DE102011051440A1

DE102011051440A1 - Inter-connector manufacturing method for high temperature fuel cell, involves attaching pin-shaped contact member on inter-connector base element directly or indirectly by welding process, where contact member is connected with spring

Info

Publication number: DE102011051440A1
Application number: DE102011051440A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Reisgen Uwe; Dr. Ringel Helmut
Original assignee: Innovations und Informationszentrum Schneiden und Fuegen E V; Innovations- und Informationszentrum Schneiden und Fuegen Ev
Current assignee: Innovations und Informationszentrum Schneiden und Fuegen E V; Innovations- und Informationszentrum Schneiden und Fuegen Ev
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-05-10

Abstract

The method involves attaching a pin-shaped contact member (7) on an inter-connector base element (8) directly or indirectly by welding process, where the contact member is connected with a spring. A side of the inter-connector base element is in contact with a cathode (1), where the inter-connector base element is manufactured from a high temperature alloy that consists of aluminum oxide. The pin-shaped contact member is provided with an idle surface from a chrome iron material to form a non-electrical insulating layer with determined operating temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Interkonnektors für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Interkonnektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 sowie eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.The invention relates to a method for producing an interconnector for a high temperature fuel cell according to the preamble of claim 1, an interconnector according to the preamble of claim 3 and a high temperature fuel cell.

Eine Brennstoffzelle umfasst eine Kathode, eine Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Elektrolyten. Der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff, zugeführt, während die Kathode mit einem Oxidationsmittel, z. B. Luft, in Kontakt steht. Je nach Brennstoffzellentyp treten Protonen oder Ionen durch den Elektrolyten, um die Brennstoffzellenreaktion zu ermöglichen. Bei einer Hochtemperatur werden in der Regel an der Kathode Sauerstoffionen erzeugt, die durch den Elektrolyten hindurch treten und mit dem Brennstoff reagieren. Bei dieser chemischen Reaktion werden Elektronen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt. Zur Erzielung verwertbarer Leistungen ist es in der Regel notwendig, mehrere Brennstoffzellen über Interkonnektoren in einer Serienschaltung elektrisch miteinander zu verbinden, wodurch so genannte Brennstoffzellenstapel entstehen.A fuel cell includes a cathode, an anode, and an electrolyte disposed between the cathode and the anode. The anode becomes a fuel, e.g. As hydrogen, fed while the cathode with an oxidizing agent, for. As air, in contact. Depending on the fuel cell type, protons or ions pass through the electrolyte to facilitate the fuel cell reaction. At a high temperature, oxygen ions are usually generated at the cathode, which pass through the electrolyte and react with the fuel. In this chemical reaction, electrons are released, generating electrical energy. In order to achieve utilizable services, it is usually necessary to electrically connect a plurality of fuel cells via interconnectors in a series connection, whereby so-called fuel cell stacks are produced.

Ein Brennstoffzellenstapel ist z. B. aus der DE 10 2005 005 117 B4 bekannt. Dort weist der Interkonnektor auf der der Kathode zugewandten Seite gefräste Nuten auf, durch die der Betriebsstoff, in diesem Fall das Oxidationsmittel, strömen kann. Die Stege zwischen den Nuten dienen zur elektrischen Kontaktierung der Kathode. Der Interkonnektor muss zum einen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, zum anderen aber bei den hohen Betriebstemperaturen resistent gegenüber dem Oxidationsmittel sein. Aus der DE 10 2005 005 117 B4 ist die Verwendung von Crofer 22, eine Stahllegierung mit 22% Chrom, bekannt, bei der bei hohen Temperaturen eine Chromoxidschutzschicht ausgebildet ist und die zum anderen ausreichend leitfähig sein soll.A fuel cell stack is z. B. from the DE 10 2005 005 117 B4 known. There, the interconnector on the side facing the cathode on milled grooves through which the fuel, in this case the oxidizing agent, can flow. The webs between the grooves serve for electrical contacting of the cathode. On the one hand, the interconnector must have sufficient electrical conductivity, but on the other hand, it must be resistant to the oxidizing agent at the high operating temperatures. From the DE 10 2005 005 117 B4 The use of Crofer 22, a steel alloy with 22% chromium, is known in which at high temperatures a chromium oxide protective layer is formed and the other should be sufficiently conductive.

Auf der Anodenseite kann der elektrische Kontakt beispielsweise mit einem grobmaschigen Netz, z. B. aus Nickel hergestellt werden, welches die Durchströmung mit dem Brennstoff erlaubt.On the anode side of the electrical contact, for example, with a coarse mesh, z. B. made of nickel, which allows the flow through the fuel.

Die Ausbildung von Nuten und Stegen auf der Kathodenseite hat den Nachteil, dass die Herstellung des Interkonnektors spanend und somit mit erheblichem Materialverlust durchgeführt werden muss. Des Weiteren wird die Durchströmung der Nuten mit dem Oxidationsmittel naturgemäß nur entlang der Nuten verlaufen, so dass ein Oxidationsmittelaustausch zwischen den Nuten und damit ein Ausgleich zwischen möglicherweise mit ungleichen Oxidationsmittelmengen durchströmten Nuten nicht möglich ist.The formation of grooves and webs on the cathode side has the disadvantage that the production of the interconnector must be carried out by machining and thus with considerable material loss. Furthermore, the flow of the grooves with the oxidant will naturally only run along the grooves, so that an exchange of oxidant between the grooves and thus a compensation between possibly not flowed with unequal amounts of oxidants grooves is not possible.

Aus der DE 100 02 780 A1 ist ein Interkonnektor für eine Brennstoffzelle bekannt, bei dem auf einem Grundelement mehrere Streifen aus gewellten Blechfolien in Strömungsrichtung mit Abstand und versetzt zueinander angeordnet sind. Die Blechfolien sind mit Punktschweißen am Grundelement fixiert und bilden zum einen Kanäle für die Durchströmung mit dem jeweiligen Betriebsstoff und zum anderen eine Kontaktierung zur Anode bzw. zur Kathode. Die versetzte und beabstandete Anordnung der Wellbleche begünstigen die Verteilung von unverbrauchtem Betriebsmittel über die Elektrodenfläche. Über die in Strömungsrichtung gegebene Blechbreite gesehen, ist aber weiterhin kein Austausch zwischen den Strömungskanälen möglich. Die Verwendung von ausgedehnten Blechfolien kann zudem zu einer ungleichmäßigen Qualität der elektrischen Kontaktierung zwischen Interkonnektor und Elektrode führen.From the DE 100 02 780 A1 is an interconnector for a fuel cell is known in which a plurality of strips of corrugated metal foils are arranged in the flow direction at a distance and offset from one another on a base element. The metal foils are fixed with spot welding on the base element and form on the one hand channels for the flow with the respective fuel and on the other hand a contact to the anode or to the cathode. The staggered and spaced arrangement of the corrugated sheets favor the distribution of unused equipment over the electrode surface. Seen over the sheet width given in the direction of flow, but still no exchange between the flow channels is possible. The use of expanded metal foils can also lead to a non-uniform quality of electrical contact between interconnector and electrode.

Aus der DE 44 43 688 C1 ist ein Interkonnektor für Brennstoffzellen bekannt, der durch einen einzigen integralen dünnen Blechkörper gebildet ist, der eine Vielzahl von der Anode zugewandten und Anlagenflächen für die Anode bildenden und durch Zwischenräume voneinander beabstandeten ersten erhabenen Bereichen und eine Vielzahl von der Kathode zugewandten und Anlagenflächen für die Kathode bildenden und durch Zwischenräume voneinander beabstandeten zweiten erhabenen Bereichen aufweist. Ein solcher Interkonnektor ist aufwendig in der Herstellung und weist eine nur geringe mechanische Stabilität auf.From the DE 44 43 688 C1 For example, there is known a fuel cell interconnector formed by a single integral sheet metal body having a plurality of anode facing and anode facing and spaced apart first raised regions and a plurality of cathode facing and cathode deposition surfaces having forming and spaced by gaps from each other second raised areas. Such an interconnector is expensive to produce and has only low mechanical stability.

Aus der EP 1 287 572 B1 sind ein Verfahren und ein Interkonnektor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Interkonnektorgrundelement eine Platte mit Öffnungen ist und die Kontaktelemente stiftförmig sind. Die Kontaktelemente erstrecken sich durch die Öffnungen im Interkonnektorgrundelement hindurch, wobei die gasdichte Verbindung zwischen Kontaktelement und dem Interkonnektorgrundelement z. B. durch eine Stauchung der Kontaktelemente hergestellt werden kann. Alternativ wird vorgeschlagen, die Öffnungen im Interkonnektorgrundelement mittels eines Lötverfahrens gasdicht zu verschließen.From the EP 1 287 572 B1 are known a method and an interconnector of the type mentioned, in which the interconnector base is a plate with openings and the contact elements are pin-shaped. The contact elements extend through the openings in the interconnector base element, whereby the gas-tight connection between the contact element and the interconnector base element z. B. can be made by a compression of the contact elements. Alternatively, it is proposed to close the openings in the interconnector base element by means of a soldering gas-tight.

Die Öffnungen im Interkonnektorgrundelement stellen einen Risikofaktor dar, da eine gasdurchlässige Verbindung zwischen den beiden Seiten des Interkonnektors unbedingt vermieden werden muss. Zudem sind die Vorbereitung des Interkonnektorgrundelements sowie die Anbringung der Kontaktelemente aufwendig.The openings in the interconnector base element represent a risk factor, since a gas-permeable connection between the two sides of the interconnector must be avoided at all costs. In addition, the preparation of the interconnector base element and the attachment of the contact elements are expensive.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie einen Interkonnektor und eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung auf der Kathodenseite vorteilhaft ist und zudem leichte Variationen im Aufbau in Hinblick auf die Optimierung der Strömung des Oxidationsmittels erlauben.It is an object of the present invention to provide a method and an interconnector and a high-temperature fuel cell of the type mentioned above, with respect to the electrical contact on the Cathode side is advantageous and also allow slight variations in the structure in terms of optimizing the flow of the oxidant.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei einem Interkonnektor der eingangs genannten Art wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird die vorgenannte Aufgabe durch den erfindungsgemäßen Interkonnektor gelöst.In a method of the type mentioned, this object is achieved with the characterizing features of claim 1. In an interconnector of the type mentioned, the object is achieved by the characterizing features of claim 3. In a high-temperature fuel cell, the aforementioned object is achieved by the interconnector according to the invention.

Die Unteransprüche 2 sowie 4 bis 13 betreffen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Interkonnektors.The dependent claims 2 and 4 to 13 relate to advantageous embodiments of the method according to the invention or of the interconnector according to the invention.

Werden die stiftförmigen Kontaktelemente durch Schweißen, vorzugsweise allein durch Schweißen, am Interkonnektorgrundelement angebracht, ist aufgrund des Stoffschlusses eine effektive und zuverlässige Fixierung gegeben. Insbesondere erlaubt diese Fixierungsart grundsätzliche eine beliebige Verteilung der stiftförmigen Kontaktelemente auf dem Interkonnektorgrundelement. Durch besondere Anordnungen der Kontaktelemente zueinander kann der daran vorbei strömende Betriebsstoff in seiner Strömung optimiert werden. Weder die Struktur der Kontaktelemente noch die des Interkonnektorgrundelements bringen in dieser Hinsicht bei der Schweißkontaktierung wesentliche Restriktionen mit sich. Die Interkonnektorgrundplatte braucht auch nicht an den für die Anbringung der Kontaktelemente vorgesehenen Stellen vorbereitet, z. B. gelocht, zu werden.If the pin-shaped contact elements are attached to the interconnector base element by welding, preferably solely by welding, an effective and reliable fixation is given due to the material bond. In particular, this type of fixation fundamentally permits any distribution of the pin-shaped contact elements on the interconnector base element. By special arrangements of the contact elements to each other, the fuel flowing past it can be optimized in its flow. Neither the structure of the contact elements nor that of the interconnector base element bring in this regard in the weld contact significant restrictions with it. The Interkonnektorgrundplatte also need not be prepared at the intended locations for the attachment of the contact elements, z. B. punched, to be.

Es kann auch vorgesehen sein, die Kontaktelemente lediglich mittelbar am Interkonnektorgrundelement anzuschweißen, z. B. mittels eines Zwischenstückes. Das Zwischenstück kann einstückig mit dem zugehörigen Kontaktelement sein. Ein Zwischenstück kann auch mehrere Kontaktelemente aufweisen. Dabei kann die Gesamtheit aus Zwischenstück und zugehörigen Kontaktelementen mittels eines Prägeverfahrens hergestellt sein.It can also be provided to weld the contact elements only indirectly to the interconnector base element, for. B. by means of an intermediate piece. The intermediate piece may be integral with the associated contact element. An intermediate piece may also have a plurality of contact elements. In this case, the entirety of intermediate piece and associated contact elements can be produced by means of an embossing process.

Insbesondere kann vorgesehen werden, die stiftförmigen Kontaktelemente allein an der zur Kontaktierung an der Kathode vorgesehenen Seite des Interkonnektors anzubringen. Auf der Kathodenseite befindet sich der sauerstoffhaltige Betriebsstoff, so dass dort die Kontaktelemente zum einen so ausgebildet sein müssen, dass die elektrische Leitung zwischen Interkonnektor und Kathode möglichst ungestört bleibt, auf der anderen Seite aber eine Resistenz gegenüber der sauerstoffhaltigen Atmosphäre gegeben sein muss. Auf der Anodenseite befindet sich im Wesentlichen kein elementarer oder molekularer Sauerstoff, da dieser vom Brennstoff unmittelbar gebunden wird. Auf der Anodenseite kann daher z. B. mit einem Nickelnetz als Kontaktmaterial gearbeitet werden.In particular, it can be provided to mount the pin-shaped contact elements solely on the side of the interconnector which is intended to make contact with the cathode. On the cathode side of the oxygen-containing fuel, so that there the contact elements must be designed so that the electrical conduction between the interconnector and cathode remains undisturbed as possible, but on the other hand, a resistance to the oxygen-containing atmosphere must be given. Essentially, there is no elemental or molecular oxygen on the anode side since it is directly bound by the fuel. On the anode side can therefore z. B. be worked with a nickel network as a contact material.

Es ist vorteilhaft, das Interkonnektorgrundelement aus einer Aluminiumoxid bildenden Hochtemperaturlegierung, z. B. Aluchrom, herzustellen.It is advantageous for the interconnector base element to be made of a high-temperature alumina-forming alloy, eg. B. Aluchrom to produce.

Vorzugsweise werden die Kontaktelemente zumindest an ihrer freien Oberfläche aus einem Material hergestellt, welches bei Betriebstemperatur keine elektrisch isolierende Schicht ausbildet, z. B. Crofer 22. Das gilt insbesondere bei Kontaktelementen, die mit sauerstoffhaltigem Betriebsstoff in Kontakt sind. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Kontaktelemente zumindest an ihrer freien Oberfläche aus Chromeisen herzustellen. Eine sich dort bildende Chromoxidschicht ist im Bezug auf die Leitfähigkeit weniger störend als die Aluminiumoxidschicht im Falle des Aluchroms.Preferably, the contact elements are made at least on their free surface of a material which forms no electrically insulating layer at operating temperature, for. This applies in particular to contact elements which are in contact with oxygen-containing fuel. In particular, it may be advantageous to produce the contact elements at least on their free surface of chromium. A chromium oxide layer forming there is less disturbing in terms of conductivity than the aluminum oxide layer in the case of the alumina.

Es kann vorteilhaft sein, die Kontaktelemente in einer Hauptströmungsrichtung des sie umgebenden Betriebsstoffes so anzuordnen, dass sie ungleiche Abstände aufweisen. Hierdurch kann die Betriebsstoffumsatzrate in gewünschter Weise beeinflusst werden. Wenn z. B. die Kontaktelemente derart angeordnet werden, dass in Hauptströmungsrichtung gesehen die Abstände zwischen ihnen zunehmen, vergrößert sich in Hauptströmungsrichtung der Anteil der freien Reaktionsfläche an der die Kontaktelemente kontaktierenden Elektrode. Da in Hauptströmungsrichtung die Menge des unverbrauchten Betriebsstoffes abnimmt, kann sich hierdurch auf die Elektrodenfläche bezogen eine Vergleichmäßigung der Betriebsstoffumsatzrate ergeben. Alternativ oder gleichzeitig zur Abstandsänderung kann auch eine entsprechend wirkende Veränderung des Durchmessers der Kontaktelemente vorgesehen werden.It may be advantageous to arrange the contact elements in a main flow direction of the surrounding operating material so that they have unequal distances. As a result, the fuel turnover rate can be influenced in the desired manner. If z. B. the contact elements are arranged such that seen in the main flow direction, the distances between them increase, increases in the main flow direction, the proportion of the free reaction surface on the contact elements contacting electrode. Since the amount of unused fuel decreases in the main flow direction, this can result in a uniformization of the fuel conversion rate based on the electrode surface. Alternatively or simultaneously with the change in distance, a correspondingly acting change in the diameter of the contact elements can also be provided.

Es kann auch vorteilhaft sein, die Kontaktelemente in einer Hauptströmungsrichtung des Betriebsstoffes versetzt zueinander anzuordnen. Diese Maßnahme kann einer Verwirbelung dienen, die für die Umsetzung des Betriebsstoffes vorteilhaft sein kann.It may also be advantageous to arrange the contact elements offset in relation to one another in a main flow direction of the operating substance. This measure can serve a swirling, which can be advantageous for the implementation of the operating material.

Der erfindungsgemäße Interkonnektor kann auch so ausgebildet sein, dass die Kontaktelemente federnd ausgebildet sind. Mit einer federnden Ausführung wird der mechanische Kontakt zwischen dem Kontaktelement und z. B. der Kathode zuverlässig hergestellt. Für die federnde Ausbildung könnten die Kontaktelemente eine gebogene Form aufweisen, wobei die Kontaktelemente eine gewisse Elastizität aufweisen. Beim Zusammenbau der Brennstoffzelle würde die Anode dann gegen das gebogene Kontaktelement angelegt, wodurch die Biegung erhöht wird. Toleranzen in den Längen der Kontaktelemente wären damit unschädlich für die sichere Kontaktausbildung.The interconnector according to the invention can also be designed so that the contact elements are resilient. With a resilient design, the mechanical contact between the contact element and z. B. the cathode reliably. For the resilient training, the contact elements could have a curved shape, wherein the contact elements have a certain elasticity. When assembling the fuel cell, the anode would then be applied against the bent contact element, thereby increasing the bend. Tolerances in the lengths of the contact elements would thus be harmless for secure contact training.

Die Kontaktelemente können in ihrer Längsrichtung auch im Querschnitt variieren. Auch der Querschnitt der Kontaktelemente kann die Strömung des Betriebsstoffes beeinflussen, insbesondere der Strömung im Mittelbereich weniger Widerstand entgegensetzen, während auf der anderen Seite die Kontaktflächen zur Gewährleistung einer zuverlässigen Fixierung sowie eines zuverlässigen elektrischen Kontaktes größer als der Querschnitt im Mittelbereich ausgebildet sein kann. The contact elements may also vary in cross section in their longitudinal direction. The cross-section of the contact elements can influence the flow of the operating material, in particular the flow in the central region oppose less resistance, while on the other side the contact surfaces to ensure reliable fixation and a reliable electrical contact greater than the cross section can be formed in the central region.

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle sowie von Interkonnektoren anhand von Figuren dargestellt.Exemplary embodiments of a high-temperature fuel cell and of interconnectors are illustrated below with reference to figures.

Es zeigen schematischIt show schematically

1: im Querschnitt einen Brennstoffzellenstapel, 1 in a cross section of a fuel cell stack,

2: eine Anordnung von Kontaktelementen auf einem Interkonnektorgrundelement, 2 an arrangement of contact elements on an interconnector primitive,

3: Verlauf von Nuten und Stegen in einem Interkonnektor nach dem Stand der Technik 3 : Course of grooves and lands in a prior art interconnector

4: eine alternative Form von Kontaktelementen auf einem Interkonnektorgrundelement, 4 an alternative form of contact elements on an interconnector primitive,

5: eine weitere alternative Form von Kontaktelementen auf einem Interkonnektorgrundelement und 5 : another alternative form of contact elements on an interconnector primitive and

6: die Anordnung gemäß 5 in seitlicher Ansicht. 6 : the arrangement according to 5 in lateral view.

1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Brennstoffzellenstapel mit Kathoden 1, Anoden 2 und jeweils zwischen Kathode 1 und Anode 2 einen Elektrolyten 3. Kathode 1, Elektrolyt 3 und Anode 2 bilden jeweils eine Brennstoffzelle 4. Zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels werden die Brennstoffzellen 4 von Interkonnektoren 5 umgeben. Die Interkonnektoren 5 umgeben die Brennstoffzellen 4, wodurch zum einen Räume, nämlich ein Anodenräume 13 und Kathodenräume 14 für den Durchfluss der Betriebsstoffe umgrenzt werden. Zum anderen werden über die Interkonnektoren 5 die Brennstoffzellen 4 elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Der elektrische Kontakt zwischen der Anode 2 und dem Interkonnektor 5 wird über ein grobmaschiges Nickelnetz 6 hergestellt. Der von der Anode 2 und dem Interkonnektor 5 umschlossene Anodenraum 13 dient zur Durchströmung mit dem Brenngas. 1 shows schematically in cross section a fuel cell stack with cathodes 1 , Anodes 2 and between each cathode 1 and anode 2 an electrolyte 3 , cathode 1 , Electrolyte 3 and anode 2 each form a fuel cell 4 , To form a fuel cell stack, the fuel cells 4 of interconnectors 5 surround. The interconnectors 5 surround the fuel cells 4 , whereby on the one hand rooms, namely an anode rooms 13 and cathode rooms 14 be limited for the flow of supplies. On the other hand, via the interconnectors 5 the fuel cells 4 electrically connected in series with each other. The electrical contact between the anode 2 and the interconnector 5 becomes over a coarse-meshed nickel net 6 produced. The one from the anode 2 and the interconnector 5 enclosed anode compartment 13 serves to flow through the fuel gas.

Der elektrische Kontakt zwischen dem Interkonnektor 5 und den Kathoden 1 wird mittels stiftförmiger Kontaktelemente 7 hergestellt, die an einem Interkonnektorgrundelement 8 stoffschlüssig mittels Schweißen fixiert sind. Das Interkonnektorgrundelement 8 kann einstückig mit dem Rest des Interkonnektors 5 sein. Es ist aber auch denkbar, den Interkonnektor aus mindestens zwei Bauteilen zusammenzusetzen, da im Wesentlichen das Interkonnektorgrundelement für den elektrischen Kontakt zwischen Kathode 1 der einen Brennstoffzelle 4 mit der Anode 2 der benachbarten Brennstoffzelle 4 sorgt, während die seitlichen Bereiche des Interkonnektors 5 für die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels sowie für die Abdichtung gegen die den Brennstoffzellenstapel umgebende Atmosphäre verantwortlich sind. Zur Abdichtung zur Umgebung wird eine Abdichtungsmasse 12, z. B. Glaslot, zwischen den Interkonnektoren 5 eingesetzt. In 1 ist zudem Abdichtungsmasse 12 zwischen Interkonnektor 5 und Anode 2 vorgesehen, um den Kathodenraum 14 gegen den Anodenraum 13 abzudichten.The electrical contact between the interconnector 5 and the cathodes 1 is by means of pin-shaped contact elements 7 made on an interconnector primitive 8th are firmly bonded by welding. The interconnector primitive 8th can be integral with the rest of the interconnector 5 be. However, it is also conceivable to assemble the interconnector from at least two components, since essentially the interconnector base element for the electrical contact between the cathode 1 the one fuel cell 4 with the anode 2 the adjacent fuel cell 4 ensures while the lateral areas of the interconnector 5 are responsible for the mechanical stability of the fuel cell stack and for sealing against the atmosphere surrounding the fuel cell stack. To seal the environment is a sealant 12 , z. B. glass solder, between the interconnectors 5 used. In 1 is also sealing compound 12 between interconnector 5 and anode 2 provided to the cathode compartment 14 against the anode compartment 13 seal.

Das Bezugszeichen 9 bezeichnet die Schweißnaht zwischen dem jeweiligen Kontaktelement 7 und dem Interkonnektorgrundelement 8. Auf dem der jeweiligen Kathode 1 zugewandten Ende weisen die Kontaktelemente 7 eine Kathodenkontaktschicht 10 auf, die z. B. aus dem Kathodenmaterial bestehen kann. Die Kathodenkontaktschicht 10, die vor dem Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels als noch nicht ausgesinterte Paste aufgetragen werden kann, dient zum Ausgleich möglicher Fertigungstoleranzen und zur Sicherstellung einer hinreichenden elektrischen Kontaktierung zwischen den Kontaktelementen 7 und der zugehörigen Kathode 2. Das Aufbringen der Kathodenkontaktschicht 10 ist jedoch nicht zwingend.The reference number 9 denotes the weld between the respective contact element 7 and the interconnector primitive 8th , On the respective cathode 1 facing the end, the contact elements 7 a cathode contact layer 10 on, the z. B. may consist of the cathode material. The cathode contact layer 10 , which can be applied before assembly of the fuel cell stack as not yet sintered paste, is used to compensate for possible manufacturing tolerances and to ensure adequate electrical contact between the contact elements 7 and the associated cathode 2 , The application of the cathode contact layer 10 is not mandatory.

2 zeigt schematisch eine erste mögliche Anordnung von Kontaktelementen 7 auf der Kathode 1. 3 zeigt im Vergleich dazu die von einem aus dem Stand der Technik bekannten Interkonnektor mit Nut und Steg von den Stegen kontaktierten Flächen 30 der Kathode 1 sowie die freien Flächen 31. Das Kathodenmaterial, in Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der Regel Perowskit, hat zumeist eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit, weshalb in Bezug auf die elektrische Leitung die Kontaktflächen 30 möglichst groß und damit die freien Flächen 31 möglichst klein gestaltet sein sollten. Die freien Flächen 31 sorgen allerdings für die Durchströmung mit dem Betriebsstoff, der die elektro-chemische Reaktion erst ermöglicht. Als Kompromiss wird in der Regel eine Aufteilung der Flächen zu gleichen Teilen in Kontaktflächen 30 und freie Flächen 31 angestrebt. Die in den freien Flächen 31 eingezeichneten Punkte 32 markieren die Orte, von denen die Elektronen in der Kathode 1 den weitesten direkten Weg zur nächsten Kontaktstelle mit den Stegen des Interkonnektors gemäß dem Stand der Technik haben. Tatsächlich handelt es sich selbstverständlich dabei um eine Linie, die aber zur besseren Unterscheidung von sonstigen Grenzlinien gepunktet dargestellt ist. Es ist angestrebt, diesen Maximalweg der Elektronen möglichst gering zu halten, um den Elektronenübergang möglichst zu erleichtern. Dies könnte bei gleicher Aufteilung der Flächen 30 und 31 durch eine geringere Breite der Nuten und Stege des Interkonnektors erreicht werden, wodurch allerdings in nachteiliger Weise der Strömungswiderstand erhöht wird. 2 schematically shows a first possible arrangement of contact elements 7 on the cathode 1 , 3 shows in comparison to the well-known from the prior art interconnector with groove and web of the webs contacted surfaces 30 the cathode 1 as well as the free areas 31 , The cathode material, usually perovskite in high-temperature fuel cells, usually has a relatively low electrical conductivity, which is why with respect to the electrical line, the contact surfaces 30 as large as possible and thus the free space 31 should be designed as small as possible. The free surfaces 31 However, ensure the flow through the fuel, which makes the electro-chemical reaction possible. A compromise is usually a division of the surfaces in equal parts in contact surfaces 30 and open spaces 31 sought. The in the open spaces 31 marked points 32 mark the locations of which the electrons in the cathode 1 have the farthest direct path to the next contact point with the webs of the interconnector according to the prior art. In fact, it is of course a line, which is shown dotted for better distinction from other borderlines. It is the aim is to keep this maximum distance of the electrons as low as possible in order to facilitate the electron transfer as much as possible. This could be with equal division of the areas 30 and 31 be achieved by a smaller width of the grooves and webs of the interconnector, which, however, disadvantageously increases the flow resistance.

Die in 2 dargestellte Anordnung der Kontaktelemente 7 sorgt bei gleicher Aufteilung von freier Fläche zu Kontaktfläche für eine deutliche Verringerung der im Durchschnitt von den Elektronen auf der Kathodenfläche zurückzulegenden Wege bis zum nächsten Kontaktelement 7. In 2 sind ebenfalls Punkte 9 wiedergegeben, von denen die längsten direkten Wege der Elektronen zum nächsten Kontaktelement 7 ausgehen.In the 2 illustrated arrangement of the contact elements 7 With the same distribution of free area to contact area, a significant reduction in the average distance traveled by the electrons on the cathode surface to the next contact element is ensured 7 , In 2 are also points 9 reproduced, of which the longest direct paths of the electrons to the next contact element 7 out.

4 zeigt eine zu 2 ähnliche Anordnung, wobei jedoch die Kontaktelemente 7 eine elliptische Form aufweisen, die bei geeigneter Strömungsrichtung dem Betriebsstoff einen geringeren Strömungswiderstand entgegensetzen kann. Hier sind ebenfalls die Punkte 9 der längsten Elektronenwege wiedergegeben. Die Addition der Summe der Elektronenwege ist hier in ähnlicher Weise gegeben wie in der Lösung gemäß 2 und somit vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik gemäß 3. 4 shows one too 2 similar arrangement, but wherein the contact elements 7 have an elliptical shape, which can oppose the operating material a lower flow resistance in a suitable flow direction. Here are also the points 9 reproduced the longest electron paths. The addition of the sum of the electron paths is given here in a similar way as in the solution according to 2 and thus advantageous over the prior art according to 3 ,

Die 5 und 6 zeigen in der Aufsicht und in einer Querschnittsdarstellung schematisch eine weitere Ausführungsform, bei der die Kontaktelemente 7 tropfenförmig sind und damit einer Strömung in der 5 von unten nach oben einen optimierten geringen Widerstand bei vorgegebener Grundfläche der Kontaktelemente 7 aufweisen.The 5 and 6 show in plan view and in a cross-sectional view schematically another embodiment in which the contact elements 7 are drop-shaped and thus a flow in the 5 from bottom to top an optimized low resistance at a given footprint of the contact elements 7 exhibit.

Unabhängig von der Tropfenform der Kontaktelemente 7 ist in 6 als weitere Alternative dargestellt, die Kontaktelemente 7 auf Stegen 11 anzuordnen, die sich in Strömungsrichtung erstrecken. Die Stege 11 können jeweils mit den zugehörigen Kontaktelementen 7, die vorliegend in den Zeichnungen im Verhältnis zu den übrigen Bestandteilen der Brennstoffzelle vergrößert dargestellt sind und tatsächlich eine Höhe von 1 mm oder geringer aufweisen können, einstückig ausgebildet sein. Stege 11 und Kontaktelemente können z. B. durch ein Hochdruck-Prägeverfahren ausgeformt werden. Die Stege 11 sind durch Schweißen erfindungsgemäß am Interkonnektorgrundelement 8 fixiert.Regardless of the drop shape of the contact elements 7 is in 6 shown as a further alternative, the contact elements 7 on jetties 11 to arrange, which extend in the flow direction. The bridges 11 can each with the associated contact elements 7 , which are shown enlarged in the drawings in relation to the other components of the fuel cell and can actually have a height of 1 mm or less, integrally formed. Stege 11 and contact elements may, for. B. be formed by a high-pressure embossing process. The bridges 11 are by welding according to the invention on Interkonnektorgrundelement 8th fixed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kathodecathode
22: Anodeanode
33: Elektrolytelectrolyte
44: Brennstoffzellefuel cell
55: Interkonnektorinterconnector
66: Nickelnetznickel net
77: Kontaktelementcontact element
88th: InterkonnektorgrundelementInterconnector basic element
99: Punkt des weitesten ElektronenwegesPoint of the longest electron path
1010: KathodenkontaktschichtCathode contact layer
1111: Stegweb
1212: Abdichtungsmassesealant
1313: Anodenraumanode chamber
1414: Kathodenraumcathode space
3030: Fläche mit StegkontaktSurface with web contact
3131: freie Flächenopen spaces
3232: Punkt maximalen WegesPoint maximum way

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005005117 B4 [0003, 0003]
DE 10002780 A1 [0006]
DE 4443688 C1 [0007]
EP 1287572 B1 [0008]

Claims

Method for producing an interconnector for a high-temperature fuel cell, in which an interconnector base element ( 8th ) pin-shaped contact elements ( 7 ), characterized in that the pin-shaped contact elements ( 7 ) by welding directly or indirectly at the interconnector base element ( 8th ) are fixed.

Method according to claim 1, characterized in that the pin-shaped contact elements ( 7 ) alone at the for contacting a cathode ( 1 ) side of the interconnector primitive ( 8th ).

Interconnector for a high-temperature fuel cell, comprising an interconnector base element ( 8th ) and the interconnector primitive ( 8th ) arranged pin-shaped contact elements ( 7 ), characterized in that the pin-shaped contact elements ( 7 ) directly or indirectly at the interconnector primitive ( 8th ) are welded.

Interconnector according to claim 3, characterized in that pin-shaped contact elements ( 7 ) alone at the for contacting a cathode ( 1 ) side of the interconnector ( 5 ) are provided.

Interconnector according to Claim 3 or 4, characterized in that the interconnector primitive ( 8th ) consists of an alumina-forming high-temperature alloy.

Interconnector according to one of claims 3 to 5, characterized in that at least some of the contact elements ( 7 ) consists at least on its free surface of a material which forms no electrically insulating layer at the operating temperature.

Interconnector according to claim 6, characterized in that at least some of the contact elements ( 7 ) consist of chromium iron at least on their free surface.

Interconnector according to one of claims 3 to 7, characterized in that the contact elements ( 7 ) have unequal distances in a main flow direction of a fuel.

Interconnector according to one of claims 3 to 8, characterized in that the contact elements ( 7 ) are offset from each other in a main flow direction of a fuel.

Interconnector according to one of claims 3 to 9, characterized in that the contact elements ( 7 ) are resilient.

Interconnector according to one of claims 3 to 10, characterized in that at least a part number of the contact elements ( 7 ) vary in cross section in their longitudinal direction.

Interconnector according to claim 11, characterized in that at least a part number of the contact elements ( 7 ) the cross-section at the interconnector primitive ( 8th ) facing away from the end is greater than in a center piece.

Interconnector according to one of claims 3 to 12, characterized in that the pin-shaped contact elements ( 7 ) via at least one intermediate element ( 11 ) are indirectly welded, the at least one intermediate element ( 11 ) a plurality of the contact elements ( 7 ) and the at least one intermediate element ( 11 ) with this contact elements ( 7 ) is integral.

High-temperature fuel cell with at least one interconnector ( 5 ) according to one of claims 3 to 13.