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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer Elektrode
einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einer Brennstoffzelleneinheit
und einer Bipolarplatte.
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Da
eine Brennstoffzelleneinheit nur eine geringe Einzelzellspannung
von ungefähr 0,4 V bis ungefähr 1,2 V (je nach
Last) aufweist, ist eine Reihenschaltung von mehreren elektrochemischen
Zellen in einem Brennstoffzellenstack erforderlich, wodurch die
Ausgangsspannung in einen aus anwendungstechnischer Sicht interessanten
Bereich skaliert wird. Hierfür werden die einzelnen elektrochemischen
Zellen mittels sogenannter Bipolarplatten (auch als Interkonnektoren
bezeichnet) verbunden.
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Eine
solche Bipolarplatte muss die folgenden Anforderungen erfüllen:
- – Verteilung der Medien (Brenngas
und/oder Oxidationsmittel).
- – Ausreichende elektrische Leitfähigkeit,
da innerhalb des Brennstoffzellenstacks die an der Wasserstoffseite
(Anode) erzeugten Elektronen durch die Bipolarplatten geleitet werden,
um der Luftseite (Kathode) der nächsten elektrochemischen
Zelle zur Verfügung zu stehen. Um die elektrischen Verluste
hierbei gering zu halten, muss der Werkstoff für die Bipolarplatten
eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
- – Ausreichende Korrosionsbeständigkeit, da
die typischen Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelleneinheit
(Betriebstemperatur ungefähr 800°C, oxidierende/reduzierende
Atmosphäre, feuchte Luft) korrosionsfördernd wirken.
Aus diesem Grund werden an die Korrosionsbeständigkeit
des Materials der Bipolarplatte hohe Anforderungen gestellt.
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Üblicherweise
werden Chromoxid bildende Stähle als Material für
die Bipolarplatten von Hochtemperatur-Brennstoffzellen eingesetzt.
Ein Grund hierfür ist die relativ gute elektrische Leitfähigkeit
der selbstbildenden Chromoxidschicht im Vergleich zu den isolierenden
Oxidschichten, die von anderen Hochtemperaturstählen bzw.
-legierungen ausgebildet werden (z. B. von Aluminiumoxid- oder Siliziumoxidbildnern).
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Ein
Nachteil der Chromoxidbildner ist hingegen die Verdampfung von flüchtigen
Chromspezies unter den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle. Durch
diese ”Chromverdampfung” kommt es zu einer Vergiftung
der Kathode, welche eine Degradation der Zellleistung zur Folge
hat.
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Es
ist bekannt, als Bipolarplatte ein aus einem metallischen Grundmaterial
geprägtes Blech einzusetzen, welches beispielsweise ein
Wellenprofil oder ein Noppenprofil aufweist. Dabei gewährleisten die ”Täler” des
Profils eine ausreichende Gasversorgung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
(mit Oxidationsmittel bzw. mit Brenngas). Die zwischen den Tälern
liegenden ”Spitzen” des Kontaktfeldes der Bipolarplatte
kontaktieren die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit. Um die elektrischen Übergangswiderstände
zu reduzieren, wird anodenseitig ein Nickelnetz oder eine Nickelpaste
verwendet. Das Nickelnetz bzw. die Nickelpaste liegen unter den
anodenseitigen Betriebsbedingungen (Temperatur von 600 bis 900°C,
Sauerstoffpartialdruck von 10–14 bar) in
metallischer Form und somit duktil und flexibel vor. Kathodenseitig
werden die Spitzen der Bipolarplatte mit einer sogenannten Kathodenkontktschicht
(aus Oxidkeramik) versehen. Diese versintert im Betrieb und bindet
die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit an die Bipolarplatte.
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Der
Prägeprozess, in dem die Bipolarplatte mit einem Wellenprofil
oder Noppenprofil versehen wird, ist zwar kostengünstig
und für eine Massenproduktion geeignet, lässt
aber nur abgerundete Profile der Bipolarplatte zu. Auch nach Auftragen
der Kathodenkontaktschicht werden weniger als 20% der aktiven Zellfläche
der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit mit der Bipolarplatte verbunden.
Diese 20% der aktiven Zellfläche werden zudem noch durch
Verdichtungsvorgänge bei der Sinterung der Kathodenkontaktschicht
um bis zu 50% verringert, so dass dann nur noch ungefähr
10% der aktiven Zellfläche in elektrischem Kontakt mit
der Bipolarplatte stehen. Dies verringert die Kontaktfläche
zwischen der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit einerseits und der Bipolarplatte
andererseits und zieht einen erheblichen Leistungsverlust der Brennstoffzelleneinheit nach
sich.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung
zwischen einer Elektrode einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
einer Brennstoffzelleneinheit und einer Bipolarplatte zu schaffen,
durch welches ein niedriger Kontaktwiderstand zwischen der Elektrode
und der Bipolarplatte erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung
zwischen einer Elektrode einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
einer Brennstoffzelleneinheit und einer Bipolarplatte gelöst,
welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
- – Aufbringen
eines Kontaktmaterials auf eine freie Oberfläche der Elektrode
und/oder auf eine Kontaktfläche der Bipolarplatte oder
eines elektrisch leitfähigen Zwischenelements;
- – Anlegen der Bipolarplatte oder des Zwischenelements
gegen die Elektrode;
- – stoffschlüssiges Verbinden der Elektrode
mit der Bipolarplatte oder mit dem Zwischenelement, wobei die Elektrode
und die Bipolarplatte oder das Zwischenelement während
des stoffschlüssigen Verbindens unter einem Anpressdruck
von mindestens 2 N/cm2 gegeneinander gepresst
werden.
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Durch
das Gegeneinanderpressen der Elektrode einerseits und der Bipolarplatte
oder des Zwischenelements andererseits während des stoffschlüssigen
Verbindens wird eine Verringerung der Kontaktfläche zwischen
der Elektrode und der Bipolarplatte bzw. dem Zwischenelement aufgrund
von Verdichtungsvorgängen während des stoffschlüssigen
Verbindens, insbesondere beim Sintern oder beim Löten,
vermieden.
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Insbesondere
kann die Bipolarplatte bzw. das Zwischenelement während
des stoffschlüssigen Verbindens der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit nachgeführt
werden, so dass Kontaktverluste durch Verdichtungsvorgänge
vermieden werden.
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Wenn
die Elektrode und die Bipolarplatte oder das Zwischenelement durch
Verlöten mittels eines metallischen Lotes stoffschlüssig
miteinander verbunden werden, so bietet dies den Vorteil, dass aufgrund
der Duktilität des metallischen Lots die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
schwimmend an der Bipolarplatte bzw. an dem Zwischenelement gelagert
ist, wodurch überhöhte lokale mechanische Belastungen
(beispielsweise aufgrund der Thermozyklierung des Brennstoffzellenstacks)
kompensiert werden können.
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Alternativ
oder ergänzend zu einer Verbindung der Elektrode mit der
Bipolarplatte bzw. mit dem Zwischenelement durch ein metallisches
Lot kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrode und die Bipolarplatte
oder das Zwischenelement mittels Versintern eines bei der Betriebstemperatur
der Brennstoffzelleneinheit elektrisch leitfähigen keramischen
Kontaktmaterials stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Grundsätzlich
kann die Elektrode unmittelbar mit der Bipolarplatte stoffschlüssig
verbunden werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen,
dass die Elektrode stoffschlüssig mit einem Zwischenelement
verbunden wird, das mindestens eine der Elektrode gegenüberstehende
Kontaktfläche aufweist, und dass das Zwischenelement stoffschlüssig
mit der Bipolarplatte verbunden wird.
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Durch
das zwischen die Bipolarplatte und die Elektrode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit geschaltete
Zwischenelement, welches eine der Elektrode gegenüberstehende
Kontaktfläche aufweist, wird die für die elektrische
Kontaktierung zwischen der Bipolarplatte und der Elektrode zur Verfügung
stehende Kontaktfläche vergrößert, was
den Kontaktwiderstand absenkt und somit die elektrische Ausgangsleistung
der Brennstoffzelle erhöht.
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Wegen
der durch die Zwischenschaltung des Zwischenelements erhöhten
Auflagefläche zwischen der Bipolarplatte und der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
wird die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit im Falle von auftretenden
Biegemomenten (welche insbesondere durch Fertigungstoleranzen bedingt
sein können) weniger auf Biegung belastet. Hierdurch ist
eine höhere Verspannung des Brennstoffzellenstacks möglich,
was mit einer Steigerung der Stackleistung verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist die Kontaktfläche des Zwischenelements, welche der
Elektrode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit gegenübersteht,
im Wesentlichen eben ausgebildet, was zu einer besonders großen,
für die elektrische Verbindung des Zwischenelements und
der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit zur Verfügung stehenden
Fläche führt.
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Ferner
ist es günstig, wenn die Kontaktfläche des Zwischenelements
im Wesentlichen parallel zu einer dem Zwischenelement zugewandten
Oberfläche der Elektrode ausgerichtet ist. Auf diese Weise ist
der Abstand zwischen dem Zwischenelement und der demselben zugewandten
Oberfläche der Elektrode überall im Wesentlichen
gleich groß.
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Durch
das Einstellen eines definierten Spalts zwischen dem Zwischenelement
und der demselben zugewandten Oberfläche der Elektrode
wird die Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens für
die Brennstoffzelleneinheit verbessert.
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Wenn
das Zwischenelement ohne dazwischenliegende Oxidationsschicht direkt
mit dem Grundmaterial der Bipolarplatte verbunden wird, so bietet
dies den Vorteil, dass der Übergangswiderstand zwischen
dem Zwischenelement und der Bipolarplatte wegfällt, was
den gesamten Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte und der
Elektrode gegenüber der Verwendung von Zwischenschichten, insbesondere
einer Kathodenkontaktschicht, deutlich verringert.
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Insbesondere
kann die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zwischenelement
und der Bipolarplatte dadurch hergestellt werden, dass das Zwischenelement
mit der Bipolarplatte verschweißt und/oder verlötet
wird.
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Die
Bipolarplatte kann mindestens eine Durchtrittsöffnung aufweisen,
welche durch das mindestens eine Zwischenelement verschlossen wird. Auf
diese Weise können insbesondere aus den Kontaktelementen
der Bipolarplatte und aus dem Zwischenelement Strukturen mit ungefähr
trapezförmigem Querschnitt geschaffen werden, welche eine
besonders große, im Wesentlichen parallel zur freien Oberfläche
der Elektrode ausgerichtete Kontaktfläche aufweisen, prägetechnisch
aber nicht herstellbar sind.
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Da
bei der Verbindung des Zwischenelements und der Bipolarplatte der
Stromfluss nicht über eine zwischen der Zwischenschicht
und der Bipolarplatte angeordnete Oxidschicht stattfindet, sondern in
den Stahlmaterialien selbst, können auch Stahlmaterialien
für die Bipolarplatte eingesetzt werden, welche im Betrieb
der Brennstoffzelleneinheit elektrisch isolierende Oxidschichten
ausbilden, beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumoxid bildende Stahlmaterialien.
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Aufgrund
der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Zwischenelement
und der Bipolarplatte können unterschiedliche Materialien
für das Zwischenelement und für die Bipolarplatte
verwendet werden.
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Um
einen ausreichend hohen Stromabgriff von der Elektrode zu erzielen,
kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Zwischenelement ein Chromoxid
bildendes Stahlmaterial umfasst; die im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit
an der Oberfläche eines Chromoxid bildenden Stahlmaterials
gebildete Chromoxidschicht weist nämlich eine relativ hohe elektrische
Leitfähigkeit auf.
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Die
Bipolarplatte kann hingegen vorzugsweise ein Aluminiumoxid oder
Siliziumoxid bildendes Stahlmaterial umfassen, das eine deutlich
geringere Chromabdampfung aufweist, welche die Kathode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
vergiften und somit die Zellleistung verringern könnte.
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Die
Kontaktfläche der Bipolarplatte oder des Zwischenelements
ist vorzugsweise im Wesentlichen eben ausgebildet.
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Ferner
ist es günstig, wenn die Kontaktfläche der Bipolarplatte
oder des Zwischenelements während des stoffschlüssigen
Verbindens mit der Elektrode im Wesentlichen parallel zu der freien
Oberfläche der Elektrode ausgerichtet ist. Auf diese Weise
ist der Abstand zwischen der Elektrode einerseits und der derselben
zugewandten Oberfläche der Bipolarplatte bzw. des Zwischenelements überall
im Wesentlichen gleich groß.
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Durch
das Einstellen eines definierten Spalts zwischen der Elektrode einerseits
und der Bipolarplatte oder dem Zwischenelement andererseits wird die
Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzelleneinheit
verbessert.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Kontaktfläche der Bipolarplatte oder des Zwischenelements
mindestens 25% der aktiven Fläche der Elektrode überdeckt.
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Dabei
kann die Kontaktfläche der Bipolarplatte bzw. des Zwischenelements
zusammenhängend ausgebildet sein oder sich auf mehrere
voneinander getrennte Teil-Kontaktflächen aufteilen.
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Besonders
günstig ist es, wenn die Kontaktfläche der Bipolarplatte
oder des Zwischenelements mindestens 40% der aktiven Fläche
der Elektrode überdeckt.
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Die
Elektrode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit, die unter einem
Anpressdruck von mindestens 2 N/cm2 mit
der Bipolarplatte oder mit dem Zwischenelement stoffschlüssig
verbunden wird, ist vorzugsweise die Kathode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzelleneinheit,
welche eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit und mindestens eine
Bipolarplatte, die mit einer Elektrode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
elektrisch leitfähig verbunden ist, umfasst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine
solche Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, welche einen niedrigen
Kontaktwiderstand zwischen der Elektrode und der Bipolarplatte aufweist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass eine Oberfläche der Elektrode mittels
einer Kontaktschicht stoffschlüssig mit der Bipolarplatte
oder mit einem elektrisch leitfähigen Zwischenelement verbunden
ist, wobei die Kontaktschicht unter einem Anpressdruck von mindestens
2 N/cm2 zwischen der Elektrode und der Bipolarplatte
oder dem Zwischenelement gebildet ist.
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Die
erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit eignet
sich insbesondere zur Verwendung in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle,
insbesondere einer SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), mit einer Betriebstemperatur
von beispielsweise mindestens 600°C.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
einer Brennstoffzelleneinheit und eine elektrisch leitfähig mit
der Kathode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit verbundene Bipolarplatte
nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Draufsicht auf die Kathodenseite der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
aus 1 und ein die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
berandendes Fensterblech;
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3 einen
schematischen Querschnitt durch eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
einer Brennstoffzelleneinheit und eine mittels eines Zwischenelements
in Form eines Streifenblechs elektrisch leitfähig mit der
Kathode der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit verbundene Bipolarplatte;
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4 eine
schematische Draufsicht auf die Kathodenseite der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
aus 3 und das an der Kathodenseite angeordnete Zwischenelement
in Form eines Streifenblechs;
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5 eine
schematische Draufsicht auf die Kathodenseite einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
und ein an der Kathodenseite angeordnetes Zwischenelement in Mäanderform;
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6 eine
schematische Draufsicht auf die Kathodenseite einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
und ein an der Kathodenseite angeordnetes Zwischenelement mit einer
Vielzahl kreisförmiger Kontaktflächen;
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7 einen
schematischen Querschnitt durch eine Bipolarplatte mit einer Durchtrittsöffnung und
ein die Durchtrittsöffnung verschließendes Zwischenelement,
das stoffschlüssig an der Bipolarplatte festgelegt ist,
sowie eine dem Zwischenelement gegenüberliegende Kathode.
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Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine
in den 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete
Brennstoffzelleneinheit nach dem Stand der Technik umfasst eine
Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 102, welche
ihrerseits eine Kathode 104, eine Anode 106 und
einen zwischen der Kathode 104 und der Anode 106 angeordneten
Elektrolyten 108 umfasst.
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Die
Kathode 104 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der
Brennstoffzelleneinheit 100 (von beispielsweise ungefähr
800°C bis ungefähr 900°C) elektrisch
leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La0,8Sr0,2)0,98MnO3, gebildet
und porös, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft
oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 104 angrenzenden
Oxidationsmittelraum 110 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 108 zu
ermöglichen.
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Der
Elektrolyt 108 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt,
insbesondere als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und besteht
beispielsweise aus Yttriumstabilisertem Zirkoniumdioxid.
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Der
Elektrolyt 108 ist bei Normal- wie bei Betriebstemperatur
der Brennstoffzelleneinheit 100 elektronisch nicht leitend.
Hingegen nimmt seine ionische Leitfähigkeit mit steigender
Temperatur zu.
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Die
Anode 106 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der
Brennstoffzelleneinheit 100 elektrisch leitfähigen
keramischen Material, beispielsweise aus ZrO2 oder
aus einem Ni/ZrO2-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch),
gebildet, welches porös ist, um einem Brenngas aus einem
Brenngasraum 112 den Durchtritt durch die Anode 106 zu
dem an die Anode 106 angrenzenden Elektrolyten 108 zu
ermöglichen.
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Wie
aus 1 zu ersehen ist, überdeckt die Kathode 104 eine
deutlich kleinere Fläche des Elektrolyten 108 als
die Anode 106.
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Daher
ist im Wesentlichen die gesamte Fläche der Kathode 104 elektrochemisch
aktiv, und die aktive Fläche der Kathode 104 entspricht
im Wesentlichen der Größe der dem Elektrolyten 108 abgewandten
freien Oberfläche 114 der Kathode 104.
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Mit
der Kathode 104 ist eine Bipolarplatte (auch als Interkonnektor
bezeichnet) 116 elektrisch leitfähig verbunden,
welche ein mittiges Kontaktfeld mit zu der Kathode 104 hin
vorstehenden, beispielsweise noppenförmigen oder wellenbergförmigen Kontaktelementen 118 und
zwischen den Kontaktelementen 118 angeordneten Tälern 120 aufweist.
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Jedes
der Kontaktelemente 118 der Bipolarplatte 116 ist über
jeweils eine Kathodenkontaktschicht 122 aus einem bei der
Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 100 elektrisch
leitfähigen keramischen Material mit der freien Oberfläche 114 der
Kathode 104 verbunden.
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Wie
aus den 1 und 2 zu ersehen
ist, ist das mittige Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 von einem
im Wesentlichen rechteckigen, rahmenförmigen Fensterblech 124 aus
einem metallischen Material umgeben, welches – von der
Kathodenseite der KEA-Einheit aus gesehen – den über
die Kathode 104 seitlich überstehenden Bereich
der Anode 106 abdeckt.
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Das
Fensterblech 124 weist eine im Wesentlichen rechteckige,
mittige Fensteröffnung 126 auf, durch welche sich
die Kontaktelemente 118 der Bipolarplatte 116 zu
der Kathode 104 hin erstrecken.
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Das
Fensterblech 124 ist mittels einer Lotschicht 128 aus
einem metallischen Lot an dem Elektrolyten 108 der KEA-Einheit 102 festgelegt.
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Da
die Kontaktelemente 118 der Bipolarplatte 116 durch
einen Prägeprozess hergestellt werden und daher ein abgerundetes
Profil aufweisen, werden weniger als 20% der aktiven Fläche
der Kathode 104 durch die Kathodenkontaktschichten 122 überdeckt.
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Durch
Verdichtungsvorgänge beim Sintern der Kathodenkontaktschicht 122 wird
die tatsächlich mit der Kathode 104 in Kontakt
stehende Fläche der Kathodenkontaktschichten 122 noch
um bis zu 50% verringert. Somit stehen nur noch ungefähr
10% der aktiven Fläche der Kathode 104 in elektrisch
leitendem Kontakt mit der Bipolarplatte 116. Die so verringerte
Kontaktfläche zwischen Kathode 104 und Bipolarplatte 116 zieht
einen erheblichen Leistungsverlust der Brennstoffzelleneinheit 100 nach
sich.
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Bei
der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 wird die Bipolarplatte 116 nicht
unmittelbar mit der Kathode 104 verbunden, sondern mittelbar über
ein zwischen der Bipolarplatte 116 und der Kathode 104 angeordnetes
Zwischenelement 130.
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Das
Zwischenelement 130 ist aus einem elektrisch leitfähigen,
metallischen Material gebildet.
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Das
Zwischenelement 130 weist eine der Kathode 104 gegenüberliegende,
im Wesentlichen ebene und parallel zur freien Oberfläche 114 der
Kathode 104 ausgerichtete Kontaktfläche 132 auf,
welche über eine zwischen dem Zwischenelement 130 und der
Kathode 104 angeordnete Kontaktschicht 134 aus
einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 100 elektrisch
leitfähigen Kontaktmaterial stoffschlüssig mit
der Kathode 104 verbunden ist.
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Als
Kontaktmaterial für die Kontaktschicht 134 kann
beispielsweise ein metallisches Lot verwendet werden.
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Ein
geeignetes metallisches Lotmaterial zur Erzeugung der Kontaktschicht 134 ist
beispielsweise ein Silberbasislot, insbesondere das Silberbasislot mit
der Bezeichnung Ag4CuO, das von der Firma Innobraze GmbH, Deutschland,
unter der Artikelnummer PA 9999999 vertrieben wird, mit der folgenden Zusammensetzung:
96 Mol-% Ag; 4 Mol-% CuO.
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Alternativ
zur Bildung der Kontaktschicht 134 aus einem metallischen
Lot kann als Kontaktmaterial auch ein keramisches Material in Form
einer Kontaktpaste verwendet werden.
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Eine
solche Kontaktpaste zur Bildung der Kontaktschicht 134 enthält
beispielsweise 50 Gewichtsprozent eines keramischen Pulvers, 47
Gewichtsprozent Terpineol und 3 Gewichtsprozent Ethylcellulose.
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Als
keramisches Pulver kann beispielsweise Mn2O3 verwendet werden.
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Außer
Manganoxid kann das keramische Pulver auch Zusätze von
Kupferoxid (CuO) und/oder Kobaltoxid (Co3O4) enthalten.
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Bei
Zusatz von Kupferoxid zu Manganoxid beträgt das Mol-Verhältnis
von Mangan und Kupfer vorzugsweise Mn/Cu = 2/1. Bei Zusatz von Kobaltoxid
zu Manganoxid beträgt das Mol-Verhältnis von Mangan
und Kobalt vorzugsweise Mn/Co = 1/2.
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Das
Kontaktmaterial kann in einem Musterdruckverfahren, beispielsweise
in einem Siebdruckverfahren, selektiv auf die Kontaktfläche 132 des
Zwischenelements 130 aufgebracht werden.
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Dabei
erfolgt der Auftrag der Kontaktpaste mittels einer dem Fachmann
bekannten Siebdruckanlage, wobei die Maschendichte des Siebes beispielsweise
18 Maschen/cm2 und die Maschendicke ungefähr
0,18 mm betragen kann.
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Die
Kontaktschicht 134 wird vorzugsweise mit einer Nassschichtdicke
von ungefähr 100 μm hergestellt.
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Das
Zwischenelement 130 ist aus einem metallischen Material,
vorzugsweise aus einem Stahlmaterial, hergestellt.
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Um
einen ausreichend hohen Stromabgriff von der Kathode 104 zu
haben, wird als Material für das Zwischenelement 130 vorzugsweise
ein Chromoxid bildendes Stahlmaterial verwendet.
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Als
Grundmaterial für das Zwischenelement 130 sind
insbesondere die folgenden Chromoxid bildenden Stähle geeignet:
- – Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU des
Herstellers ThyssenKrupp AG, Deutschland, mit der folgenden Zusammensetzung:
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 Crofer22APU hat die
Werkstoffbezeichnungen 1.4760 nach EN und S44535
nach UNS.
- – Der 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.
- – 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.
- – Der Stahl mit der Bezeichnung Ducrolloy (ODS) des
Herstellers Plansee AG, Österreich, mit der folgenden Zusammensetzung:
5,5 Gewichtsprozent Fe; 0,48 Gewichtsprozent Y; 0,01 Gewichtsprozent
C; 0,01 Gewichtsprozent N; Rest Cr.
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Das
Zwischenelement 130 ist in Form einer im Wesentlichen ebenen
Platte ausgebildet, welche einen im Wesentlichen rechteckige Außenkontur
aufweist und mit einer Vielzahl von im Wesentlichen rechteckigen
Ausnehmungen 136 versehen ist (siehe insbesondere 4),
so dass das Zwischenelement 130 die Form eines Streifenblechs 138 aufweist,
welches aus zwei Längsstreifen 140 und aus einer
Vielzahl von die Längsstreifen 140 miteinander
verbindenden Querstreifen 142 gebildet ist.
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Das
Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 ist bei dieser Ausführungsform
vorzugsweise mit einem Wellenprofil versehen, wobei die parallel
zu den Längsstreifen 140 des Zwischenelements 130 verlaufenden
Wellenberge die Kontaktelemente 118 der Bipolarplatte 116 bilden.
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Durch
die zwischen den Querstreifen 142 vorgesehenen Ausnehmungen 136 kann
im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 100 Oxidationsmittel
aus dem zwischen den Kontaktelementen 118 der Bipolarplatte 116 ausgebildeten
Brenngasraum 112 zu der Kathode 104 gelangen.
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Auf
seiner der Kathode 104 und den Kontaktschichten 134 abgewandten
Seite ist das Zwischenelement 130 stoffschlüssig
mit der Bipolarplatte 116 verbunden, und zwar im Bereich
der Kontaktelemente 118 der Bipolarplatte.
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Diese
stoffschlüssige Verbindung kann insbesondere durch Verschweißung,
insbesondere Laserschweißung, und/oder durch Verlötung
der Bipolarplatte 116 mit dem Zwischenelement 130 erzeugt werden.
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Wie
bei der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik
umgibt bei der in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsform ein Fensterblech 124 mit einer
Fensteröffnung 126 das mittige Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 und
das zwischen der Bipolarplatte 116 und der Kathode 104 angeordnete
Zwischenelement 130.
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Wie
aus 3 zu ersehen ist, kann insbesondere vorgesehen
sein, dass das Fensterblech 124 und das Zwischenelement 130 im
Wesentlichen dieselbe Materialstärke aufweisen.
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Ferner
ist das Zwischenelement 130 vorzugsweise auf derselben
Höhe wie das Fensterblech 124 innerhalb der Fensteröffnung 126 des
Fensterblechs 124 angeordnet.
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Die
stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Zwischenelement 130 und
der Bipolarplatte 116 wird so erzeugt, dass das metallische
Grundmaterial des Zwischenelements 130 direkt, ohne dazwischenliegende
Oxidschicht, mit dem metallischen Grundmaterial der Bipolarplatte 116 verbunden
ist.
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Da
auf diese Weise der Kontaktwiderstand zwischen dem Zwischenelement 130 und
der Bipolarplatte 116 nicht durch eine an der Bipolarplatte 116 im
Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 100 ausgebildete Oxidschicht
erhöht wird, kann die Bipolarplatte 116 insbesondere
aus einem Aluminiumoxid oder Siliziumoxid bildenden Stahlmaterial
hergestellt werden, da sich der hohe elektrische Widerstand der
an der freien Oberfläche der Bipolarplatte 116 ausgebildeten
Schicht aus Aluminiumoxid bzw. Siliziumoxid aufgrund der direkten
Verbindung des metallischen Materials der Bipolarplatte 116 mit
dem metallischen Material des Zwischenelements 130 nicht
störend auswirkt.
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Dafür
bieten Aluminiumoxid oder Siliziumoxid bildende Stahlmaterialien
den Vorteil, dass aus denselben im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 100 keine
flüchtigen Chromspezies verdampfen, welche durch eine Kathodenvergiftung
eine Degradation der Leistung der Brennstoffzelleneinheit 100 verursachen
können.
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Als
Grundmaterial für die Bipolarplatte 116 ist insbesondere
der folgende Aluminiumoxid bildende Stahl geeignet:
Der Stahl
mit der Bezeichnung Aluchrom YHf des Herstellers ThyssenKrupp AG,
Deutschland, mit der folgenden Zusammensetzung:
19 Gewichtsprozent
Cr; 5,5 Gewichtsprozent Al; weniger als 0,5 Gewichtsprozent Si;
weniger als 0,5 Gewichtsprozent Mn; weniger als 0,1 Gewichtsprozent Y;
weniger als 0,05 Gewichtsprozent C; weniger als 0,01 Gewichtsprozent
N; weniger als 0,3 Gewichtsprozent Ni; weniger als 0,07 Gewichtsprozent
Zr; weniger als 0,1 Gewichtsprozent Hf; Rest Eisen.
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An
einem Blech aus dem Grundmaterial der Bipolarplatte 116 wird
ein Warmumformungsprozess durchgeführt, um in dem Kontaktfeld
der Bipolarplatte 116 die Kontaktelemente 118 auszubilden,
an denen die fertige Bipolarplatte 116 elektrisch leitend
mit dem Zwischenelement 130 verbunden wird.
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Zur
Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen
der Kathode 104 der KEA-Einheit 102 und der Bipolarplatte 116 wird
wie folgt vorgegangen:
Ein Kontaktmaterial, beispielsweise
die vorstehend beschriebene Kontaktpaste, welche ein keramisches Pulver
enthält, wird auf die freie Oberfläche 114 der Kathode 104 und/oder
auf die Kontaktfläche 132 des Zwischenelements 130 aufgetragen.
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Anschließend
wird das Zwischenelement 130 gegen die freie Oberfläche 114 der
Kathode 104 angelegt, und das Zwischenelement 130 und
die Kathode 104 der KEA-Einheit 102 werden unter
einem Anpressdruck von mindestens 2 N/cm2 gegeneinander
gepresst.
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Im
miteinander verpressten Zustand werden die KEA-Einheit 102 und
das Zwischenelement 130 in einem Sinterofen auf eine Sintertemperatur
von beispielsweise ungefähr 900°C erwärmt.
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Auf
dieser Sintertemperatur werden die KEA-Einheit 102 und
das Zwischenelement 130 und das dazwischen angeordnete
Kontaktmaterial während einer Haltezeit von ungefähr
5 Stunden gehalten, wodurch die Schicht aus dem Kontaktmaterial versintert
und daraus die Kontaktschicht 134 gebildet wird.
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Die
Erwärmung auf die Sintertemperatur kann dabei beispielsweise
mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 K/min erfolgen.
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Nach
Ablauf der Haltezeit wird die Anordnung aus der KEA-Einheit 102,
dem Zwischenelement 130 und der dazwischen angeordneten
Kontaktschicht 134 ungeregelt bis auf Umgebungstemperatur
abgekühlt.
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Anschließend
wird das Fensterblech 124 unter Ausbildung einer Lotschicht 128 mit
der KEA-Einheit 102 mittels eines metallischen Lotes verlötet.
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Schließlich
wird die Bipolarplatte 116, in welche die Kontaktelemente 118 eingeprägt
sind, an die der Kathode 104 abgewandte freie Oberfläche
des Zwischenelements 130 angelegt und stoffschlüssig mit
dem Zwischenelement 130 verbunden, beispielsweise durch
Verschweißung, insbesondere durch Laserschweißen.
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Durch
diese stoffschlüssige Verbindung zwischen der Bipolarplatte 116 und
dem Zwischenelement 130 entfällt der elektrische Übergangswiderstand
zwischen der Bipolarplatte 116 und dem Zwischenelement 130,
so dass ein deutlich geringerer Kontaktwiderstand erzielt wird als
bei der Verwendung von Zwischenschichten, beispielsweise aus einem
keramischen Kontaktmaterial.
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Die
dem Zwischenelement 130 abgewandte Seite der Bipolarplatte 116 kann
direkt oder indirekt (über eine elektrisch leitfähige
Kontaktstruktur, beispielsweise ein Kontaktnetz) elektrisch leitfähig
mit der Anode 106 einer an die Brennstoffzelleneinheit 100 angrenzenden
weiteren Brennstoffzelleneinheit 100 verbunden werden,
beispielsweise durch Verlötung oder mittels einer Kontaktschicht
aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 100 elektrisch
leitfähigen Kontaktmaterial.
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Auf
diese Weise kann aus einer Vielzahl von in einer Stapelrichtung
aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 100 ein
Brennstoffzellenstack gebildet werden.
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Als
Kontaktmaterial für die Bildung der Kontaktschicht 134 zwischen
dem Zwischenelement 130 und der Kathode 104 kann
statt einer keramischen Kontaktpaste auch ein metallisches Lot der
vorstehend beschriebenen Art, beispielsweise das Silberbasislot
mit der Bezeichnung Ag4CuO, verwendet werden.
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Auch
während des Verlötens des Zwischenelements 130 mit
der Kathode 104 werden das Zwischenelement 130 und
die Kathode 104 unter einem Anpressdruck von mindestens
2 N/cm2 gegeneinander gepresst.
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Durch
das Verpressen von Zwischenelement 130 und Kathode 104,
beispielsweise mittels einer auf der KEA-Einheit 102 oder
dem Zwischenelement 130 aufliegenden Last, während
des stoffschlüssigen Verbindens von Zwischenelement 130 und
Kathode 104 kann das Zwischenelement 130 der KEA-Einheit 102 nachgeführt
werden, wodurch Kontaktverluste durch Verdichtungsvorgänge
während des Sinter- oder Lötvorgangs vermieden
werden.
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Durch
das Einstellen einer definierten Spaltbreite zwischen dem Zwischenelement 130 und
der Kathode 104 und somit einer definierten Dicke der Kontaktschicht 134 wird
die Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzelleneinheit 100 verbessert.
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Die
Verlötung des Fensterblechs 124 mit der KEA-Einheit 102 kann
gleichzeitig mit der Verlötung des Zwischenelements 130 mit
der Kathode 104 erfolgen.
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Eine
in 5 dargestellte zweite Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von
der in den 3 und 4 dargestellten
ersten Ausführungsform dadurch, dass das Zwischenelement 130 nicht
die Form eines rechteckigen Streifenblechs 138, sondern
stattdessen eine Mäanderform aufweist.
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Im Übrigen
stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau,
Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 und 4 dargestellten
ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine
in 6 dargestellte dritte Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von
der in den 3 und 4 dargestellten
ersten Ausführungsform dadurch, dass das Zwischenelement 130 nicht
als ein Streifenblech ausgebildet ist, sondern eine Vielzahl von
im Wesentlichen kreisförmigen Teil-Kontaktflächen 144 umfasst, wobei
einander benachbart angeordnete Teil-Kontaktflächen 144 durch
jeweils einen dünnen Steg 146 miteinander verbunden
sind.
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Jede
der Teil-Kontaktflächen 144 des Zwischenelements 130 dieser
Ausführungsform ist durch Verschweißung und/oder
Verlötung mit jeweils einem der Kontaktelemente 118 der
Bipolarplatte 116 stoffschlüssig verbunden.
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Das
Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 ist bei dieser Ausführungsform
demnach vorzugsweise mit noppenförmigen Kontaktelementen 118 versehen.
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Durch
die Zuordnung jeweils einer kreisförmigen Teil-Kontaktfläche 144 des
Zwischenelements 130 zu jeweils einem Kontaktelement 118 der
Bipolarplatte 116 wird ein besonders niedriger Kontaktwiderstand
zwischen der Bipolarplatte 116 und der Kathode 104 erzielt.
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Im Übrigen
stimmt die in 6 dargestellte dritte Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau,
Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 und 4 dargestellten ersten
Ausführungsform überein, auf deren vorstehende
Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine
in 7 dargestellte vierte Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dadurch,
dass das Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 nicht geschlossen
ausgebildet ist, sondern stattdessen Durchtrittsöffnungen 148 aufweist,
von denen in 7 eine dargestellt ist.
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Diese
Durchtrittsöffnungen 148 können sich beispielsweise
streifenförmig durch das Kontaktfeld der Bipolarplatte 116 erstrecken.
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Jede
der Durchtrittsöffnungen 148 ist durch jeweils
einen an die Form der Durchtrittsöffnung 148 angepassten
Abschnitt des Zwischenelements 130, also beispielsweise
durch einen streifenförmigen Abschnitt 152 des
Zwischenelements 130, verschlossen.
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Die
Ränder 150 des Abschnitts 152 des Zwischenelements 130 sind
durch Schweißnähte 154 mit einem angrenzenden,
die Durchtrittsöffnung 148 der Bipolarplatte 116 begrenzenden
Rand 156 der Bipolarplatte 116 stoffschlüssig
verbunden.
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Auf
diese Weise ist es möglich, aus den Kontaktelementen 118 der
Bipolarplatte 116 und dem Zwischenelement 130 Strukturen
mit ungefähr trapezförmigem Querschnitt zu schaffen,
die prägetechnisch nicht erzielt werden können.
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Dadurch,
dass die Abschnitte 152 des Zwischenelements 130 einer
solchen im Wesentlichen trapezförmigen Struktur im Wesentlichen
parallel zur freien Oberfläche 114 der Kathode 104 ausgerichtet sind,
wird eine große Kontaktfläche zwischen der trapezförmigen
Struktur einerseits und der Kathode 104 andererseits und
somit ein geringer Kontaktwiderstand zwischen der Bipolarplatte 116 und
der Kathode 104 erzielt.
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Auch
bei dieser Ausführungsform ist das Zwischenelement 130 über
eine Kontaktschicht 134 aus einem metallischen Lot aus
einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 100 elektrisch
leitfähigen keramischen Kontaktmaterial elektrisch leitfähig
mit der Kathode 104 verbunden.
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Auch
bei der in 7 dargestellten vierten Ausführungsform
ist die Bipolarplatte 116 vorzugsweise aus einem Aluminiumoxid
bildenden Stahlmaterial ausgebildet, um eine Chromabdampfung zu verhindern,
und das Zwischenelement 130 vorzugsweise aus einem Chromoxid
bildenden Stahlmaterial ausgebildet, um (aufgrund der relativ hohen
elektrischen Leitfähigkeit des an der Oberfläche
des Zwischenelements 130 ausgebildeten Chromoxidschicht)
einen geringen elektrischen Übergangswiderstand zwischen
dem Zwischenelement 130 und der Kontaktschicht 134 zu
erzielen.
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Im Übrigen
stimmt die in 7 dargestellte vierte Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau,
Funktion und Herstellungsweise mit den in den 2 bis 6 dargestellten ersten
bis dritten Ausführungsformen überein, auf deren
vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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EN [0078]
- - S44535 nach UNS [0078]
- - 1.4509 nach EN [0078]
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- - S44100 nach UNS [0078]