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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines
Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrochemischen
Zelle der Brennstoffzelleneinheit.
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Da
eine Brennstoffzelleneinheit nur eine geringe Einzelzellspannung
von ungefähr 0,6 Volt bis ungefähr 1,2 Volt (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.
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Dabei
kann jede Brennstoffzelleneinheit eines Brennstoffzellenstacks aus
zwei Baueinheiten gebildet werden, die mittels Laserschweißens
miteinander verbunden werden. Dabei besteht die eine Baueinheit
aus den Komponenten Unterschale, elektrische Isolationsschicht,
Metalllot und Zusatzblech. Die andere Baueinheit setzt sich aus
einer Oberschale und einer darin eingelöteten elektrochemischen Zelle,
beispielsweise einer oxidkeramischen Zelle (im Falle einer SOFC; ”Solid
Oxide Fuel Cell”), zusammen. Als Metalllot wird dabei beispielsweise
ein Silberbasislot der Zusammensetzung Ag 8CuO 0,5TiH2 verwendet.
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Die
elektrochemische Zelle der Brennstoffzelleneinheit umfasst eine
Anode (auf der Brenngasseite), eine Kathode (auf der Luftseite)
und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten.
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Dabei
besteht die Kathode aus einer Oxidkeramik (beispielsweise (La0,8Sr0,2)0,98MnO3). Unter
reduzierter Atmosphäre, d. h. bei abgesenktem Sauerstoffpartialdruck,
baut die Oxidkeramik den Sauerstoff aus, so dass die elektrochemische
Zelle irreversibel geschädigt wird. Aus diesem Grund kann
die Verlötung der Oberschale mit der elektrochemischen Zelle
mittels des Metalllotes nur an Luft durchgeführt werden.
Dies bedeutet, dass kostengünstige, aber oxidierende Metalllote
(beispielsweise Nickel-Basis-Lote) für diese Verlötung
nicht verwendet werden können, da diese üblicherweise
für Verlötungen in einer Schutzgasatmosphäre
oder im Vakuum eingesetzt werden. Stattdessen müssen kostenintensive Metalllote
aus Edelmetallen (beispielsweise Silber) benutzt werden.
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Ein
weiterer Nachteil der Verlötung in einem standardmäßig
eingesetzten Ofenprozess ist die erforderliche lange und intensive
Wärmebehandlung der zu verlötenden Komponenten.
Hierdurch entstehen ungewünschte Wechselwirkungen (beispielsweise
Zunderzonen) und Verzüge in den miteinander zu verbindenden
Bauteilen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit
mit einer elektrochemischen Zelle der Brennstoffzelleneinheit zu
schaffen, mittels welchem eine zuverlässige gasdichte Verbindung
zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle
einfach herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit
mit einer elektrochemischen Zelle der Brennstoffzelleneinheit gelöst,
welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
- – Bereitstellen
eines duktilen Materials an dem Gehäuseteil und/oder an
der elektrochemischen Zelle und/oder zwischen dem Gehäuseteil
und der elektrochemischen Zelle; und
- – Verbinden des Gehäuseteils und der elektrochemischen
Zelle mittels des duktilen Materials durch einen Ultraschallfügevorgang.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
es, beispielsweise eine oxidkeramische Brennstoffzelle mittels eines
Ultraschallfügeprozesses in ein Gehäuseoberteil
einer Brennstoffzelleneinheit einzulöten.
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Dabei
kann der Ultraschallfügevorgang bei Raumtemperatur durchgeführt
werden. Dadurch ist weder eine Oxidation des duktilen Materials
noch eine daraus resultierende mangelnde Anhaftung der miteinander
zu verbindenden Komponenten (Gehäuseteil und elektrochemische
Zelle) zu befürchten.
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Aus
diesem Grund können als duktile Materialien für
die Verbindung des Gehäuseteils und der elektrochemischen
Zelle auch kostengünstige metallische Lote, welche kein
Edelmetall enthalten, beispielsweise Nickel-Basis-Lote, verwendet
werden.
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Alternativ
hierzu können auch Lotzusammensetzungen, welche Edelmetall
enthalten, verwendet werden.
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In
jedem Fall resultiert aus der Nutzung eines Ultraschallfügevorgangs
ein geringerer Wärmeeintrag in die miteinander zu verbindenden
Bauteile (Gehäuseteil und elektrochemische Zelle) als bei
einer üblichen Verlötung in einem Ofenprozess,
wodurch chemische Wechselwirkungen und Verzüge in den Bauteilen
reduziert werden.
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Darüber
hinaus kann durch die Verwendung des Ultraschallfügevorgangs
die Taktzeit bei der Herstellung der Verbindung zwischen dem Gehäuseteil und
der elektrochemischen Zelle im Vergleich zu einem Ofenprozess verkürzt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Gehäuseteil über das duktile Material mit
einem Elektrolyten der elektrochemischen Zelle verbunden wird. Der
Elektrolyt weist eine elektrische Ionenleitfähigkeit auf.
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Als
Elektrolyt kann beispielsweise ein Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid
(z. B. 8YSZ) oder ein Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (z.
B. 6ScSZ) verwendet werden.
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Vorzugsweise
wird das Gehäuseteil mit der Kathodenseite des Elektrolyten
verbunden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Ultraschallfügevorgang mittels einer Sonotrode durchgeführt
wird.
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Eine
solche Sonotrode kann insbesondere auf eines der beiden miteinander
zu fügenden Bauteile (Gehäuseteil oder elektrochemische
Zelle) aufgesetzt werden, um das betreffende Bauteil in Ultraschallschwingungen
zu versetzen.
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Der
Ultraschallfügevorgang wird vorzugsweise mit Ultraschall
bei einer Frequenz von ungefähr 10 kHz bis ungefähr
120 kHz, insbesondere bei einer Frequenz von ungefähr 20
kHz bis ungefähr 40 kHz, durchgeführt.
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Ferner
wird der Ultraschallfügevorgang vorzugsweise bei einer
Ultraschallschwingungsamplitude von ungefähr 1 μm
bis ungefähr 100 μm, insbesondere von ungefähr
5 μm bis ungefähr 40 μm, durchgeführt.
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Der
Ultraschallfügevorgang wird vorzugsweise bei einer mechanischen
Fügespannung, mit welcher die beiden miteinander zu fügenden
Bauteile beaufschlagt werden, von ungefähr 1 MPa bis ungefähr 100
MPa, insbesondere von ungefähr 2 MPa bis ungefähr
50 MPa, durchgeführt.
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Wenn
der Ultraschallfügevorgang mittels einer während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
ortsfesten Sonotrode durchgeführt wird, so wird der Ultraschallfügevorgang
vorzugsweise während einer Fügezeit von ungefähr
0,1 Sekunden bis ungefähr 3 Sekunden, insbesondere von
ungefähr 0,1 Sekunden bis ungefähr 1 Sekunde,
durchgeführt.
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Bei
langen Fügenähten kann auch vorgesehen sein, dass
die Sonotrode während der Fügezeit relativ zu
den zu fügenden Bauteilen längs einer Fügenaht
bewegt wird.
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Insbesondere
kann eine Rollsonotrode verwendet werden, die längs der
Fügenaht bewegt wird.
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Bei
längs einer Fügenaht bewegter Sonotrode wird die
Sonotrode vorzugsweise mit einer Gechwindigkeit von ungefähr
0,3 mm/s bis ungefähr 10 mm/s relativ zu den zu fügenden
Bauteilen längs der Fügenaht bewegt.
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Die
mittlere Oberflächenrauhigkeit (auch als Mittenrauhwert
bezeichnet) der durch den Ultraschallfügevorgang miteinander
zu verbindenden Bauteil-Fügeflächen beträgt
vorzugsweise höchstens ungefähr 20 μm.
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Wenn
der Mittenrauhwert zu hoch liegt, erfolgt die Energieübertragung
von der Sonotrode in das duktile Material nur punktuell über
sogenannte ”hot spots”, woraus ein starker Temperaturgradient resultieren
kann. Dies kann zu veränderten Spannungszuständen
führen, wodurch ein Versagen der Baugruppe aus den miteinander
zu verbindenden Bauteilen hervorgerufen werden könnte.
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Außerdem
ist es günstig, wenn die mittlere Oberflächenrauhigkeit
(auch Mittenrauhwert genannt) der durch den Ultraschallfügevorgang
miteinander zu verbindenden Bauteil-Fügeflächen
mindestens ungefähr 20 nm beträgt. Wenn der Mittenrauhwert
zu niedrig ist, können die parallel zur Fügezone ausgerichteten
Ultraschallschwingungen vorhandene Oxidschichten an den Oberflächen
der miteinander zu fügenden Bauteile weder einreißen
noch entfernen. Hierdurch kann unter Umständen eine Fügung
zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen verhindert werden.
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Um
die durch Erwärmung der miteinander zu fügenden
Bauteile beim herkömmlichen Ofen-Lötprozess auftretenden
Nachteile zu vermeiden, wird der Ultraschallfügevorgang
vorzugsweise ohne vorherige Erwärmung der miteinander zu
verbindenden Bauteile (Gehäuseteil und elektrochemische
Zelle) und/oder des duktilen Materials durchgeführt.
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Das
duktile Material weist grundsätzlich eine möglichst
hohe Duktilität auf, denn je höher die Duktilität
des duktilen Materials ist, desto besser ist die Fügezonenausbildung,
d. h. um so besser kann die Fügung realisiert werden und
um so fester ist der durch die Fügung hergestellte Verbund
zwischen den Bauteilen.
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Das
duktile Material enthält vorzugsweise ein metallisches
Material.
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Besonders
günstig ist es, wenn das duktile Material vollständig
aus einem oder mehreren metallischen Materialien, d. h. aus einem
oder mehreren Metallen und/oder aus einer oder mehreren metallischen
Legierungen, besteht.
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Als
duktiles Material besonders geeignet sind metallische Materialien.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass das duktile Material Ag oder eine Ag-Legierung,
Ni oder eine Ni-Legierung, Cu oder eine Cu-Legierung, Co oder eine
Co-Legierung, Al oder eine Al-Legierung und/oder Fe oder eine Fe-Legierung
umfasst.
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Die
genannten metallischen Materialien weisen eine besonders hohe Duktilität
auf.
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Als
duktiles Material kann ferner eine Kombination aus mindestens zwei
der vorstehend genannten Materialien verwendet werden.
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Beispielsweise
kann ein erstes duktiles Material (beispielsweise Nickel) an seiner
Oberfläche mit einer Schicht aus einem zweiten duktilen
Material (beispielsweise Aluminium) versehen werden, wobei das zweite
duktile Material vorzugsweise eine höhere Duktilität
aufweist als das erste duktile Material.
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Das
zweite duktile Material kann bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
mit dem ersten duktilen Material, mit Reaktionspartnern aus der
Umgebung oder mit Reaktionspartnern aus der Luft zu einer chemisch
stabilen Verbindung reagieren.
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Das
duktile Material kann beispielsweise mittels eines Musterdruckverfahrens,
mittels eines Dispensers, durch galvanisches Beschichten, durch Plattieren
und/oder durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Vakuum-Plasma-Spritzen
(VPS) oder durch Niederdruck-Plasma-Spritzen (”Low Pressure
Plasma Spraying”; LPPS), auf mindestens eines der miteinander
zu verbindenden Bauteile aufgebracht werden.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Folie
aus dem duktilen Material vor dem Ultraschallfügevorgang
zwischen den miteinander zu verbindenden Bauteilen angeordnet wird.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann ferner vorgesehen sein, dass
eine Schichtverbundfolie aus mindestens zwei verschiedenen duktilen
Materialien vor dem Ultraschallfügevorgang zwischen den
miteinander zu verbindenden Bauteilen eingefügt wird.
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Beispielsweise
kann eine solche Schichtverbundfolie aus einer Nickel-Folie gebildet
sein, welche, beispielsweise durch ”Physical Vapour Deposition” (PVD)
oder ”Chemical Vapour Deposition” (CVD), durch
galvanische Beschichtung oder durch Kaltverschweißen mit
einer zweiten Folie, mit einer dünneren Schicht aus Aluminium
versehen ist. Beim Ultraschallfügevorgang diffundiert das
Aluminium in die Nickel-Folie und in die angrenzenden, zu fügenden Bauteile
ein.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe, die ein Gehäuseteil
und eine elektrochemische Zelle einer Brennstoffzelleneinheit umfasst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, eine
solche Baugruppe zu schaffen, welche im Betrieb des Brennstoffzellenstacks langzeitstabil
ist und eine gute Gasdichtigkeit zwischen dem Gehäuseteil
und der elektrochemischen Zelle aufweist und dabei in einfacher
Weise herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Baugruppe, die ein Gehäuseteil und eine elektrochemische
Zelle einer Brennstoffzelleneinheit umfasst, sowie eine Verbindungsschicht
aus einem duktilen Material, durch welche das Gehäuseteil
und die elektrochemische Zelle miteinander verbunden sind, wobei
die Verbindungsschicht mit einer Fügefläche der
elektrochemischen Zelle und/oder mit einer Fügefläche
des Gehäuseteils durch einen Ultraschallfügevorgang
verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist die Verbindungsschicht sowohl mit der Fügefläche
der elektrochemischen Zelle als auch mit der Fügefläche
des Gehäuseteils durch einen Ultraschallfügevorgang
verbunden.
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Die
erfindungsgemäße Baugruppe 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 eine
schematische Explosionsdarstellung der Elemente einer Brennstoffzelleneinheit;
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2 eine
schematische Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit aus 1,
nachdem eine elektrochemische Zelle der Brennstoffzelleneinheit
mit einem Gehäuseoberteil der Brennstoffzelleneinheit und
ein Zwischenelement der Brennstoffzelleneinheit mit einem Gehäuseunterteil
der Brennstoffzelleneinheit verbunden worden ist;
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3 einen
schematischen vertikalen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung,
mittels welcher ein keramikbeschichtetes Zwischenelement mit einem
Gehäuseunterteil verbunden worden ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Dichtungsanordnung aus 3;
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5 eine
schematische Darstellung eines Ultraschallfügevorgangs,
bei dem zwei abzudichtende Bauteile, von denen eines mit einer elektrisch
isolierenden Beschichtung versehen ist, mittels eines duktilen Materials
miteinander verbunden werden;
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6 einen
schematischen vertikalen Schnitt durch einen Rand der elektrochemischen
Zelle der Brennstoffzelleneinheit, deren Elektrolyt durch eine Verbindungsschicht
aus einem duktilen Material mit dem Gehäuseoberteil der
Brennstoffzelleneinheit verbunden ist;
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7 einen
schematischen vertikalen Schnitt durch das Gehäuseunterteil
oder den Interkonnektor der Brennstoffzelleneinheit, der über
eine Verbindungsschicht aus einem duktilen Material mit der Kathode
der elektrochemischen Zelle einer in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels
unter der ersten Brennstoffzelleneinheit angeordneten zweiten Brennstoffzelleneinheit
gleichen Aufbaus verbunden ist; und
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8 eine
schematische Darstellung des Ablaufs eines Fügeverfahrens,
mittels welchem ein Gehäuseunterteil oder Interkonnektor
durch eine Verbindungsschicht aus einem duktilen Material mit einer
Elektrode einer elektrochemischen Zelle einer Brennstoffzelleneinheit
verbunden wird.
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Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein
als Ganzes mit 100 bezeichneter Brennstoffzellenstapel
umfasst mehrere Brennstoffzelleneinheiten 102 von jeweils
gleichem Aufbau, von denen in den 1 und 2 eine
dargestellt ist und die längs einer vertikalen Stapelrichtung 104 des Brennstoffzellenstapels 100 aufeinandergestapelt sind.
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Jede
der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfasst die in 1 einzeln
dargestellten Bestandteile, nämlich ein Gehäuseoberteil 106,
eine elektrochemische Zelle 108, ein Kontaktmaterial 110,
ein Gehäuseunterteil 112 (auch als Interkonnektor
bezeichnet) und ein Zwischenelement 114.
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Ferner
ist in 1 eine erste Verbindungsschicht 116 zum
Verbinden der elektrochemischen Zelle 108 mit dem Gehäuseoberteil 106 und
eine zweischichtige Dichtungsanordnung 118 zum gasdichten
und elektrisch isolierenden Verbinden des Zwischenelements 114 mit
dem Gehäuseunterteil 112 dargestellt.
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Das
Gehäuseoberteil 106 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 elektrochemische Zelle 108 der Brennstoffzelleneinheit 102 für eine
Kontaktierung durch das Gehäuseunterteil 112 der
in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 zugänglich
ist.
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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.
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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.
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Das
Gehäuseoberteil 106 ist vorzugsweise aus einem
hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der
Legierung Crofer22APU, hergestellt.
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Der
Werkstoff Crofer22APU des Herstellers ThyssenKrupp AG, Deutschland,
hat die folgende Zusammensetzung: 22,2 Gewichtsprozent Chrom; 0,02
Gewichtsprozent Aluminium; 0,03 Gewichtsprozent Silizium; 0,46 Gewichtsprozent
Mangan; 0,06 Gewichtsprozent Titan; 0,002 Gewichtsprozent Kohlenstoff;
0,004 Gewichtsprozent Stickstoff; 0,07 Gewichtsprozent Lanthan;
0,02 Gewichtsprozent Nickel; Rest Eisen.
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Der
Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU hat die Werkstoffbezeichnungen
1.4760 nach EN und S44535 nach UNS.
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Die
elektrochemische Zelle 108 umfasst ein Substrat 109,
eine direkt an der Oberseite des Substrats 109 angeordnete
Anode 111, einen über der Anode angeordneten Elektrolyten 113 und
eine über dem Elektrolyten 113 angeordnete Kathode 115,
wobei diese einzelnen Schichten der elektrochemischen Zelle 108 in 7 schematisch
(nicht maßstäblich) dargestellt sind.
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Die
Anode ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
(von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C)
elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus Nickeloxid,
das im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zu metallischem Nickel reduziert
wird, oder aus NiO + ZrO2, das im Betrieb der
Brennstoffzelleneinheit zu einem Cermet (Keramik-Metall-Gemisch)
aus metallischem Nickel und keramischem ZrO2 reduziert
wird, gebildet. Die Anode ist porös, um einem durch das
Substrat 109 hindurchgelangenden Brenngas den Durchtritt
durch die Anode 111 zu dem an die Anode 111 angrenzenden Elektrolyten 113 zu
ermöglichen.
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Als
Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch
oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
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Der
Elektrolyt 113 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt,
insbesondere als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und beispielsweise
aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
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Die
Kathode 115 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der
Brennstoffzelleneinheit 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 angrenzenden Oxidationsmittelraum 130 den
Durchtritt zu dem Elektrolyten 113 zu ermöglichen.
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Wie
aus 6 zu ersehen ist, erstrecken sich der Rand der
Anode 111 und der Rand des Elektrolyten 113 seitlich über
den Rand der Kathode 115 hinaus.
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Das
Substrat 109 kann beispielsweise als ein aus gesinterten
Metallpartikeln bestehender poröser Sinterkörper
ausgebildet sein.
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Das
Kontaktmaterial 110, das zwischen dem Substrat 109 und
dem Gehäuseunterteil 112 angeordnet ist, kann
beispielsweise als ein metallisches Netz, Gestrick oder Vlies, insbesondere
aus Nickeldraht, ausgebildet sein.
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Das
Gehäuseunterteil 112 (auch Interkonnektor genannt)
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
(siehe 1).
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Die
Platte 132 weist ein im Wesentlichen rechteckiges, mittiges
Kontaktfeld 138 auf, welches mit Kontaktelementen 139 zur
Kontaktierung des Kontaktmaterials 110 einerseits und der
Kathode 115 einer elektrochemischen Zelle 108 einer
benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 andererseits versehen
ist. Diese Kontaktelemente 139 können beispielsweise
sickenförmig oder noppenförmig ausgebildet sein
(siehe 7).
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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.
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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.
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Die
Brenngasabführöffnungen 144 und die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 des
Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngasabführöffnungen 126 bzw.
mit den Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des
Gehäuseoberteils 106.
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Die
Oxidationsabführöffnungen 146 liegen vorzugsweise
den Brenngaszuführöffnungen 142 gegenüber,
und die Brenngasabführöffnungen 144 liegen
vorzugsweise den Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 gegenüber.
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Die
Brenngaszuführöffnungen 140 und die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 des
Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw.
mit den Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 des
Gehäuseoberteils 106.
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Die
Oxidationsmittelabführöffnungen 146 (ebenso
wie die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142)
des Gehäuseunterteils 112 sind von jeweils einem
die betreffende Öffnung ringförmig umgebenden,
im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten
Ringflansch 148 umgeben, welcher über eine Schräge
mit der Platte 132 des Gehäuseunterteils 112 verbunden
ist.
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Das
Gehäuseunterteil 112 ist vorzugsweise aus einem
hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der
vorstehend bereits genannten Legierung Crofer22APU, hergestellt.
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Das
Zwischenelement 114 umfasst einen im Wesentlichen rechteckigen
Rahmenteil 152, der sich ringförmig längs
des Randes der Brennstoffzelleneinheit 102 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.
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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.
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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.
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Als
Material für das Zwischenelement 114 wird vorzugsweise
ein hochkorrosionsbeständiger Stahl, beispielsweise die
bereits vorstehend genannte Legierung Crofer22APU, verwendet.
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Wie
insbesondere aus 3 zu ersehen ist, ist das Zwischenelement 114 an
seiner dem Gehäuseunterteil 112 zugewandten Seite
zumindest abschnittsweise mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht 162 aus
einem Material, welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 102 eine
elektrische Isolationswirkung aufweist, versehen.
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Die
Isolationsschicht 162 kann sich über die gesamte
Oberseite des Zwischenelements 114 oder aber auch nur über
die Stellen erstrecken, an denen das Zwischenelement 114 mit
dem Gehäuseunterteil 112 verbunden wird.
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Die
Isolationsschicht 162 kann beispielsweise durch thermisches
Spritzen aufgebracht werden.
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Hierfür
geeignete Verfahren sind beispielsweise das Vakuumplasmaspritzen
(VPS), das atmosphärische Plasmaspritzen (APS), das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
(”High Velocity Oxy Fuel”, HVOF), das Hochgeschwindigkeits-Draht-Flammspritzen
(”High Velocity Combustion Wire”, HVCW) oder das
Niederdruckplasmaspritzen (”Low Pressure Plasma Spray”,
LPPS).
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Geeignete
Isoliermaterialien, die mittels eines solchen thermischen Spritzverfahrens
auf das Zwischenelement 114 aufzubringen sind, sind beispielsweise:
- – Aluminiumoxid (Al2O3);
- – Al-Mg-Spinell (MgAl2O4);
- – Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid;
- – Forsterit (Mg2SiO4);
- – Magnesiumoxid (MgO);
- – Mischungen aus Spinell und Magnesiumoxid (MgO).
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Alternativ
zu einem thermischen Spritzverfahren kann die Isolationsschicht 162 auch
dadurch erzeugt werden, dass ein Isolationsschicht-Vormaterial nasschemisch
auf das Zwischenelement 114 aufgetragen und anschließend
zu der elektrisch isolierenden Isolationsschicht 162 versintert
wird.
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Alternativ
hierzu kann die Isolationsschicht 162 auch durch ein Material
aus dem ternären System Ca-Ba-Si oder aus einem daraus
abgeleiteten binären System gebildet sein.
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Zur
Herstellung der Brennstoffzelleneinheiten 102 aus den vorstehend
beschriebenen Einzelelementen wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst
wird das Zwischenelement 114 auf die vorstehend beschriebene
Weise mit der Isolationsschicht 162 versehen (siehe 4,
oben rechts).
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuseunterteil 112 auf
seiner dem Zwischenelement 114 zugewandten Seite ganz oder
abschnittsweise mit einer ebensolchen Isolationsschicht versehen
wird.
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Anschließend
wird die elektrochemische Zelle 108 längs des
Randes des Elektrolyten 113 mit dem Gehäuseoberteil 106 verbunden,
und zwar an der Unterseite 166 des die Durchtrittsöffnung 120 in dem
Gehäuseoberteil 106 umgebenden Bereiches des Gehäuseoberteils 106 (siehe 6).
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Das
für diese Verbindung benötigte duktile Material
kann, wie in 1 dargestellt, als entsprechend
zugeschnittene Folie zwischen den Elektrolyten 113 und
das Gehäuseoberteil 106 eingelegt werden.
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Alternativ
hierzu kann die Unterseite 166 des Gehäuseoberteils 106 mit
einer Beschichtung aus dem duktilen Material versehen werden.
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Die
Beschichtung des Gehäuseoberteils 106 mit dem
duktilen Material kann beispielsweise galvanisch oder durch thermisches
Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) oder durch Niederdruck-Plasma-Spritzen
(”Low Pressure Plasma Spraying”; LPPS), oder durch
Plattieren des Gehäuseoberteils 106 mit einer
Schicht aus dem duktilen Material erfolgen.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann das duktile Material auch mittels
eines Dispensers in Form einer Materialraupe auf die Oberseite 168 des Elektrolyten 113 und/oder
auf die Unterseite 166 des Gehäuseoberteils 106 aufgetragen
werden.
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Ferner
ist es auch möglich, das duktile Material mittels eines
Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens,
auf die Oberseite 168 des Elektrolyten 113 und/oder
auf die Unterseite 166 des Gehäuseoberteils 106 aufzubringen.
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Das
duktile Material enthält vorzugsweise ein metallisches
Material. Besonders günstig ist es, wenn das duktile Material
vollständig aus einem oder mehreren metallischen Materialien,
das heißt aus einem oder mehreren Metallen und/oder aus
einer oder mehreren metallischen Legierungen, besteht.
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Als
duktiles Material geeignet sind insbesondere metallische Materialien,
beispielsweise die Folgenden:
- – Silber
oder Silber-Legierungen;
- – Nickel oder Nickel-Legierungen;
- – Aluminium-Legierungen;
- – Kupfer oder Kupfer-Legierungen;
- – Kobalt oder Kobalt-Legierungen;
- – Eisen oder Eisen-Legierungen.
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Als
duktiles Material kann ferner eine Kombination aus mindestens zwei
der vorstehend genannten Materialien verwendet werden.
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Beispielsweise
kann ein erstes duktiles Material (beispielsweise Nickel) an seiner
Oberfläche mit einer Schicht aus einem zweiten duktilen
Material (beispielsweise Aluminium) versehen werden, wobei das zweite
duktile Material vorzugsweise eine höhere Duktilität
aufweist als das erste duktile Material.
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Das
zweite duktile Material kann bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
mit dem ersten duktilen Material, mit Reaktionspartnern aus der
Umgebung oder mit Reaktionspartnern aus der Luft zu einer chemisch
stabilen Verbindung reagieren.
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Eine
als duktiles Material geeignete Zusammensetzung enthält
beispielsweise 97 Gewichtsprozent Nickel und 3 Gewichtsprozent Aluminium.
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Diese
Zusammensetzung wird vorzugsweise galvanisch oder durch einen thermischen
Spritzprozess, vorzugsweise Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) oder Niederdruck-Plasma-Spritzen
(”Low Pressure Plasma Spraying”; LPPS), an der
Unterseite 166 des Gehäuseoberteils 106 abgeschieden.
-
Zur
Herstellung der Verbindung zwischen dem Elektrolyten 113 und
dem Gehäuseoberteil 106 mittels einer Verbindungsschicht
aus dem duktilen Material wird ein Ultraschallfügevorgang
durchgeführt.
-
Für
diesen Ultraschallfügevorgang wird eine Sonotrode 200 der
in 5 schematisch dargestellten Art auf die dem duktilen
Material abgewandte Oberseite 170 des Gehäuseoberteils 106 aufgesetzt, während
die Unterseite der elektrochemischen Zelle 108 auf einem
Amboss 202 der in 5 schematisch dargestellten
Art ruht.
-
Das
Gehäuseoberteil 106 und die elektrochemische Zelle 108 werden
durch die Sonotrode 200 mit einer Fügekraft im
Bereich von ungefähr 1 MPa bis ungefähr 100 MPa,
vorzugsweise im Bereich von ungefähr 2 MPa bis ungefähr
50 MPa, gegen den Amboss 202 gepresst.
-
Während
des Ultraschallfügevorgangs wird die Sonotrode 200 mittels
eines Ultraschallschwingungsüberträgers 204 der
in 5 schematisch dargestellten Art in parallel zu
den Fügeflächen 172 zwischen dem Gehäuseoberteil 106 und
der elektrochemischen Zelle 108 (Unterseite 166 des
Gehäuseoberteils 106 und Oberseite 168 des
Elektrolyten 113) gerichtete Ultraschallschwingungen versetzt.
-
Die
verwendeten Ultraschallschwingungen weisen eine Frequenz von ungefähr
10 kHz bis ungefähr 120 kHz, vorzugsweise im Bereich von
ungefähr 20 kHz bis ungefähr 40 kHz, auf.
-
Die
Amplitude der Ultraschallschwingungen der Sonotrode 200 beträgt
ungefähr 1 μm bis ungefähr 100 μm,
vorzugsweise ungefähr 5 μm bis ungefähr
40 μm.
-
Die
Fügezeit, während welcher die zu fügenden
Bauteile durch die Sonotrode 200 mit der Ultraschallschwingung
beaufschlagt werden, beträgt ungefähr 0,1 Sekunden
bis ungefähr 3 Sekunden, vorzugsweise ungefähr
0,1 Sekunden bis ungefähr 1 Sekunde, wenn die Sonotrode 200 während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
ortsfest ist.
-
Wird
die Sonotrode, beispielsweise eine Rollsonotrode, während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
bewegt, so beträgt die Geschwindigkeit, mit welcher die
Sonotrode relativ zu den zu fügenden Bauteilen längs
der Fügenaht bewegt wird, vorzugsweise ungefähr
0,3 mm/s bis ungefähr 10 mm/s.
-
Die
Dicke der miteinander zu verbindenden Bauteile (Gehäuseoberteil 106,
elektrochemische Zelle 108) an der Fügestelle
liegt bei jeweils höchstens 2 mm, vorzugsweise im Bereich
von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 1 mm.
-
Die
mittlere Rauhigkeit der einander zugewandten Fügeflächen 172 der
miteinander zu verbindenden Bauteile (Unterseite 166 des
Gehäuseoberteils 106; Oberseite 168 des
Elektrolyten 113 der elektrochemischen Zeile 108),
auch Mittenrauhwert genannt, liegt vorzugsweise bei mindestens 20
nm und ferner vorzugsweise bei höchstens ungefähr
20 μm.
-
Wenn
der Mittenrauhwert zu hoch liegt, insbesondere höher als
ungefähr 20 μm, erfolgt die Energieübertragung
von der Sonotrode 200 in die Verbindungsschicht 116 nur
punktuell über sogenannte ”hot spots”,
woraus ein starker Temperaturgradient resultiert. Dies kann zu veränderten
Spannungszuständen führen, wodurch ein Versagen
des Verbunds aus dem Gehäuseoberteil 106 und der
elektrochemischen Zelle 108, beispielsweise durch Delamination, hervorgerufen
werden kann.
-
Wenn
der Mittenrauhwert zu niedrig ist, beispielsweise unterhalb von
20 nm, können die parallel zur Fügezone ausgerichteten
Ultraschallschwingungen vorhandene Oxidschichten an der Stahloberfläche
des Gehäuseoberteils 106 weder einreißen
noch entfernen. Hierdurch kann eine Fügung zwischen den
miteinander zu verbindenden Bauteilen (Gehäuseoberteil 106,
elektrochemische Zelle 108) verhindert werden.
-
Der
Ultraschallfügevorgang wird bei Raumtemperatur in einer
Luftatmosphäre durchgeführt.
-
Die
durch den Ultraschallfügevorgang hergestellte, elektrisch
leitfähige Fügeverbindung zwischen dem Gehäuseoberteil 106 und
dem Elektrolyten 113 der elektrochemischen Zelle 108 ist
in 6 schematisch dargestellt.
-
Das
Zwischenelement 114 der Brennstoffzelleneinheit 102 wird
an seinem dem Gehäuseunterteil 112 zugewandten,
mit der Isolationsschicht 162 versehenen Seite ebenfalls
mittels eines duktilen Materials und durch einen Ultraschallfügevorgang
mit dem Gehäuseunterteil 112 an dessen dem Zwischenelement 114 zugewandter
Unterseite 174 verbunden.
-
Hierbei
können dieselben duktilen Materialien verwendet werden,
die vorstehend im Zusammenhang mit der Verbindung des Gehäuseoberteils 106 und
des Elektrolyten 113 der elektrochemischen Zelle 108 beschrieben
worden sind, und der Ultraschallfügevorgang kann unter
denselben Bedingungen und mit denselben Parametern erfolgen.
-
Das
für diese Verbindung benötigte duktile Material
kann als entsprechend zugeschnittene Folie zwischen die Isolationsschicht 162 an
dem Zwischenelement 114 und das Gehäuseunterteil 112 eingelegt
werden.
-
Alternativ
hierzu kann die Unterseite 174 des Gehäuseunterteils 112 mit
einer Beschichtung aus dem duktilen Material versehen werden.
-
Die
Beschichtung des Gehäuseunterteils 112 mit dem
duktilen Material kann beispielsweise galvanisch oder durch thermisches
Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) oder durch
Niederdruck-Plasma-Spritzen (”Low Pressure Plasma Spraying”;
LPPS), oder durch Plattieren des Gehäuseunterteils 112 mit
einer Schicht aus dem duktilen Material erfolgen.
-
Alternativ
oder ergänzend hierzu kann das duktile Material auch mittels
eines Dispensers in Form einer Materialraupe auf die Unterseite 174 des Gehäuseunterteils 174 und/oder
auf die Oberseite 178 der Isolationsschicht 162 aufgetragen
werden.
-
Ferner
ist es auch möglich, das duktile Material mittels eines
Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens,
auf die Unterseite 174 des Gehäuseunterteils 112 und/oder
auf die Oberseite 178 der Isolationsschicht 162 aufzubringen.
-
Das
duktile Material enthält vorzugsweise ein metallisches
Material. Besonders günstig ist es, wenn das duktile Material
vollständig aus einem oder mehreren metallischen Materialien,
d. h. aus einem oder mehreren Metallen und/oder aus einer oder mehreren
metallischen Legierungen, besteht.
-
Als
duktiles Material geeignet sind insbesondere metallische Materialien,
beispielsweise Silber oder Silber-Legierungen, Nickel oder Nickel-Legierungen,
Aluminium-Legierungen, Kupfer oder Kupfer-Legierungen, Kobalt oder
Kobalt-Legierungen, Eisen oder Eisen-Legierungen.
-
Eine
als duktiles Material geeignete Zusammensetzung enthält
beispielsweise 97 Gewichtsprozent Nickel und 3 Gewichtsprozent Aluminium.
-
Diese
Zusammensetzung wird vorzugsweise galvanisch oder durch thermisches
Spritzen an der Unterseite 174 des Gehäuseunterteils 112 abgeschieden,
wie dies schematisch in 4 links oben dargestellt ist.
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Zur
Herstellung der Verbindung zwischen dem Zwischenelement 114 und
dem Gehäuseunterteil 112 mittels einer Verbindungsschicht 116' aus dem
duktilen Material wird ein Ultraschallfügevorgang durchgeführt.
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Für
diesen Ultraschallfügevorgang wird eine Sonotrode 200 auf
die dem duktilen Material abgewandte Oberseite 180 des
Gehäuseunterteils 112 aufgesetzt, während
die Unterseite 182 des Zwischenelements 114 auf
einem Amboss 202 ruht, wie dies in 5 schematisch
dargestellt ist.
-
Das
Gehäuseunterteil 174 und das Zwischenelement 114 mit
der Isolationsschicht 162 werden durch die Sonotrode 200 mit
einer Fügekraft im Bereich von ungefähr 1 MPa
bis ungefähr 100 MPa, vorzugsweise im Bereich von ungefähr
2 MPa bis ungefähr 50 MPa, gegen den Amboss 202 gepresst.
-
Während
des Ultraschallfügevorgangs wird die Sonotrode 200 mittels
des Ultraschallschwingungsüberträgers 204 in
parallel zu den Fügeflächen 172' zwischen
dem Gehäuseunterteil 112 und dem Zwischenelement 114 (Unterseite 174 des
Gehäuseunterteils 112 und Oberseite 178 der
Isolationsschicht 162) gerichtete Ultraschallschwingungen
versetzt.
-
Die
verwendeten Ultraschallschwingungen weisen eine Frequenz von ungefähr
10 kHz bis ungefähr 120 kHz, vorzugsweise im Bereich von
ungefähr 20 kHz bis ungefähr 40 kHz, auf.
-
Die
Amplitude der Ultraschallschwingungen der Sonotrode 200 beträgt
ungefähr 1 μm bis ungefähr 100 μm,
vorzugsweise ungefähr 5 μm bis ungefähr
40 μm.
-
Die
Fügezeit, während welcher die zu fügenden
Bauteile durch die Sonotrode 200 mit der Ultraschallschwingung
beaufschlagt werden, beträgt ungefähr 0,1 Sekunden
bis ungefähr 3 Sekunden, vorzugsweise ungefähr
0,1 Sekunden bis ungefähr 1 Sekunde, wenn die Sonotrode 200 während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
ortsfest ist.
-
Wird
die Sonotrode, beispielsweise eine Rollsonotrode, während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
bewegt, so beträgt die Geschwindigkeit, mit welcher die
Sonotrode relativ zu den zu fügenden Bauteilen längs
der Fügenaht bewegt wird, vorzugsweise ungefähr
0,3 mm/s bis ungefähr 10 mm/s.
-
Die
Dicke der miteinander zu verbindenden Bauteile (Gehäuseunterteil 112,
Zwischenelement 114 mit Isolationsschicht 162)
an der Fügestelle liegt jeweils bei höchstens
2 mm, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,1 mm bis ungefähr
1 mm.
-
Die
mittlere Rauhigkeit der einander zugewandten Fügeflächen 172' der
miteinander zu verbindenden Bauteile (Unterseite 174 des
Gehäuseunterteils 112; Oberseite 178 der
Isolationsschicht 162 an dem Zwischenelement 114),
auch Mittenrauhwert genannt, liegt vorzugsweise bei mindestens 20
nm und ferner vorzugsweise bei höchstens ungefähr
20 μm.
-
Der
Ultraschallfügevorgang wird bei Raumtemperatur in einer
Luftatmosphäre durchgeführt.
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Die
durch den Ultraschallfügevorgang hergestellte, aufgrund
des Vorhandenseins der Isolationsschicht 162 bei der Betriebstemperatur
der Brennstoffzelleneinheit 102 elektrisch isolierende
Fügeverbindung zwischen dem Gehäuseunterteil 112 und dem
Zwischenelement 114 ist in 4 unten
schematisch dargestellt.
-
Nach
diesem Verfahrensschritt ist der in 2 dargestellte
Zustand erreicht, in dem ein mit der elektrochemischen Zelle 108 verbundenes
Gehäuseoberteil 106, ein mit dem Zwischenelement 114 verbundenes
Gehäuseunterteil 112 und das Kontaktmaterial 110 vorliegen.
-
Das
Kontaktmaterial 110, beispielsweise ein Nickelnetz, wird
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 inneren
Rändern der Ringflansche des Gehäuseunterteils 112 und
der Ränder der Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 bzw.
der Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des
Gehäuseoberteils 106 umlaufen, gasdicht miteinander
verschweißt.
-
Nun
liegen fertig montierte Brennstoffzelleneinheiten 102 vor,
welche nur noch miteinander verbunden werden müssen, um
aus einer Mehrzahl von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 einen
Brennstoffzellenstapel 100 zu bilden.
-
Dabei
werden die Kontaktelemente 139 des Kontaktfeldes 138 eines
Gehäuseunterteils 112 (auch als Interkonnektor
bezeichnet) ebenfalls mittels eines duktilen Materials und durch
einen Ultraschallfügevorgang mit der Kathode 115 einer
in der Stapelrichtung 104 unter dem Gehäuseunterteil 112 angeordneten
weiteren Brennstoffzelleneinheit 102 verbunden, wie dies
schematisch in 7 dargestellt ist.
-
Hierbei
können dieselben Lötmaterialien verwendet werden,
die vorstehend im Zusammenhang mit der Herstellung der Fügeverbindung
zwischen dem Elektrolyten 113 der elektrochemischen Zelle 108 und
dem Gehäuseoberteil 106 beschrieben worden sind,
und der Ultraschallfügevorgang kann unter denselben Bedingungen
und mit denselben Parametern erfolgen.
-
Das
für diese Verbindung zwischen den Kontaktelementen 139 des
Gehäuseunterteils 112 und der Kathode 115 benötigte
duktile Material kann als entsprechend zugeschnittene Folie zwischen
die Kontaktelemente 139 und die Kathode 115 eingelegt werden.
-
Alternativ
hierzu kann die Unterseite des Kontaktfeldes 138 als Ganzes
oder zumindest die Unterseite 184 der Kontaktelemente 139 des
Kontaktfeldes 138 mit einer Beschichtung 116'' aus
dem duktilen Material versehen werden (siehe 7).
-
Die
Beschichtung des Kontaktfeldes 138 oder der Kontaktelemente 139 mit
dem duktilen Material kann beispielsweise galvanisch oder durch thermisches
Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasma-Spritzen (VPS) oder durch
Niederdruck-Plasma-Spritzen (”Low Pressure Plasma Spraying”;
LPPS), oder durch Plattieren des Kontaktfeldes 138 mit
einer Schicht aus dem duktilen Material erfolgen.
-
Alternativ
oder ergänzend hierzu kann das duktile Material auch mittels
eines Dispensers in Form einer Materialraupe auf die Unterseite 184 der Kontaktelemente 139 oder
des ganzen Kontaktfeldes 138 und/oder auf die Oberseite 186 der
Kathode 115 aufgetragen werden.
-
Ferner
ist es auch möglich, das duktile Material mittels eines
Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens,
auf die Unterseite 184 der Kontaktelemente 139 oder
des ganzen Kontaktfeldes 138 und/oder auf die Oberseite 186 der Kathode 115 aufzubringen.
-
Das
duktile Material enthält vorzugsweise ein metallisches
Material. Besonders günstig ist es, wenn das duktile Material
vollständig aus einem oder mehreren metallischen Materialien,
d. h. aus einem oder mehreren Metallen und/oder aus einer oder mehreren
metallischen Legierungen, besteht.
-
Als
duktiles Material geeignet sind insbesondere metallische Materialien,
beispielsweise Silber oder Silber-Legierungen, Nickel oder Nickel-Legierungen,
Aluminium-Legierungen, Kupfer oder Kupfer-Legierungen, Kobalt oder
Kobalt-Legierungen.
-
Eine
als duktiles Material geeignete Zusammensetzung enthält
beispielsweise 97 Gewichtsprozent Nickel und 3 Gewichtsprozent Aluminium.
-
Diese
Zusammensetzung wird vorzugsweise galvanisch oder durch thermisches
Spritzen an der Unterseite 184 der Kontaktelemente 139 oder
des ganzen Kontaktfeldes 138 des Gehäuseunterteils 112 abgeschieden.
-
Zur
Herstellung der Verbindung zwischen den Kontaktelementen 139 und
der Kathode 115 mittels einer Verbindungsschicht 116'' aus
dem duktilen Material wird ein Ultraschallfügevorgang durchgeführt.
-
Für
diesen Ultraschallfügevorgang wird eine Sonotrode 200 der
in 5 schematisch dargestellten Art auf die dem duktilen
Material abgewandte Oberseite 180 des Gehäuseunterteils 112 aufgesetzt,
während die Unterseite der elektrochemischen Zelle 108 auf
einem Amboss 202 der in 5 schematisch
dargestellten Art ruht.
-
Das
Gehäuseunterteil 112 und die elektrochemische
Zelle 108 werden durch die Sonotrode 200 mit einer
Fügekraft im Bereich von ungefähr 1 MPa bis ungefähr
100 MPa, vorzugsweise im Bereich von ungefähr 2 MPa bis
ungefähr 50 MPa, gegen den Amboss 202 gepresst.
-
Während
des Ultraschallfügevorgangs wird die Sonotrode 200 mittels
eines Ultraschallschwingungsüberträgers 204 der
in 5 schematisch dargestellten Art in parallel zu
den Fügeflächen 172'' zwischen den Kontaktelementen 139 und
der Kathode 115 (Unterseite 184 der Kontaktelemente 139 und Oberseite 186 der
Kathode 115) gerichtete Ultraschallschwingungen versetzt.
-
Die
verwendeten Ultraschallschwingungen weisen eine Frequenz von ungefähr
10 kHz bis ungefähr 120 kHz, vorzugsweise im Bereich von
ungefähr 20 kHz bis ungefähr 40 kHz, auf.
-
Die
Amplitude der Ultraschallschwingungen der Sonotrode 200 beträgt
ungefähr 1 μm bis ungefähr 100 μm,
vorzugsweise ungefähr 5 μm bis ungefähr
40 μm.
-
Die
Fügezeit, während welcher die zu fügenden
Bauteile durch die Sonotrode 200 mit der Ultraschallschwingung
beaufschlagt werden, beträgt ungefähr 0,1 Sekunden
bis ungefähr 3 Sekunden, vorzugsweise ungefähr
0,1 Sekunden bis ungefähr 1 Sekunde, wenn die Sonotrode 200 während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
ortsfest ist.
-
Wird
die Sonotrode, beispielsweise eine Rollsonotrode, während
der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen
bewegt, so beträgt die Geschwindigkeit, mit welcher die
Sonotrode relativ zu den zu fügenden Bauteilen längs
der Fügenaht bewegt wird, vorzugsweise ungefähr
0,3 mm/s bis ungefähr 10 mm/s.
-
Die
Dicke der miteinander zu verbindenden Bauteile (Gehäuseunterteil
112 im Bereich des Kontaktfeldes 138, elektrochemische
Zelle 108) an der Fügestelle liegt jeweils bei
höchstens 2 mm, vorzugsweise im Bereich von ungefähr
0,1 mm bis ungefähr 1 mm.
-
Die
mittlere Rauhigkeit der einander zugewandten Fügeflächen 172'' der
miteinander zu verbindenden Bauteile (Unterseite 184 der
Kontaktelemente 139; Oberseite 186 der Kathode 115 der
elektrochemischen Zelle 108), auch Mittenrauhwert genannt,
liegt vorzugsweise bei mindestens 20 nm und ferner vorzugsweise
bei höchstens ungefähr 20 μm.
-
Der
Ultraschallfügevorgang wird bei Raumtemperatur in einer
Luftatmosphäre durchgeführt.
-
Die
durch den Ultraschallfügevorgang hergestellte, elektrisch
leitfähige Fügeverbindung zwischen dem Kontaktfeld 138 des
Gehäuseunterteils 112 und der Kathode 115 der
elektrochemischen Zelle 108 ist in 7 schematisch
dargestellt.
-
Grundsätzlich
ist denkbar, außer der Fügeverbindung zwischen
der Kathode 115 eine elektrochemischen Zelle 108 mit
den Kontaktelementen 139 eines kathodenseitig angeordneten
Interkonnektors auch das Substrat 109 oder (unter Fortlassung
des Substrats 109) direkt die Anode 111 der elektrochemischen
Zelle 108 mit dem Kontaktfeld 138 eines anodenseitig
angeordneten Interkonnektors zu verbinden, wie dies schematisch
in 8 dargestellt ist.
-
Hierbei
können dieselben duktilen Materialien verwendet werden,
die vorstehend im Zusammenhang mit der Herstellung der Fügeverbindung zwischen
dem Elektrolyten 113 der elektrochemischen Zelle 108 und
dem Gehäuseoberteil 106 beschrieben worden sind,
und der Ultraschallfügevorgang kann unter denselben Bedingungen
und mit denselben Parametern erfolgen.
-
Außer
durch die Herstellung der Fügeverbindung zwischen dem Gehäuseunterteil 112 und
der Kathode 115 zweier in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender
Brennstoffzelleneinheiten 102 werden diese Brennstoffzelleneinheiten
auch durch eine Fügeverbindung zwischen dem Zwischenelement 114 der
oberen Brennstoffzelleneinheit 102 und dem Gehäuseoberteil 106 der
darunterliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 miteinander
verbunden.
-
Zur
Herstellung dieser Verbindung zwischen den Brennstoffzelleneinheiten
wird das Zwischenelement 114 der oberen Brennstoffzelleneinheit 102 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 um 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 102 miteinander
verbunden worden sind, kann der Brennstoffzellenstapel 100 durch
sukzessives Anfügen weiterer Brennstoffzelleneinheiten 102 in
der Stapelrichtung 104 bis zu der gewünschten
Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 102 nach und nach
aufgebaut werden.
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Dabei
sind die durch jeweils ein Gehäuseoberteil 106,
ein Gehäuseunterteil 112 und ein Zwischenelement 114 gebildeten
Gehäuse von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden
Brennstoffzelleneinheiten 102 durch die Isolierschichten 162 an der
Oberseite der Zwischenelemente 114 (und, falls vorhanden,
durch zusätzliche Isolierschichten an der Unterseite der
Gehäuseunterteile 112) elektrisch voneinander
isoliert.
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Dabei
ist durch die Verbindung der Zwischenelemente 114 mit den
Gehäuseunterteilen 112 durch die zweiten Verbindungsschichten 116' zugleich
eine gasdichte Verbindung zwischen diesen Bauelementen gewährleistet,
so dass die Oxidationsmittelräume 130 und die
Brenngasräume der Brennstoffzelleneinheiten 102 voneinander
und von der Umgebung des Brennstoffzellenstapels 100 gasdicht getrennt
sind.
-
Ferner
ist durch die dritten Verbindungsschichten 116'' eine elektrisch
gut leitfähige Verbindung zwischen jeweils einer Kathode 115 einer Brennstoffzelleneinheit 102 und
einem Interkonnektor (Gehäuseunterteil 112) einer
in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden weiteren
Brennstoffzelleneinheit 102 gewährleistet.
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Die
elektrochemischen Zellen 108 sind durch die ersten Verbindungsschichten 116,
welche zwischen jeweils einem Elektrolyten 113 einer elektrochemischen
Zelle 108 und dem benachbarten Gehäuseoberteil 106 angeordnet
sind, mechanisch fest und gasdicht mit dem jeweils zugeordneten
Gehäuseoberteil 106 verbunden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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nach UNS [0068]