besonderer
Vorteil der damit vorliegenden Kombination von Schiebesitz-Fugen
(an den Durchtrittsöffnungen)
und Überlapp-Fugen
(am Rand der Bleche) ist die Vermeidung einer Doppelpassung zwischen
den Durchtrittsöffnungen
einerseits und der äußeren Randfuge andererseits.
Dies vermindert den Aufwand bei der Herstellung der Einzelteile
und die Einleitung von Verspannungen beim Fügeprozess.
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Ein
durch mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen
gebildeter Brennstoffzellen-Stapel kann auf verschiedenen Arten
aufgebaut werden, nämlich
bevorzugt durch Stapelung von sog. Kassetten oder in der sog. Sandwichbauweise.
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Bei
der Kassettenstapelung werden zunächst Kassetten hergestellt,
indem eine keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit zwischen einem
Wannenblech und einem Fensterblech nach der oben beschriebenen Art
eingeschweißt
wird. Hierbei wird die Anode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit mit
dem Wannenblech in Kontakt gebracht; wobei insbesondere wenn das
Wannenblech wellenförmig
gestaltet ist, ein Nickelnetz oder dgl. zwischen den Wellen des Wannenbleches
und der Elektroden-Elektrolyt-Einheit eingelegt werden kann. Die
Elektroden-Elektrolyt-Einheit
selbst kann zuvor an der Seite des Elektrolyten mit dem Fensterblech
gasdicht mittels metallischem Lot oder Glaslot verbunden werden.
Bei der eigentlichen Stapelung werden die so vorbereiteten Kassetten
mit Glaslot oder durch eine weitere metallische Lötung – hierbei
ist eine weitere elektrisch isolierende Zwischenlage erforderlich – zu einem
Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt.
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Bei
der Stapelung und insbesondere beim Verlöten aufeinander liegender Kassetten
miteinander sollten diese einzelnen Kassetten mechanisch geführt werden
können,
ohne dass dabei ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Kassetten
auftritt. Hierzu können
vorzugsweise an das Wannenblech an zwei gegenüberliegenden Seiten Laschen
oder dgl. angegliedert sein, mit deren Hilfe der Stapel über bspw.
vier keramische Stifte beim Stapelvorgang geführt werden kann.
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Bei
der genannten Sandwichbauweise kann vorzugsweise die Elektroden-Elektrolyt-Einheit
zunächst
an das Fensterblech angelötet
und anschließend
das Fensterblech mit dem Wannenblech gasdicht durch metallisches
Löten oder
durch Glaslot verbunden werden. Hierbei wird also – anders
als bei der Kassettenbauweise – zunächst ein
elektrischer Kontakt zwischen der Kathode und bspw. den Wellen des
wellenförmigen
Wannenbleches hergestellt. Die Stapelung der Sandwicheinheiten zu
einem Brennstoffzellenstapel kann durch Verschweißen der
Sandwicheinheiten am äußeren Umfang
sowie an den Zu- und Abführungen
für die
Reaktionsgase erfolgen. Bei diesem Vorgang kann die Dichtigkeit
der jeweiligen Schweißverbindungen
bereits jeweils nach dem Angliedern einer weiteren Sandwicheinheit
geprüft
werden. Hierdurch kann eine evtl. Undichtigkeit bereits beim Aufbau
des Brennstoffzellen-Stapels erkannt und praktisch sofort durch
eine Nachbehandlung beseitigt werden. Gleiches gilt im übrigen für ein alternatives
Aufbauverfahren einer Brennstoffzelle in Sandwichbauweise, wonach
zunächst
das vorzugsweise entlang der Dichtflächen mittels einer keramischen
Sprühschicht
oder mittels eines keramischen Formkörpers elektrisch isolierte
Fensterblech mittels hochtemperatur-tauglichem Metalllot mit der
Unterseite des Wannenblechs isolierend verbunden werden kann. Danach
kann die Elektroden-Elektrolyt-Einheit
entweder direkt oder mittels eines flexiblen metallischen Elements
indirekt, dabei jedoch spannungsentkoppelt, in das Fensterblech
eingelötet
werden.
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Für die genannten
Bauarten ist im übrigen
im Falle einer metallischen Lötverbindung
zwischen dem Wannenblech und dem Fensterblech eine elektrische Isolierung
vorzugsweise durch eine keramische Schicht erforderlich, die bspw.
auf eines der beiden Bleche bspw. durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen
aufgetragen werden kann, während bei
einer Glaslot-Verbindung diese elektrische Isolation durch das Glaslot
selbst gebildet ist.
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Die
beigefügten
Figuren zeigen zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele, wobei in 1 die
Aufsicht auf ein sog. Fensterblech mit darunter liegendem Wannenblech
dargestellt ist, während
in 2a der Teil-Schnitt B-B aus 1 für eine aus
diesem Fensterblech, einem Wannenblech und einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit
zusammengesetzten Brennstoffzelle in (o.g.) Kassettenbauweise und
in 3 der Schnitt A-A aus 1 durch
eine im Randbereich der (zusammengefügten) Bleche vorgesehene Durchtrittsöffnung für eines
der an den elektrochemisch aktiven Schichten, d.h. an der keramischen Elektroden-Elektrolyt-Einheit
reagierenden Reaktionsgase erheblich vergrößert dargestellt ist. 2b zeigt ähnlich der
Darstellung von 2a die o.g. Sandwich-Bauweise
einer erfindungsgemäßen Einzel-Brennstoffzelle,
wobei jedoch 1 nicht dem Aufbau dieser 2b entspricht,
da bei dieser Sandwichbauweise das Fensterblech (in der Figurendarstellung) „unterhalb" des Wannenblechs
liegt.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist ein sog. Fensterblech und mit der
Bezugsziffer 2 ein bereichsweise wellenförmiges sog.
Wannenblech gekennzeichnet, die elektrisch gegeneinander isoliert
aufeinander liegend unlösbar
miteinander gefügt
werden – vorzugsweise
durch Laserschweißen – und die
zusammen mit einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3 eine
Einzel-Brennstoffzelle bilden, von denen mehrere zu einem Brennstoffzellen-Stapel
(nicht figürlich
dargestellt) übereinander
gestapelt werden (können).
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In 1 erkennt
man das Fensterblech 1 mit einer großflächigen Übertrittsöffnung 1a für an die gemäß 2a unterhalb
des Fensterbleches 1 liegende Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3 herangeführtes Reaktions-Gas.
Ferner erkennt man mehrere im Randbereich dieses Fensterblechs 1 vorgesehene und
gruppenweise zusammengefasste Durchtrittsöffnungen 4a, 4b für die Reaktionsgase,
was insoweit einer üblichen
Gestaltung entspricht. Dargestellt ist dabei eine Isolationsschicht 5,
mittels derer insbesondere auch einander benachbarte Durchtrittsöffnungen 4a, 4b gegeneinander
isoliert und hierdurch zu den beiden genannten Gruppen von Durchtrittsöffnungen 4a bzw. 4b zusammengefasst
sind. Weiterhin erkennt man in 1 unterhalb
des Fensterblechs 1 mit Laschen 2b versehene Randstege 2a des
Wannenblechs 2 (vgl. auch 2a).
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Es
wurde bereits darauf hingewiesen, dass 1 nicht
dem Aufbau einer in der Schnittdarstellung von 2b gezeigten
sog. Sandwichbauweise entspricht, da bei dieser Sandwichbauweise
wie ersichtlich das Fensterblech 1 „unterhalb" des Wannenblechs 2 liegt,
jedoch kann ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
sowohl für
die Sandwichbauweise (2b) als auch für die genannte
Kassettenbauweise (2a, 1) zusammen
unter Bezugnahme auf die 2a, 2b erläutert werden. Wie
dargestellt sind nämlich
die ggf. unter Zwischenlage einer Isolationsschicht 5 aufeinander
liegenden und miteinander zu verschweißenden bzw. in vergleichbarer
Weise unlösbar
miteinander zu verbindenden Bleche 1, 2 über eine
am Rand umlaufende Überlapp-Fuge
mit darin liegender Schweißverbindung 6 miteinander
verbunden, wobei die Bleche 1, 2 im Bereich dieser
Fuge unter einem kleinen Vorhaltewinkel α aneinander anstehen. Wie ersichtlich
hat hierfür
hier das Fensterblech 1 die Form einer sehr schwach ausgeprägten Tellerfeder.
Kennzeichnendes Merkmal dieser Überlapp-Fuge(n)
ist, dass die beiden Bleche 1, 2 im einen erheblich
breiteren Bereich als durch die Fuge selbst gebildet wird annähernd parallel
zueinander und einander dabei überlappend
praktisch aufeinander liegen, so dass die beiden Bleche 1, 2 im
nicht verbundenen Zustand großflächig gegeneinander
oder aufeinander verschoben werden können.
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Anders
als an ihrem Umfang sind die beiden Bleche 1, 2 im
Bereich der Durchtrittsöffnungen 4a, 4b miteinander
verbunden, wo ausweislich 3 eine sog.
Schiebesitz-Fuge mit einer Schweißverbindung 6 oder
dgl. ausgebildet ist. Bei dieser bzw. einer Schiebesitz-Fuge sind
die miteinander unlösbar
zu verbindenden Bleche nahe des Fugenbereichs umgebogen und überlappen
sich somit nur mit ihren Rändern,
derart, dass die beiden Bleche 1, 2 praktisch
nur in Richtung senkrecht zu ihrer Haupt-Ebene nennenswert relativ
zueinander bewegt werden können.
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Mit
diesen beiden verschiedenen Fugen-Gestaltungen im Randbereich einerseits
sowie im Bereich von Durchtrittsöffnungen
(im Randbereich) andererseits sind mit minimiertem Fertigungsaufwand optimierte
Resultate erzielbar, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus
eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Ausführungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.