DE102009008988B4

DE102009008988B4 - Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrochemischen Zelle und Baugruppe mit Gehäuseteil und elektrochemischer Zelle

Info

Publication number: DE102009008988B4
Application number: DE102009008988.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kiefer Thomas; Dr. Maier Uwe; Axel Langjahr; Hermann Grünling
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2009-02-14
Filing date: 2009-02-14
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2029-02-15
Also published as: DE102009008988A1

Abstract

Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit (102) mit einer elektrochemischen Zelle (108) der Brennstoffzelleneinheit (120), umfassend folgende Verfahrensschritte: – Anordnen eines duktilen Materials an dem Gehäuseteil und/oder an der elektrochemischen Zelle (108) und/oder zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle (108); und – Verbinden des Gehäuseteils und der elektrochemischen Zelle (108) mittels des duktilen Materials durch einen Ultraschallfügevorgang, um eine Verbindungsschicht (116) aus dem duktilen Material, durch welche das Gehäuseteil und die elektrochemische Zelle (108) miteinander verbunden sind, zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrochemischen Zelle der Brennstoffzelleneinheit.
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.
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.
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.
Dabei besteht die Kathode aus einer Oxidkeramik (beispielsweise (La_0,8Sr_0,2)_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.
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.
Die DE 10 2005 045 053 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrochemischen Zelle der Brennstoffzelleneinheit, bei dem eine Lötfolie zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle angeordnet wird und das Gehäuseteil und die elektrochemische Zelle mittels der Lötfolie durch einen Lötvorgang miteinander verbunden werden.
Die WO 2008/021102 A2 offenbart eine Verbindung zwischen einem Rahmen und einer Strömungsfeldplatte eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Rahmen aus einem beliebigen Material gebildet und mit der Strömungsfeldplatte durch einen Fügeprozess verbunden werden kann.
Die DE 197 05 468 A1 offenbart eine Verbindung zwischen einer Membran und einer Elektrode einer Brennstoffzelleneinheit, wobei die Membran und die Elektrode durch einen Ultraschallschweißvorgang unmittelbar miteinander verbunden werden.
Die US 2006/0019129 A1 offenbart eine Verbindung zwischen einer Rahmenplatte aus einem Kunststoffmaterial und einer Strömungsfeldplatte aus einem Kunststoffmaterial mittels Ultraschallschweißens.
Die KR 10 0 817 858 B1 offenbart die Herstellung einer dichten stoffschlüssigen Verbindung zwischen zwei metallischen Platten einer Bipolarplattenanordnung oder zwischen einer dieser Platten und einer Polymer-Dichtung durch einen Ultraschallschweißvorgang.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit mit einer elektrochemischen Zelle der Brennstoffzelleneinheit gelöst, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Anordnen 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, um eine Verbindungsschicht aus dem duktilen Material, durch welche das Gehäuseteil und die elektrochemische Zelle miteinander verbunden sind, zu bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, beispielsweise eine oxidkeramische Brennstoffzelle mittels eines Ultraschallfügeprozesses in ein Gehäuseoberteil einer Brennstoffzelleneinheit einzulöten.
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.
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.
Alternativ hierzu können auch Lotzusammensetzungen, welche Edelmetall enthalten, verwendet werden.
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.
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.
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.
Als Elektrolyt kann beispielsweise ein Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (z. B. 8YSZ) oder ein Scandium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (z. B. 6ScSZ) verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Gehäuseteil mit der Kathodenseite des Elektrolyten verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ultraschallfügevorgang mittels einer Sonotrode durchgeführt wird.
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.
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.
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.
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.
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.
Bei langen Fügenähten kann auch vorgesehen sein, dass die Sonotrode während der Fügezeit relativ zu den zu fügenden Bauteilen längs einer Fügenaht bewegt wird.
Insbesondere kann eine Rollsonotrode verwendet werden, die längs der Fügenaht bewegt wird.
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.
Die mittlere Oberflächenrauhigkeit (auch als Mittenrauhwert bezeichnet) der durch den Ultraschallfügevorgang miteinander zu verbindenden Bauteil-Fügeflächen beträgt vorzugsweise höchstens ungefähr 20 μm.
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.
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.
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.
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.
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 besonders geeignet sind metallische Materialien.
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.
Die genannten metallischen Materialien weisen eine besonders hohe Duktilität auf.
Als duktiles Material kann ferner eine Kombination aus mindestens zwei der vorstehend genannten Materialien verwendet werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Baugruppe, die ein Gehäuseteil und eine elektrochemische Zelle einer Brennstoffzelleneinheit umfasst.
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.
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.
Vorzugsweise ist die Verbindungsschicht sowohl mit der Fügefläche der elektrochemischen Zelle als auch mit der Fügefläche des Gehäuseteils durch einen Ultraschallfügevorgang verbunden.
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.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung der Elemente einer Brennstoffzelleneinheit;
2 eine schematische 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;
3 einen schematischen vertikalen Querschnitt durch eine Dichtungsanordnung, mittels welcher ein keramikbeschichtetes Zwischenelement mit einem Gehäuseunterteil verbunden worden ist;
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Dichtungsanordnung aus 3;
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;
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;
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
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.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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.
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.
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.
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.
Auf der einen Seite der Durchtrittsöffnung 120 ist das Gehäuseoberteil 106 mit mehreren, beispielsweise drei, Brenngaszuführöffnungen 122 versehen, welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise vier, Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 angeordnet sind.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Durchtrittsöffnung 120 ist das Gehäuseoberteil 106 mit mehreren, beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 126 versehen, die im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 128 angeordnet sind.
Das Gehäuseoberteil 106 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Legierung Crofer22APU, hergestellt.
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.
Der Stahl mit der Bezeichnung Crofer22APU hat die Werkstoffbezeichnungen 1.4760 nach EN und S44535 nach UNS.
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.
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.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 113 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt, insbesondere als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Kathode 115 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und porös, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode angrenzenden Oxidationsmittelraum 130 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 113 zu ermöglichen.
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.
Das Substrat 109 kann beispielsweise als ein aus gesinterten Metallpartikeln bestehender poröser Sinterkörper ausgebildet sein.
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.
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).
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).
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.
Auf der anderen Seite des Kontaktfeldes 138 ist die Platte 132 mit mehreren, beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 144 versehen, welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 146 angeordnet sind.
Die Brenngasabführöffnungen 144 und die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 des Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngasabführöffnungen 126 bzw. mit den Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des Gehäuseoberteils 106.
Die Oxidationsabführöffnungen 146 liegen vorzugsweise den Brenngaszuführöffnungen 140 gegenüber, und die Brenngasabführöffnungen 144 liegen vorzugsweise den Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 gegenüber.
Die Brenngaszuführöffnungen 140 und die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 des Gehäuseunterteils 112 fluchten mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw. mit den Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 des Gehäuseoberteils 106.
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.
Das Gehäuseunterteil 112 ist vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der vorstehend bereits genannten Legierung Crofer22APU, hergestellt.
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.
Die Brenngaszuführöffnungen 156 und die Brenngasabführöffnungen 158 des Zwischenelements 114 fluchten mit den Brenngaszuführöffnungen 140 bzw. den Brenngasabführöffnungen 144 des Gehäuseunterteils 112 sowie mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw. mit den Brenngasabführöffnungen 126 des Gehäuseoberteils 106.
Das Zwischenelement 114 ist aus einem im Wesentlichen ebenen Blech durch Ausstanzen der Brenngaszuführöffnungen 156 und der Brenngasabführöffnungen 158 sowie einer mittigen Durchtrittsöffnung 160 hergestellt.
Als Material für das Zwischenelement 114 wird vorzugsweise ein hochkorrosionsbeständiger Stahl, beispielsweise die bereits vorstehend genannte Legierung Crofer22APU, verwendet.
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.
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.
Die Isolationsschicht 162 kann beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgebracht werden.
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).
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).

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.
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.
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).
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.
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).
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.
Alternativ hierzu kann die Unterseite 166 des Gehäuseoberteils 106 mit einer Beschichtung aus dem duktilen Material versehen werden.
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.
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.
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.
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.
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.

Als duktiles Material kann ferner eine Kombination aus mindestens zwei der vorstehend genannten Materialien verwendet werden.
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.
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.
Eine als duktiles Material geeignete Zusammensetzung enthält beispielsweise 97 Gewichtsprozent Nickel und 3 Gewichtsprozent Aluminium.
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 Zelle 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.
Zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Zwischenelement 114 und dem Gehäuseunterteil 112 mittels einer Verbindungsschicht 116' aus dem duktilen Material wird ein Ultraschallfügevorgang durchgeführt.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Gehäuseteils einer Brennstoffzelleneinheit (102) mit einer elektrochemischen Zelle (108) der Brennstoffzelleneinheit (120), umfassend folgende Verfahrensschritte: – Anordnen eines duktilen Materials an dem Gehäuseteil und/oder an der elektrochemischen Zelle (108) und/oder zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle (108); und – Verbinden des Gehäuseteils und der elektrochemischen Zelle (108) mittels des duktilen Materials durch einen Ultraschallfügevorgang, um eine Verbindungsschicht (116) aus dem duktilen Material, durch welche das Gehäuseteil und die elektrochemische Zelle (108) miteinander verbunden sind, zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil über das duktile Material mit einem Elektrolyten (113) der elektrochemischen Zelle (108) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil mit der Kathodenseite des Elektrolyten (113) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang mittels einer Sonotrode (200) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang mit Ultraschall bei einer Frequenz von 10 kHz bis 120 kHz durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang bei einer Ultraschallschwingungsamplitude von 1 μm bis 100 μm durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang bei einer mechanischen Fügespannung von 1 MPa bis 100 MPa durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang mittels einer Sonotrode (200) durchgeführt wird, die während des Ultraschallfügevorgangs mit einer Geschwindigkeit von 0,3 mm/s bis 10 mm/s relativ zu dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle (108) längs einer Fügenaht bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Oberflächenrauhigkeit der durch den Ultraschallfügevorgang miteinander zu verbindenden Fügeflächen (172) des Gehäuseteils und der elektrochemischen Zelle (108) höchstens 20 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Oberflächenrauhigkeit der durch den Ultraschallfügevorgang miteinander zu verbindenden Fügeflächen (172) des Gehäuseteils und der elektrochemischen Zelle (108) mindestens 20 nm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallfügevorgang ohne vorherige Erwärmung des Gehäuseteils und der elektrochemischen Zelle (108) und/oder des duktilen Materials durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das duktile Material mittels eines Musterdruckverfahrens, mittels eines Dispensers, durch galvanisches Beschichten, durch thermisches Spritzen und/oder durch Plattieren auf das Gehäuseteil und/oder auf die elektrochemische Zelle (108) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie aus dem duktilen Material vor dem Ultraschallfügevorgang zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle (108) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtverbundfolie aus mindestens zwei verschiedenen duktilen Materialien vor dem Ultraschallfügevorgang zwischen dem Gehäuseteil und der elektrochemischen Zelle (108) angeordnet wird.
Baugruppe, umfassend ein Gehäuseteil und eine elektrochemische Zelle (108) einer Brennstoffzelleneinheit (102) und eine Verbindungsschicht (116) aus einem duktilen Material, durch welche das Gehäuseteil und die elektrochemische Zelle (108) miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsschicht (116) mit einer Fügefläche (172) der elektrochemischen Zelle (108) und/oder mit einer Fügefläche (172) des Gehäuseteils durch einen Ultraschallfügevorgang verbunden ist.