DE102008025615B4

DE102008025615B4 - Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zum Verlöten von Bauelementen einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102008025615B4
Application number: DE102008025615.3A
Authority: DE
Inventors: Axel Langjahr; Dieter Coconcelli; Andreas Zimmer
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: DE102008025615A1

Abstract

Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit (100), das zur Verlötung mit einem anderen Bauelement (112) vorgesehen ist,dadurch gekennzeichnet,dass das Bauelement (114) mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke (166; 180) versehen ist, die im verlöteten Zustand des Bauelements (114) mit dem Lotmaterial einer Lotspur (176) in Kontakt steht und sich um eine Durchgangsöffnung (156, 158; 160) des Bauelements (114) herum erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit, das zur Verlötung mit einem anderen Bauelement eines Brennstoffzellenstacks vorgesehen ist.
Zur Herstellung von Brennstoffzellenstacks aus Brennstoffzelleneinheiten ist es notwendig, verschiedene Ebenen von Brennstoffzelleneinheiten gasdicht und elektrisch isolierend miteinander zu verbinden.
Wegen der hohen Betriebstemperaturen einer SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)-Brennstoffzelle sind dabei besondere Anforderungen an das Dichtungssystem zu stellen:

- Das System muss über den gesamten Temperatureinsatzbereich des Brennstoffzellenstacks (von ungefähr -40°C bis ungefähr 850°C) gasdicht sein.
- Das System muss auch bei der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstacks über die gesamte Lebensdauer hinweg einen Widerstand von mindestens 50 kΩ bis 100 kΩ aufweisen.

Es ist bekannt, verschiedene Bauelemente eines Brennstoffzellenstacks, welche aus einem Stahlmaterial gebildet sind, dadurch elektrisch voneinander zu isolieren, dass eine Fügefläche dieser Bauelemente mit einem Keramikmaterial beschichtet wird. Die Verbindung des Keramikmaterials mit dem blanken Stahlmaterial des jeweils anderen Bauelements wird dabei durch eine Hochtemperaturlötung realisiert. Hierbei wird eine Lotspur wahlweise auf das Stahlmaterial oder auf das Keramikmaterial aufgebracht. Die Fügeflächen der beiden miteinander zu verbindenden Bauelemente sind im Wesentlichen eben und planparallel zueinander ausgerichtet, werden mit geeigneten Vorrichtungen relativ zueinander positioniert und in einem Ofen bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 950°C gefügt.
Beim Herstellungsprozess der Fügepartner, insbesondere bei der Keramikbeschichtung des Stahlmaterials, beim Umformen und Stanzen, werden aber Spannungen in die Fügefläche eingebracht, welche die Fügefläche wellig werden lassen, so dass kein einheitlicher Fügespalt mit konstanter Spalthöhe mehr vorhanden ist. Wird nun das Lot in einem solchen uneinheitlichen Fügespalt auf Liquidus-Temperatur gebracht, so fließt das Lot aus dem Lötspalt heraus. Es kann somit zur Leckage und zu Kurzschlüssen kommen, wenn das Lot über die Keramikschicht hinaus aus dem Fügespalt fließt.
Die DE 10 2005 045 053 A1 offenbart Bauelemente einer Brennstoffzelleneinheit, die zur Verlötung mit einem anderen Bauelement vorgesehen sind.
Die DE 503 660 A offenbart einen Konservendosenmantel, dessen Blechlängsränder miteinander verlötet werden, wobei der Konservendosenmantel mit einer Sicke versehen ist, die im verlöteten Zustand des Konservendosenmantels mit einem Lötmetall in Kontakt steht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und kurzschlussfreie Lötverbindung eines Bauelements einer Brennstoffzelleneinheit mit einem anderen Bauelement eines Brennstoffzellenstacks zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.
Dabei wirkt die Lotstopper-Sicke als mechanische Sperre, die das Lot daran hindert, in kritische Bereiche des Brennstoffzellenstacks abzufließen.
Ferner dient die Lotstopper-Sicke als Hilfsmittel, um das Lot mittels Kapillarkräften an die Stellen zu leiten, die abgedichtet werden müssen.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Lotstopper-Sicke wird daher die Konturtreue der Lotspur gewahrt und ein unerwünschter Lotaustritt aus dem Fügespalt verhindert.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke sich längs eines äußeren Randes des Bauelements erstreckt. Auf diese Weise kann ein Austreten des Lotes über den äußeren Rand des Bauelements hinweg verhindert werden.
Mindestens eine Lotstopper-Sicke erstreckt sich um eine Durchgangsöffnung des Bauelements herum. Auf diese Weise kann ein Austreten des Lotes in die betreffende Durchgangsöffnung des Bauelements verhindert werden.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung Im montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit einen Bestandteil eines Gaskanals der Brennstoffzelleneinheit, beispielsweise eines Oxidationsmittelzuführkanals, eines Oxidationsmittelabführkanals, eines Brenngaszuführkanals oder eines Brenngasabführkanals, bildet.
Vorteilhafterweise wird die Höhe der Lotstopper-Sicke auf die Höhe der Lotspur abgestimmt.
Besonders günstig ist es, wenn die Höhe (h) der Lotstopper-Sicke im Wesentlichen der Höhe der Lotspur aus dem Lotmaterial im verlöteten Zustand des Bauelements entspricht.
Das Lotgewicht wird dabei vorzugsweise so auf die Höhe der Lotstopper-Sicke und auf die Breite der Lotspur abgestimmt, dass die gewünschte Höhe des Lötspaltes über die ganze Lötfläche hinweg eingehalten wird.
Die Lotstopper-Sicke wird beim Verlöten der Bauelemente in Kontakt mit der umlaufenden Lotspur gebracht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauelement mit mindestens zwei ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicken versehen ist, welche im verlöteten Zustand des Bauelements mit einander gegenüberliegenden Rändern derselben Lotspur in Kontakt stehen. Auf diese Weise wird ein Austreten des Lotes aus dem Lötspalt zu zwei einander gegenüberliegenden Seiten hin durch die an die Lotspur angrenzenden Lotstopper-Sicken verhindert.
Vorzugsweise weist mindestens eine Lotstopper-Sicke eine Sickenhöhe (h) von höchstens ungefähr 200 µm auf.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens eine Lotstopper-Sicke eine Sickenhöhe (h) von höchstens ungefähr 100 µm aufweist.
Durch die Begrenzung der Sickenhöhe der Lotstopper-Sicke wird eine ausreichend hohe Kapillarkraft erzielt, welche das Lot der Lotspur an die jeweilige Lotstopper-Sicke heranzieht.
Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Baugruppe, welche ein erstes Bauelement mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke und ein zweites Bauelement, das mit dem ersten Bauelement verlötet ist, umfasst.
Zur Gewährleistung einer ausreichenden elektrischen Isolation zwischen den beiden miteinander verlöteten Bauelementen kann vorgesehen sein, dass das erste Bauelement und/oder das zweite Bauelement mit einer bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (von beispielsweise ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C) elektrisch isolierenden Isolationsschicht versehen ist.
Außer dem ersten Bauelement kann dabei auch das zweite Bauelement mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke versehen sein, die mit dem Lotmaterial einer Lotspur in Kontakt steht.
Insbesondere kann die Sickengeometrie der Sicken an dem ersten Bauelement und an dem zweiten Bauelement so gewählt werden, dass die beiden miteinander zu fügenden Bauelemente sich durch die an den Bauelementen angeordneten Lotstopper-Sicken selbst zentrieren.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Bauelement mit mindestens einer ersten Lotstopper-Sicke und das zweite Bauelement mit mindestens einer zweiten Lotstopper-Sicke versehen ist, wobei mindestens eine erste Lotstopper-Sicke und mindestens eine zweite Lotstopper-Sicke mit einander gegenüberliegenden Rändern derselben Lotspur in Kontakt stehen.
Ein definierter Lötspalt zwischen den beiden Bauelementen kann in einfacher Weise dadurch eingestellt werden, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke des ersten Bauelements an dem zweiten Bauelement anliegt. Auf diese Weise wird zwischen den an die Lotstopper-Sicke angrenzenden Bereichen der beiden Bauelemente ein Lötspalt oder Fügespalt mit einer der Sickenhöhe (h) der Lotstopper-Sicke entsprechenden Lötspalthöhe bzw. Fügespalthöhe gebildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verlöten eines ersten Bauelements einer Brennstoffzelleneinheit mit einem zweiten Bauelement (derselben Brennstoffzelleneinheit oder einer anderen Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstacks).
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer sicheren und kurzschlussfreien Lötverbindung zwischen dem ersten Bauelement und dem zweiten Bauelement zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verlöten eines ersten Bauelements einer Brennstoffzelleneinheit mit einem zweiten Bauelement gelöst, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:

- Versehen des ersten Bauelements mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke, die sich um eine Durchgangsöffnung des Bauelements herum erstreckt;
- Anordnen einer Lotspur aus einem Lotmaterial an dem ersten Bauelement und/oder an dem zweiten Bauelement;
- Verlöten des ersten Bauelements und des zweiten Bauelements unter Inkontaktbringen der Lotstopper-Sicke des ersten Bauelements mit dem zweiten Bauelement, wobei das Lotmaterial mit der Lotstopper-Sicke in Kontakt kommt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient die Lotstopper-Sicke als mechanische Sperre, welche das Lot daran hindert, in kritische Bereiche des Brennstoffzellenstacks zu fließen, und als Hilfsmittel, um das Lot mittels Kapillarkräften an die Stellen zu leiten, die abgedichtet werden müssen, wobei die Konturtreue der Lotspur gewahrt wird und ein Lotaustritt aus dem Lötspalt verhindert wird.
Hierbei ist es besonders günstig, wenn das Lotmaterial während des Verlötens an die Lotstopper-Sicke herangezogen wird, insbesondere durch Kapillarkräfte.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Bauelement eignen sich insbesondere zur Verwendung in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere einer SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), mit einer Betriebstemperatur von beispielsweise mindestens 600°C.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Explosionsdarstellung der Elemente einer Brennstoffzelleneinheit;
2 eine schematische Draufsicht auf ein mit Lotstopper-Sicken versehenes Zwischenelement der Brennstoffzelleneinheit aus 1;
3 einen schematischen Querschnitt durch zwei Sicken des Zwischenelements aus 2, längs der Linie 3-3 in 2;
4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 3;
5 einen schematischen Querschnitt durch das gesickte Zwischenelement aus den 2 bis 4 und ein mit dem Zwischenelement zu verlötendes Gehäuseunterteil mit einer Isolationsschicht und einer darauf angeordneten Lotspur, vor dem Verlöten des Gehäuseunterteils mit dem Zwischenelement;
6 einen der 5 entsprechenden schematischen Querschnitt durch das gesickte Zwischenelement, das Gehäuseunterteil mit der Isolationsschicht und die Lotspur, nach dem Verlöten;
7 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines gesickten Zwischenelements der Brennstoffzelleneinheit aus 1, welches an seinem inneren Rand mit einer zusätzlichen Lotstopper-Sicke versehen ist;
8 einen schematischen Querschnitt durch das Zwischenelement aus 7 mit zwei Lotstopper-Sicken und ein mit dem Zwischenelement zu verlötendes Gehäuseunterteil mit einer Isolationsschicht und einer daran angeordneten Lotspur, vor dem Verlöten des Zwischenelements mit dem Gehäuseunterteil; und
9 einen der 8 entsprechenden schematischen Querschnitt durch das Zwischenelement, das Gehäuseunterteil mit der Isolationsschicht und die Lotspur, nach dem Verlöten.

Gleiche oder funktional äquivalente Element sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzelleneinheit umfasst ein Gehäuseoberteil 106, eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 108 auf einem Substrat 109, ein anodenseitiges Kontaktmaterial 110, ein Gehäuseunterteil 112 und ein Zwischenelement 114.
Aus mehreren Brennstoffzelleneinheiten 100 der in 1 dargestellten Art wird durch Aufeinanderstapeln längs einer vertikalen Stapelrichtung 104 ein Brennstoffzellenstapel gebildet.
Das Gehäuseoberteil 106 jeder Brennstoffzelleneinheit 100 ist als eine im Wesentlichen rechteckige und im Wesentlichen ebene Blechplatte ausgebildet, die mit einer im Wesentlichen rechteckigen mittigen Durchtrittsöffnung 120 versehen ist, durch welche im fertig montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit die KEA-Einheit 108 der Brennstoffzelleneinheit 100 für eine Kontaktierung durch das Gehäuseunterteil 112 einer in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit zugänglich ist.
Auf der einen Seite der Durchtrittsöffnung 120 Ist das Gehäuseoberteil 106 mit mehreren, beispielsweise drei, Brenngaszuführöffnungen 122 versehen, welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise vier, Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 angeordnet sind.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Durchtrittsöffnung 120 ist das Gehäuseoberteil 106 mit mehreren, beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 126 versehen, die im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 128 angeordnet sind.
Das Gehäuseoberteil 106 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Chromoxid bildenden Stahllegierung Crofer 22 APU des Herstellers ThyssenKrupp AG, Deutschland, hergestellt, welcher die folgende Zusammensetzung aufweist: 22,2 Gewichtsprozent Cr; 0,02 Gewichtsprozent Al; 0,03 Gewichtsprozent Si; 0,46 Gewichtsprozent Mn; 0,06 Gewichtsprozent Ti; 0,002 Gewichtsprozent C; 0,004 Gewichtsprozent N; 0,07 Gewichtsprozent La; 0,02 Gewichtsprozent Ni; Rest Eisen.
Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer 22 APU hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4760 nach EN und S44535 nach UNS.
Die KEA-Einheit 108 umfasst eine direkt an der Oberseite des Substrats 109 angeordnete Anode, einen über der Anode angeordneten Elektrolyten und eine über dem Elektrolyten angeordnete Kathode, wobei diese einzelnen Schichten der KEA-Einheit 108 in den Zeichnungen nicht getrennt dargestellt sind.
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 durch das Substrat 109 hindurchgelangenden 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.
Die Kathode ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 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 den Durchtritt zu dem Elektrolyten zu ermöglichen.
Der gasdichte Elektrolyt der KEA-Einheit 108 erstreckt sich über den Rand der gasdurchlässigen Anode und über den Rand der gasdurchlässigen Kathode hinaus und liegt mit seiner Unterseite direkt auf der Oberseite des Randbereichs des Substrats 109 auf.
Das Substrat 109 kann beispielsweise als ein aus gesinterten Metallpartikeln bestehender Sinterkörper ausgebildet sein. Das anodenseitige Kontaktmaterial 110, das zwischen dem Substrat 109 und dem Gehäuseunterteil 112 angeordnet ist, kann beispielsweise als ein Netz, Gestrick oder Vlies aus Nickeldraht ausgebildet sein.
Das Gehäuseunterteil 112 ist als ein Blechformteil ausgebildet und umfasst eine im Wesentlichen rechteckige, senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 132, welche an ihren Rändern über eine Schräge 134 in einen ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichteten Randflansch 136 übergeht.
Die Platte 132 weist ein im Wesentlichen rechteckiges, mittiges Kontaktfeld 138 auf, das zur Kontaktierung des Kontaktmaterials 110 einerseits und der Kathode einer KEA-Einheit 108 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 andererseits mit Kontaktelementen versehen ist, welche beispielsweise wellblechförmig oder noppenförmig ausgebildet sein können.
Auf der einen Seite des Kontaktfeldes 138 ist die Platte 132 mit mehreren, beispielsweise drei, Brenngaszuführöffnungen 140 versehen, welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise vier, Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 angeordnet sind.
Die Brenngaszuführöffnungen 140 und die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 des Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw. den Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 des Gehäuseoberteils 106.
Auf der anderen Seite des Kontaktfeldes 138 ist die Platte 132 mit mehreren, beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 144 versehen, welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 146 angeordnet sind.
Die Brenngasabführöffnungen 144 und die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 des Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngasabführöffnungen 126 bzw. mit den Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des Gehäuseoberteils 106.
Die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 liegen vorzugsweise den Brenngaszuführöffnungen 140 gegenüber, und die Brenngasabführöffnungen 144 liegen vorzugsweise den Oxidationsmittelabführöffnungen 142 gegenüber.
Das Gehäuseunterteil 112 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der vorstehend bereits genannten Legierung Crofer 22 APU, hergestellt.
Wie beispielsweise aus den 5 und 6 zu ersehen ist, ist das Gehäuseunterteil 112 an seiner dem Zwischenelement 114 zugewandten Unterseite mit einer Isolationsschicht 150 aus einem keramischen Material, welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 100 eine elektrische Isolationswirkung aufweist, versehen.
Diese elektrisch isolierende Isolationsschicht 150 wird 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 Isolationsschicht 150 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.

Das Zwischenelement 114 umfasst einen im Wesentlichen rechteckigen Rahmenteil 152 (siehe 2), der sich ringförmig längs des Randes der Brennstoffzelleneinheit 100 erstreckt, sowie einstückig mit dem Rahmenteil 152 verbundene Kanalbegrenzungsteile 154, welche so ausgebildet sind, dass sie zusammen mit dem Rahmenteil 152 jeweils eine Brenngaszuführöffnung 156 bzw. jeweils eine Brenngasabführöffnung 158 des Zwischenelements 114 umschließen.
Die Brenngaszuführöffnungen 156 und die Brenngasabführöffnungen 158 des Zwischenelements 114 fluchten mit den Brenngaszuführöffnungen 140 bzw. den Brenngasabführöffnungen 144 des Gehäuseunterteils 112 sowie mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw. mit den Brenngasabführöffnungen 126 des Gehäuseoberteils 106.
Das Zwischenelement 114 ist aus einem im Wesentlichen ebenen Blech durch Ausstanzen der Brenngaszuführöffnungen 156 und der Brenngasabführöffnungen 158 sowie einer mittigen Durchtrittsöffnung 160 hergestellt.
Ferner ist das Zwischenelement 114 mit einer im Wesentlichen parallel zu dessen äußerem Rand 162 und von diesem beabstandet verlaufenden äußeren Lotstopper-Sicke 164 versehen, welche ringförmig geschlossen ausgebildet ist.
Außerdem ist das Zwischenelement 114 mit mehreren, beispielsweise sieben, gaskanalseitigen Lotstopper-Sicken 166 versehen, welche ebenfalls ringförmig geschlossen sind und um jeweils eine der Brenngaszuführöffnungen 156 bzw. eine der Brenngasabführöffnungen 158, von der jeweiligen Öffnung beabstandet, verlaufen.
Wie aus den 4 bis 6 zu ersehen ist, sind die Lotstopper-Sicken 164 und 166 so an dem Zwischenelement 114 ausgebildet, dass ihre jeweilige Sickenkuppe 168 der Unterseite des Gehäuseunterteils 112 zugewandt ist.
Die Sickenbreite b, d.h. der senkrecht zur Längsrichtung der jeweiligen Lotstopper-Sicke 164, 166 genommene Abstand zwischen den Sickenfüßen 170, beträgt beispielsweise ungefähr 500 µm.
Die Sickenhöhe h, d.h. die Höhe, um welche die jeweilige Sickenkuppe 168 über die an die Lotstopper-Sicke 164 bzw. 166 angrenzende Oberseite 172 des Zwischenelements zu dem Gehäuseunterteil 112 hin vorsteht, beträgt beispielsweise ungefähr 40 µm.
Der Krümmungsradius an den oberen Rändern der beiden Sickenflanken 174 beträgt beispielsweise ungefähr 40 µm.
Als Material für das Zwischenelement 114 wird vorzugsweise ein hochkorrosionsbeständiger Stahl, beispielsweise die bereits vorstehend genannte Legierung Crofer 22 APU, verwendet.
Alternativ hierzu kann als Grundmaterial für das Zwischenelement 114 sowie für das Gehäuseunterteil 112 und das Gehäuseoberteil 106 auch einer der folgenden temperatur- und korrosionsfesten ferritischen Stähle verwendet werden:

- ein kostengünstigerer Stahl mit der Bezeichnung F17TNb des Herstellers Imphy Ugine Precision, Frankreich, mit der folgenden Zusammensetzung: 17,5 Gewichtsprozent Cr; 0,6 Gewichtsprozent Si; 0,24 Gewichtsprozent Mn; 0,14 Gewichtsprozent Ti; 0,17 Gewichtsprozent C; 0,02 Gewichtsprozent N; 0,47 Gewichtsprozent Nb; 0,08 Gewichtsprozent Mo; Rest Eisen.

Der Stahl mit der Bezeichnung F17TNb hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4509 nach EN, 441 nach AISI und S44100 nach UNS.

- ein teurer, aber chemisch besser beständiger Stahl mit der Bezeichnung F18MT des Herstellers Imphy Ugine Precision, Frankreich, mit der Werkstoffbezeichnung 1.4521 nach EN.
- eine teure, aber kriechbeständigere ODS-Legierung wie beispielsweise der Stahl mit der Bezeichnung IT-11 des Herstellers Plansee AG, Österreich, mit der folgenden Zusammensetzung: 25,9 Gewichtsprozent Cr; 0,02 Gewichtsprozent Al; 0,01 Gewichtsprozent Si; 0,28 Gewichtsprozent Ti; 0,08 Gewichtsprozent Y; 0,01 Gewichtsprozent C; 0,02 Gewichtsprozent N; 0,01 Gewichtsprozent Mo; 0,16 Gewichtsprozent Ni; Rest Eisen.

Zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 100 aus den vorstehend beschriebenen Einzelelementen wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird das Gehäuseunterteil 112 auf die vorstehend beschriebene Weise mit der Isolationsschicht 150 versehen.
Anschließend wird das Substrat 109, auf dem die KEA-Einheit 108 angeordnet ist, längs des Randes seiner Oberseite mit dem Gehäuseoberteil 106 verlötet, und zwar an der Unterseite des die Durchtrittsöffnung 120 in dem Gehäuseoberteil 106 umgebenden Bereiches des Gehäuseoberteils 106.
Als Lötmaterial kann ein Silberbasislot mit Kupferzusatz verwendet werden, beispielsweise ein Silberbasislot mit der Zusammensetzung (in Mol-%): Ag4Cu oder Ag8Cu.
Die Lötung erfolgt in einer Luftatmosphäre. Die Löttemperatur beträgt beispielsweise 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 min. Bei der Lötung in Luft bildet sich in situ Kupferoxid.
Nun wird das Zwischenelement 114 an seiner dem Gehäuseunterteil 112 zugewandten Seite mittels Lotspuren 176 aus einem Lotmaterial mit dem Gehäuseunterteil 112 an dessen dem Zwischenelement 114 zugewandten, mit der Isolationsschicht 150 versehenen Seite verlötet.
Dazu wird jeweils eine Lotspur 176 mittels eines Dispensers in Form einer Lotmaterialraupe auf die Unterseite der Isolationsschicht 150 des Gehäuseunterteils 112 so aufgetragen, dass jeweils eine Lotspur 176 nahe der äußeren Lotstopper-Sicke 164 des Zwischenelements 114, und zwar auf dessen der mittigen Durchtrittsöffnung 160 zugewandten Seite, und jeweils eine Lotspur 176 nahe jeder der gaskanalseitigen Lotstopper-Sicken 166 des Zwischenelements 114, und zwar auf deren radial außen liegender Seite, verläuft.
Statt mittels eines Dispensers kann das Lotmaterial der Lotspuren 176 auch mittels eines Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens, auf die Unterseite des Gehäuseunterteils 112 oder auf die Oberseite 172 des Zwischenelements 114 aufgebracht werden.
Als Lotmaterial kann ein Silberbasislot mit Kupferzusatz verwendet werden, beispielsweise ein Silberbasislot mit der Zusammensetzung (in Mol-%): Ag4Cu oder Ag8Cu.
Die Lötung erfolgt in einer Luftatmosphäre. Die Löttemperatur beträgt beispielsweise 1.050°C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 min. Bei der Lötung in Luft bildet sich in situ Kupferoxid.
Wenn das Lotmaterial der Lotspuren 176 seinen Schmelzpunkt erreicht hat, wird das Zwischenelement 114 so gegen die Unterseite des Gehäuseunterteils 112 gepresst, dass die Sickenkuppen 168 der Lotstopper-Sicken 164, 166 im Wesentlichen flächig an der Unterseite der Isolationsschicht 150 anliegen (siehe 6).
Durch den sich an der der Lotspur 176 zugewandten Sickenflanke verengenden Lötspalt 178 treten Kapillarkräfte auf, welche das Lotmaterial der Lotspur 176 während des Lötvorgangs an die jeweils benachbarte Lotstopper-Sicke 164 bzw. 166 heranziehen.
Auf diese Weise wird das Lotmaterial genau an die abzudichtenden Stellen des Zwischenelements 114 geleitet.
Ferner wird auf diese Weise die Konturtreue der Lotspuren 176 gewahrt und ein Lotaustritt zu der mittigen Durchtrittsöffnung 160 des Zwischenelements 114 hin verhindert.
Außerdem dienen die Lotstopper-Sicken 164 bzw. 166 als mechanische Sperren, welche das Lotmaterial daran hindern, über die Lotstopper-Sicken 164 bzw. 166 hinweg bis zum äußeren Rand 162 des Zwischenelements 114 bzw. bis zum Rand der Brenngaszuführöffnung 156 oder Brenngasabführöffnung 158 zu fließen.
Die Sickenhöhe h der Lotstopper-Sicken 164, 166 ist in der Höhe so auf die Höhe der vor dem Verlöten auf das Gehäuseunterteil 112 und/oder auf die Oberseite 172 des Zwischenelements 114 aufgetragene Lotspur 176 abgestimmt, dass die Lotspur 176 nach dem Verlöten bei Einhaltung der durch die Sickenhöhe h vorgegebenen Lötspalthöhe die gewünschte Lotspurbreite B (siehe 6) aufweist, so dass die gewünschte Lötfläche von der Lotspur überdeckt wird.
Während des Verlötens kommt somit jede der Lotstopper-Sicken 164, 166 in direkten Kontakt mit der längs der jeweiligen Lotstopper-Sicke 164, 166 umlaufenden Lotspur 176.
Nachdem das Zwischenelement 114 mit dem Gehäuseunterteil 112 verlötet worden ist, wird das Kontaktmaterial 110, beispielsweise ein Nickelnetz, zwischen das Gehäuseunterteil 112 und das Gehäuseoberteil 106 eingelegt, und dann werden das Gehäuseunterteil 112 und das Gehäuseoberteil 106 längs einer Schweißnaht, die am äußeren Rand des Randflansches 136 des Gehäuseunterteils 112 und am äußeren Rand des Gehäuseoberteils 106 umläuft, und längs Schweißnähten, die an den Rändern der Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 bzw. der Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des Gehäuseoberteils 106 umlaufen, gasdicht miteinander verschweißt.
Nach diesem Verfahrensschritt liegt eine fertig montierte Brennstoffzelleneinheit 100 vor, welche nun noch mit anderen Brennstoffzelleneinheiten verbunden werden muss, um aus einer Mehrzahl von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 100 einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Die Verbindung zweier in der Stapelrichtung aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 100 erfolgt in der folgenden Weise:
Eine erste Brennstoffzelleneinheit und eine zweite Brennstoffzelleneinheit werden derart in eine Schweißvorrichtung eingelegt, dass die Oberseite des Gehäuseoberteils 106 der zweiten Brennstoffzelleneinheit flächig an der Unterseite des Zwischenelements 114 der ersten Brennstoffzelleneinheit anliegt.
Anschließend wird das Zwischenelement 114 der ersten Brennstoffzelleneinheit mittels einer Schweißnaht, die längs der Außenränder des Zwischenelements 114 und des Gehäuseoberteils 106 verläuft, und mittels Schweißnähten, welche rings um die Ränder der Brenngaszuführöffnungen 156 des Zwischenelements 114 und die Ränder der damit fluchtenden Brenngaszuführöffnungen 122 des Gehäuseoberteils 106 bzw. rings um die Ränder der Brenngasabführöffnungen 158 des Zwischenelements 114 und die Ränder der damit fluchtenden Brenngasabführöffnungen 126 des Gehäuseoberteils 106 umlaufen, gasdicht miteinander verschweißt.
Nachdem auf diese Weise zwei Brennstoffzelleneinheiten 100 miteinander verbunden worden sind, kann der Brennstoffzellenstapel durch sukzessives Anschweißen weiterer Brennstoffzelleneinheiten 100 an das Zwischenelement 114 der zweiten Brennstoffzelleneinheit oder an das Gehäuseoberteil 106 der ersten Brennstoffzelleneinheit in der Stapelrichtung 104 bis zu der gewünschten Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 100 nach und nach aufgebaut werden.
Eine in den 7 bis 9 dargestellte zweite Ausführungsform eines Zwischenelements 114 unterscheidet sich von der in den 2 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass das Zwischenelement 114 an seiner dem Gehäuseunterteil 112 zugewandten Oberseite 172 außer mit der äußeren Lotstopper-Sicke 164 und den gaskanalseitigen Lotstopper-Sicken 166 mit einer inneren Lotstopper-Sicke 180 versehen ist, welche nahe des Randes 182 der mittigen Durchtrittsöffnung 160 des Zwischenelements 114, im Wesentlichen parallel zu dem Rand 182 und von diesem beabstandet, ringförmig geschlossen um den Rand 182 der Durchtrittsöffnung 160 des Zwischenelements 114 verläuft.
Wie aus den 8 und 9 zu ersehen ist, werden bei dieser Ausführungsform eines Zwischenelements 114 Lotspuren 176 aus dem Lotmaterial so zwischen jeweils zwei Lotstopper-Sicken, beispielsweise zwischen der äußeren Lotstopper-Sicke 164 und der inneren Lotstopper-Sicke 180, angeordnet, dass das Lotmaterial der betreffenden Lotspur nach Erreichen der Liquidus-Temperatur des Lotmaterials zu beiden benachbarten Lotstopper-Sicken 164, 180 hingezogen wird, so dass im verlöteten Zustand des Zwischenelements 114 jeweils zwei ringförmig geschlossene Lotstopper-Sicken 164, 180 mit einander gegenüberliegenden Rändern 184 derselben Lotspur 176 in Kontakt stehen.
Die Menge des Lotmaterials der Lotspur 176, welches zwischen die Lotstopper-Sicken 164, 180 eingebracht wird, wird dabei so bemessen, dass das Lotmaterial nach dem Verlöten den hinsichtlich seiner Höhe durch die Sickenhöhe h und hinsichtlich seiner Breite B durch den Abstand der Sickenfüße 170 der einander gegenüberliegenden Lotstopper-Sicken 164, 180 vorgegebenen Lötspalt 178 im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Durch die beidseitige Begrenzung jeder Lotspur 176 durch zwei einander gegenüberliegende Lotstopper-Sicken 164 und 180 wird bei dieser Ausführungsform des Zwischenelements 114 an beiden Rändern 184 der Lotspur 176 eine mechanische Sperre gebildet, welche das Lotmaterial daran hindert, in kritische Bereiche des Zwischenelements 114 abzufließen.
Auf diese Weise ist eine besonders wirksame Lokalisierung der Lotspur 176 während und nach dem Lötvorgang gewährleistet.
Im Übrigen stimmt die in den 7 bis 9 dargestellte zweite Ausführungsform eines Zwischenelements 114 und des damit durchgeführten Lötvorgangs hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 2 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit (100), das zur Verlötung mit einem anderen Bauelement (112) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (114) mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke (166; 180) versehen ist, die im verlöteten Zustand des Bauelements (114) mit dem Lotmaterial einer Lotspur (176) in Kontakt steht und sich um eine Durchgangsöffnung (156, 158; 160) des Bauelements (114) herum erstreckt.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke sich längs eines äußeren Randes (162) des Bauelements (114) erstreckt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnung (156, 158) im montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit (100) einen Bestandteil eines Gaskanals der Brennstoffzelleneinheit (100) bildet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der Lotstopper-Sicke (166; 180) im Wesentlichen der Höhe der Lotspur (176) aus dem Lotmaterial im verlöteten Zustand des Bauelements (114) entspricht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (114) mit mindestens zwei ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicken (180; 166, 180) versehen ist, welche im verlöteten Zustand des Bauelements (114) mit einander gegenüberliegenden Rändern (184) derselben Lotspur (176) in Kontakt stehen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke (166; 180) eine Sickenhöhe (h) von höchstens ungefähr 200 µm aufweist.
Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke (166; 180) eine Sickenhöhe (h) von höchstens ungefähr 100 µm aufweist.
Baugruppe, umfassend mindestens ein erstes Bauelement (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und ein zweites Bauelement (112), das mit dem ersten Bauelement (114) verlötet ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (114) und/oder das zweite Bauelement (112) mit einer bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (100) elektrisch isolierenden Isolationsschicht (150) versehen ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauelement (112) mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke versehen ist, die mit dem Lotmaterial einer Lotspur (176) in Kontakt steht.
Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement (114) mit mindestens einer ersten Lotstopper-Sicke (166; 180) und das zweite Bauelement (112) mit mindestens einer zweiten Lotstopper-Sicke versehen ist, wobei mindestens eine erste Lotstopper-Sicke (166; 180) und mindestens eine zweite Lotstopper-Sicke mit einander gegenüberliegenden Rändern (184) derselben Lotspur (176) in Kontakt stehen.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lotstopper-Sicke (166; 180) des ersten Bauelements (114) an dem zweiten Bauelement (112) anliegt.
Verfahren zum Verlöten eines ersten Bauelements (114) einer Brennstoffzelleneinheit (100) mit einem zweiten Bauelement (112), umfassend folgende Verfahrensschritte: - Versehen des ersten Bauelements (114) mit mindestens einer ringförmig geschlossenen Lotstopper-Sicke (166; 180), die sich um eine Durchgangsöffnung (156, 158;160) des Bauelements (114) herum erstreckt; - Anordnen einer Lotspur (176) aus einem Lotmaterial an dem ersten Bauelement (114) und/oder an dem zweiten Bauelement (112); - Verlöten des ersten Bauelements (114) und des zweiten Bauelements (112) unter Inkontaktbringen der Lotstopper-Sicke (166; 180) des ersten Bauelements (114) mit dem zweiten Bauelement (112), wobei das Lotmaterial mit der Lotstopper-Sicke (166; 180) in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial während des Verlötens an die Lotstopper-Sicke (166; 180) herangezogen wird.