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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens zwei Brennstoffzellen mit jeweils mindestens einer Elektrode, wobei mindestens ein Kontaktelement zur Kontaktierung der mindestens einen Elektrode angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Die
EP 2 363 910 A2 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches ein Trägersubstrat und mindestens eine auf das Trägersubstrat aufgebrachte Brennstoffzelle mit einem rohrförmigen Trägerkörper und mindestens einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit, welche zwei Elektroden und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweist, umfasst, wobei ein zum Trägersubstrat beabstandetes, metallisches Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung mindestens einer Elektrode angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem hat demgegenüber den Vorteil, dass zwischen der mindestens einen Elektrode und dem mindestens einen Kontaktelement mindestens ein ausgleichendes Kontaktmittel eingebracht ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Kontaktierung bewerkstelligt werden, welche die Haltbarkeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen einer SOFC erhöht.
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Zweckmäßigerweise ist das mindestens eine Kontaktelement in einem unteren Bereich der mindestens zwei Brennstoffzellen, vorzugsweise in einem reduzierenden Gasraum, angeordnet. Dadurch kann eine Kontaktierung auf technisch einfache Weise umgesetzt werden.
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Für eine besonders kostengünstige Umsetzung der Kontaktierung ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Kontaktelement einstückig, insbesondere als Stanzteil, ausgeführt ist.
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In bevorzugter Weise weist das mindestens eine Kontaktelement mindestens einen Stegabschnitt und mindestens zwei Kontaktabschnitte auf, wobei der mindestends eine Stegabschnitt die mindestens zwei Kontaktabschnitte miteinander verbindet.
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Von Vorteil ist es, dass sich das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere der mindestens eine Stegabschnitt, zumindest im Wesentlichen zwischen den mindestens zwei Brennstoffzellen verläuft. Dadurch wird eine direkte Kontaktierung zweier benachbarter Brennstoffzellen ermöglicht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere zumindest einer der mindestens zwei Kontaktabschnitte, zur Minimierung des Kontaktwiederstandes über einen zumindest großen Teil, insbesondere über einen zumindest großen Teil der Breite, der mindestens einen Elektrode, wobei vorzugsweise die Form des mindestens einen Kontaktelements, insbesondere des zumindest einen Kontaktabschnitts, zumindest im Wesentlichen an eine Erstreckung der mindestens einen Elektrode angepasst ist. Dadurch entsteht eine großflächige Kontaktierung, die wiederum zu einer besonders effizienten Minimierung des Kontaktwiederstands führt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere zumindest einer der mindestens zwei Kontaktabschnitte, zumindest im Wesentlichen eine vertikale und/oder horizontale Krümmung zur Anpassung des Kontaktelements an eine Erstreckung der mindestens einen Elektrode aufweist.
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Ferner ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere zumindest einer der mindestens zwei Kontaktabschnitte, zumindest im Wesentlichen eine vertikale und/oder horizontale Krümmung, insbesondere zumindest teilweise eine ellipsoidische Ausbildung, zur Anpassung des Kontaktelements an eine Erstreckung der mindestens einen Elektrode aufweist. So wird eine effiziente Kontaktierung mit minimiertem Kontaktwiederstand auf technisch einfache Weise bewerkstelligt, die darüber hinaus in der Herstellung der Kontaktelemente leicht realisierbar und kostengünstig ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Kontaktelement zumindest teilweise metallisch ist und vorzugsweise Nickel umfasst. Dies ermöglicht ebenfalls eine kostengünstige Umsetzung und darüber hinaus eine besonders leitfähige und hitzebeständige Kontaktierung.
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In einer weiteren Vorteilhaften Ausführungsform, weist das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere in einem Bereich zumindest eines der mindestens zwei Kontaktabschnitte, ein metallisches Netz, vorzugsweise ein Nickelnetz, auf. Dadurch wird das Auftragen des mindestens einen Kontaktmittels während einer Herstellung des Brennstoffzellensystems stark vereinfacht.
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In bevorzugter Weise ist das mindestens eine ausgleichende Kontaktmittel in einem Bereich zumindest eines der mindestens zwei Kontaktabschnitte, insbesondere in dem Bereich des metallischen Netzes, eingebracht. Durch die gezielte Auftragung des Kontaktmittels kann die Menge des aufgetragenen Kontaktmittels effizient genutzt werden, wodurch Materialkosten gespart werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kontaktelement U-förmig, vorzugsweise als Krampe, ausgebildet. So wird das Anbringen der Kontaktelemente während eines Herstellungsprozesses, beispielsweise passgenaues Eindrücken in die Nut, stark vereinfacht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich das mindestens eine Kontaktelement, vorzugsweise die Krampe, zumindest im Wesentlichen entlang einer Nut erstreckt, wobei die Nut zwischen den Elektroden der mindestens zwei Brennstoffzellen, insbesondere an mindestens einem Trägerkörper und/oder mindestens einem Trägersubstrat, verläuft. Es ist von Vorteil, dass durch die Nut das Kontaktelement geführt wird, wodurch das Kontaktelement stabiler angeordnet ist.
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Es ist von Vorteil, wenn das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere der mindestens eine Stegabschnitt, vorzugsweise durch ein Isolationselement und/oder durch eine Isolationsschicht, gegenüber mindestens einem Trägerkörper und/oder mindestens einem Trägersubstrat elektrisch isoliert ist. So werden Kurzschlüsse innerhalb des Brennstoffzellensystems vermieden.
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Es ist vorteilhaft, wenn sich das mindestens eine ausgleichende Kontaktmittel als eine Schicht, insbesondere eine elektrisch leitende Schicht, zwischen der mindestens einen Elektrode und dem mindestens einen Kontaktelement erstreckt. Dadurch eine Kontaktierung des Kontaktelements über eine Schicht, kann Raum gespart werden und zudem eine großflächige Kontaktierung der mindestens einen Elektrode erzielt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine ausgleichende Kontaktmittel in fester und/oder pastenartiger Form eingebracht ist und insbesondere Nickel und/oder Nickeloxid umfasst. Dadurch wird eine besonders formschlüssige und beständige Kontaktierung gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das mindestens eine Kontaktelement, insbesondere der mindestens eine Stegabschnitt, für eine bessere mechanische Anbindung zumindest Teilweise mit einem zusätzlichen Stoff, wie z.B. Glaslot, welcher eine niedrigen Erweichungstemperatur aufweist, überzogen. So werden die Kontaktelemente zusätzlich fixiert, wodurch die Beständigkeit der elektrischen Kontaktierung erhöht wird.
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Zeichnungen
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erklärt. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Schnitts einer Ausführungsform zweier Brennstoffzellen als ein Teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ausführungsform eines Kontaktelements ohne Biegung;
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3 eine schematische Darstellung einer Ansicht zweier Brennstoffzellen von unten gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform;
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4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Kontaktelements ohne Biegung;
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5 eine schematische Darstellung eines Schnitts einer weiteren Ausführungsform zweier Brennstoffzellen als ein Teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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6 eine schematische Darstellung einer Ansicht zweier Brennstoffzellen 10 von unten gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform;
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7 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Brennstoffzellen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems von unten.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts einer Ausführungsform zweier Brennstoffzellen 10 als ein Teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst zwei Brennstoffzellen 10 mit Elektroden 14, 15, wobei Kontaktelemente 16 zur Kontaktierung der Elektroden 14, 15 angeordnet sind. Das Brennstoffzellensystem 12 zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Elektroden 14, 15 und den Kontaktelementen 16 ein ausgleichendes Kontaktmittel 18 eingebracht ist. Dadurch kann eine besonders effiziente Kontaktierung bewerkstelligt werden, welche die Haltbarkeit bei verschiedenen Betriebsbedingungen einer SOFC erhöht.
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Die Brennstoffzellen 10 weisen jeweils mindestens ein Funktionsschichtsystem 13, im Ausführungsbeispiel jeweils zwei Funktionsschichtsysteme 13, auf. Dabei handelt es sich um Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 13, welche mindestens eine Elektrode, im Ausführungsbeispiel zwei Elektroden 14, 15, also eine Anode 14 und eine Kathode 15, und einen zwischen den Elektroden 14, 15 angeordneten Elektrolyten 17 umfassen.
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Die Brennstoffzellen 10 weisen einen rohrförmigen Trägerkörper 28 auf und werden außenseitig mit Luft umspült, wobei Brenngas innenseitig die Elektroden 14, 15 bzw. die Funktionsschichtsysteme 13 umspült.
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Unter Brennstoffzellen 10 mit rohrförmigem Trägerkörper 28 wird unter anderem zwischen Elektrolyt geträgerten, Elektroden geträgerten und inert geträgerten Brennstoffzellen unterschieden.
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Bei inert geträgerten Brennstoffzellen 10 mit rohrförmigem Trägerkörper 28 ist außenseitig oder innenseitig mindestens ein Funktionsschichtsystem 13 bzw. eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit 13 auf den Trägerkörper 28 aufgebracht, wobei der Trägerkörper aus einem gasdurchlässigen Material, beispielsweise einer porösen Keramik, besteht.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um inert geträgerte Brennstoffzellen 10. Die Funktionsschichtsysteme 13 der Brennstoffzellen 10 sind innenseitig angeordnet. Alternativ kann es sich bei den Brennstoffzellen 10 aber auch um Elektroden geträgerte oder Elektrolyt geträgerte Brennstoffzellen 10 handeln.
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Die Funktionsschichtsysteme 13 sind im reduzierenden Gasraum angeordnet. Unter einem reduzierenden Gasraum ist ein Raum zu verstehen in dem ein reduzierendes Gas geführt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich beim reduzierenden Gasraum um den Raum, in dem Wasserstoff geführt wird. Dies ist der Raum, welcher innenseitig des Trägerkörpers 28 an die Funktionsschichtsysteme 13 angrenzt. Bildlich nicht dargestellt, ist dass der Wasserstoff mittels Gaslanzen in den reduzierenden Gasraum bzw. das Innere der tubularen Brennstoffzellen 10 geführt wird.
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Alternativ können die Funktionsschichtsysteme 13 auch im oxidierenden Gasraum angeordnet sein. Unter einem oxidierenden Gasraum ist ein Raum zu verstehen in dem ein oxidierendes Gas geführt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich beim reduzierenden Gasraum um den Raum, in dem Sauerstoff geführt wird. Dies ist der Raum, welcher außenseitig an den Trägerkörper 28 einer Brennstoffzelle 10 angrenzt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 16 in einem unteren Bereich 20 der zwei Brennstoffzellen 10, im reduzierenden Gasraum, angeordnet.
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Die Kontaktelemente 16 sind einstückig, insbesondere als Stanzteile, ausgeführt. Für eine Montage werden die Kontaktelemente 16 vorher gebogen bzw. geknickt, so dass eine entsprechende Montierung möglich ist. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer Ausführungsform eines Kontaktelements 16 ohne Biegung. Für eine Montage wird das Kontaktelement 16 an verschiedenen Biegungsstellen gebogen bzw. an verschiedenen Knickfalten 22 geknickt. Es können beliebig viele Biegungen und Knicke, je nach gewünschter Ausführung an verschiedenen Stellen des Kontaktelements 16 realisiert werden.
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Das Kontaktelement 16 weist einen Stegabschnitt 24 und zwei Kontaktabschnitte 26 auf, wobei der Stegabschnitt 24 die zwei Kontaktabschnitte 26 miteinander verbindet. Die Biegungsstellen 22 bzw. Knickfalten 22 befinden sich im Bereich des Stegabschnitts 24. Sie können sich aber auch in Bereichen der Kontaktabschnitte 26 befinden.
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Bedingt durch die Form, fungiert das Kontaktelement 16 als eine Klemme. Somit werden die Kontaktabschnitte 26 durch Federkräfte an die entsprechenden Elektroden 14, 15 gedrückt. Jedoch werden die Federkräfte, beispielsweise durch sich ändernde Betriebstemperaturen, welche Verformungen verschiedener Komponenten führen, negativ beeinflusst.
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Wie in 1 gezeigt, ist zwischen den Elektroden 14, 15 und den Kontaktabschnitten 26 ein ausgleichendes Kontaktmittel 18 eingebracht. Durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 wird vor allem temperaturbedingten Verformungen entgegen gewirkt. So werden entstehende Mängel in der Kontaktierung durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 ausgeglichen. Vor allem die Bildung von Kontakt-Fehl-Stellen bzw. Hohlräumen im Bereich der Kontaktierung wird durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 verhindert. Dadurch wird die Haltbarkeit der Kontaktierung bei verschiedenen Betriebsbedingungen erhöht.
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Die Kontaktelemente 16, insbesondere die Stegabschnitte 24, verlaufen im Wesentlichen zwischen den Brennstoffzellen 10. Sie sind zu den Trägerkörpern 28 der Brennstoffzellen 10 und zum Trägersubstrat 30 bzw. der Bodenplatte 30, auf welcher die Brennstoffzellen 10 angeordnet sind, beabstandet angeordnet. Dadurch sind die Kontaktelemente gegenüber den Trägerkörpern 28 und dem Trägersubstrat 30 elektrisch isoliert. Alternativ ist es auch denkbar, dass Isolationselemente eingebracht sind, welche eine Isolierung gegenüber den Trägerkörpern 28 und/oder dem Trägersubstrat 30 bewerkstelligen. Bei eingebrachten Isolationselementen kann es sich um Isolationsnoppen und/oder um Isolationsschichten handeln, welche bevorzugt eine Keramik umfassen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansicht zweier Brennstoffzellen 10 von unten gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform. Es ist gezeigt, dass das Kontaktelement 16, im gezeigten Ausführungsbeispiel die zwei Kontaktabschnitte 26, sich zur Minimierung des Kontaktwiederstandes über einen großen Teil, insbesondere über einen großen Teil der Breite, der Elektroden 14, 15 erstrecken, wobei die Form des Kontaktelements 16, bzw. der Kontaktabschnitte 26, im Wesentlichen an die Erstreckung, bzw. die Form, der Elektroden 14, 15 angepasst ist.
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Die im Ausführungsbeispiel dargestellten zwei Funktionsschichtsysteme 13 der jeweiligen Brennstoffzellen 10 sind jeweils über die Innenseite einer Tubushälfte aufgebracht. Sie werden durch einen Isolator 32 räumlich voneinander getrennt bzw. elektrisch gegeneinander isoliert. So erstrecken sich die Elektroden 14, 15 eines Funktionsschichtsystems 13 jeweils über nahezu eine Tubushälfte einer jeweiligen Brennstoffzelle 10.
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Unter der Breite einer Elektrode 14, 15 bzw. eines Funktionsschichtsystems 26 ist die Ausdehnung einer Elektrode 14, 15 bzw. eines Funktionsschichtsystems 26 in horizontaler Richtung zu verstehen, welche im Ausführungsbeispiel einer Tubushälfte entspricht.
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Bildlich nicht dargestellt, ist dass die zwei Funktionsschichtsysteme 13 der jeweiligen Brennstoffzellen 10 in einem oberen Bereich 34 der Brennstoffzelle, beispielsweise über eine Kontaktschlaufe, elektrisch miteinander verbunden sind. So ist die Anode 14 einer Tubushälfte mit der Kathode 15 der zweiten Tubushälfte elektrisch verbunden. Dadurch kann ein Strom innerhalb einer jeweiligen Brennstoffzelle 10 zwischen den Funktionsschichtsystemen 13 fließen.
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Durch die Kontaktelemente 16 wird dann ein Stromfluss zwischen den Brennstoffzellen 10 ermöglicht, wodurch wiederum eine technisch sinnvolle und kostengünstige, elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen 10 ermöglicht wird.
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Aus 1 und 3 des gezeigten Ausführungsbeispiels kann entnommen werden, dass das Kontaktelement 16, bzw. die zwei Kontaktabschnitte 26, eine vertikale und horizontale Krümmung bzw. teilweise eine ellipsoidische Ausbildung, zur Anpassung des Kontaktelements 16 an die Erstreckung der Elektroden 14, 15 aufweisen. Dadurch wird eine großflächige Kontaktierung bewerkstelligt, die wiederum zu einer besonders effizienten Minimierung des Kontaktwiederstands führt.
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Das Kontaktelement 16 ist metallisch und umfasst Nickel. Dadurch wird eine realisierbare elektrische Kontaktierung bewerkstelligt, die darüber hinaus auch noch hitzebeständig ist. Dies ist besonders Vorteilhaft, da bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 12 Temperaturen von 600 °C–800 °C erreicht werden können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Kontaktelements 16 ohne Biegung. Das Kontaktelement 16 weist in einem Bereich 36 der Kontaktabschnitte 16, ein metallisches Netz 38, herkömmlicherweise ein Nickelnetz 38, auf. Das metallische Netz 38 bzw. das Nickelnetz 38 wird bei der Herstellung des Kontaktelements 16 aufgeschweißt.
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Das ausgleichende Kontaktmittel 18 ist in einem Bereich der Kontaktabschnitte 26, bzw. im Bereich 36, des metallischen Netzes 38 eingebracht. Das metallische Netz 38, bzw. das Nickelnetz 38, vergrößert die Oberfläche des Kontaktierenden Bereichs der Kontaktelemente 16 bzw. der Kontaktabschnitte 26 wodurch der Kontaktwiederstand zusätzlich verringert wird. Darüber hinaus wird der Anordnung eine höhere Stabilität verliehen, da die vergrößerte Oberfläche auch als Haftfläche für das ausgleichende Kontaktmittel 18 fungiert. Zudem wird das Einbringen des ausgleichenden Kontaktmittels 18 während eines Herstellungsprozesses erleichtert, da das ausgleichende Kontaktmittel 18 durch das Netz 38 besser am Kontaktelement 16, bzw. am Kontaktabschnitt 26, haften kann. So kann unter einem Einbringen des ausgleichenden Kontaktmittels 18 auch das Auftragen des ausgleichenden Kontaktmittels 18 auf das Kontaktelement 16, bzw. den Kontaktabschnitt 26, verstanden werden.
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Alternativ kann das metallische Netzt 38, bzw. das Nickelnetz 38, und/oder das ausgleichende Kontaktmittel 18 auf mindestens eine der Elektroden 14, 15 aufgebracht bzw. aufgetragen werden.
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Es ist aber auch denkbar, dass das metallische Netz 38, bzw. das Nickelnetz 38, von dem ausgleichenden Kontaktmittel 18 umhüllt wird. Das umhüllte Netz 38 kann dann zwischen das Kontaktelement 16, bzw. die Kontaktabschnitte 26, und die Elektroden 14, 15 eingebracht werden.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts einer weiteren Ausführungsform zweier Brennstoffzellen 10 als ein Teil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12. Es ist gezeigt, dass die Kontaktelemente 16 U-förmig, als Krampen 16, ausgebildet sind. Durch die U-förmige Ausbildung wird das Anbringen der Kontaktelemente 16, während einer Herstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12, zusätzlich vereinfacht. Beispielsweise können die Kontaktelemente 16 während eines Herstellungsprozesses auf einfache Weise aufgesteckt werden. Darüber hinaus ist diese Ausführung platzsparend.
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Die Kontaktelemente 16, d.h. die Krampen 16, erstrecken sich im Wesentlichen entlang von Nuten 40, wobei die Nuten 40 zwischen den Funktionsschichtsystemen 13 bzw. den Elektroden 14, 15 der zwei Brennstoffzellen 10, an den Trägerkörpern 28, im Ausführungsbeispiel an der Unterseite der Tubusfüße 41, verlaufen. Sie dienen vor allem als Führung für die jeweiligen Kontaktelemente 16 und verleihen der Anordnung darüber hinaus an Stabilität. Dass sich die Kontaktelemente 16 entlang den Nuten 40 erstrecken, kann daher bedeuten, dass die Kontaktelemente 16 in und/oder an den Nuten 40 verlaufen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Nuten 40 an den Trägerkörpern 28, bzw. an der Unterseite der Tubusfüße 41. Im angrenzenden Bereich zwischen den zwei Brennstoffzellen 10 verbinden sich die jeweiligen Nuten 40 der Brennstoffzellen 10, wodurch sie als eine durchgehend verlaufende Nut betrachtet werden können.
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Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Nuten zumindest im Wesentlichen an einem Trägersubstrat 30, bzw. einer Bodenplatte 30, insbesondere an der Unterseite, verläuft.
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Die Stegabschnitte 24 sind durch Isolationselemente 42 bzw. durch Isolationsschichten 42 gegenüber den Trägerkörpern 28 elektrisch isoliert. Dadurch werden Kurzschlüsse innerhalb des Brennstoffzellensystems 12 vermieden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stegabschnitte 24 darüber hinaus auch durch die Isolationselemente 42 bzw. durch die Isolationsschichten 42 gegenüber den Funktionsschichtsystemen 13 bzw. den Elektroden 14, 15 der Brennstoffzellen 10 isoliert, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Isolationselemente 42 bzw. die Isolationsschichten 42 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in den Nuten 40 ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, dass die Isolationselemente 42 bzw. die Isolationsschichten 42 außerhalb der Nuten 40 ausgeführt sind.
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Bei einer Herstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12 werden die Nuten 40 beispielsweise während eines Spritzgussverfahrens zur Herstellung einer der Brennstoffzellen 10 und/oder durch nachträgliches Einfräßen in den Trägerköper 28 ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform, in der eine Nut an einem Trägersubstrat 30 bzw. einer Bodenplate 30 verläuft, wird die Nut ebenfalls durch Einfräßen ausgebildet.
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Die Isolationselemente 42 bzw. die Isolationsschichten 42 werden, vorzugsweise durch ein Beschichtungs- und/oder Druckverfahren, in die Nuten 40 eingebracht.
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Die Kontaktelemente 16 werden durch passgenaues Eindrücken in die Nuten 40 so eingebracht, dass sie entlang bzw. in den Nuten 40 verlaufen. So ist es auch von Vorteil, dass das Einbringen der Kontaktelemente 16 durch die Nuten 40 erleichtert wird, indem die Nuten 40 während des Eindrückens als zusätzliche Führung fungieren.
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Für eine effiziente Kontaktierung wird das ausgleichende Kontaktmittel 18, beispielsweise durch ein Beschichtungs- und/oder ein Druckverfahren, so eingebracht, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den entsprechenden Elektroden 14, 15 und den Kontaktelementen 16 entsteht. Demnach erstreckt sich das ausgleichende Kontaktmittel 18 als eine Schicht, insbesondere eine elektrisch leitende Schicht, zwischen den entsprechenden Elektroden 14, 15 und den Kontaktelementen 16.
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In 6 ist eine schematische Darstellung einer Ansicht zweier Brennstoffzellen 10 von unten gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform gezeigt. Das Kontaktelement 16, bzw. die zwei Kontaktabschnitte 26, erstrecken sich zur Minimierung des Kontaktwiederstandes über einen großen Teil, insbesondere über einen großen Teil der Breite, der Elektroden 14, 15, wobei die Form des Kontaktelements 16, bzw. Kontaktabschnitte 26, im Wesentlichen an die Erstreckung, bzw. die Form, der Elektroden 14, 15 angepasst ist.
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Das Kontaktelement 16, bzw. die zwei Kontaktabschnitte 26, weisen eine horizontale Krümmung zur Anpassung des Kontaktelements 16 an die Erstreckung der Elektroden 14, 15 auf. Dadurch können die entsprechenden Elektroden 14, 15 großflächig kontaktiert werden, wodurch der Kontaktwiederstand minimiert wird.
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Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel in 5 und 6 ist es alternativ auch denkbar, dass das Kontaktelement 16, bzw. die zwei Kontaktabschnitte 26, eine vertikale und/oder horizontale Krümmung bzw. teilweise eine ellipsoidische Ausbildung, zur Anpassung des Kontaktelements 16 an die Erstreckung der Elektroden 14, 15 aufweisen. Durch eine zur vertikalen Krümmung zusätzliche horizontale Krümmung, kann die Oberfläche der Kontaktabschnitte 26, über welche sich das ausgleichende Kontaktmittel 18 erstreckt, gezielt vergrößert werden, wodurch wiederum der Kontaktwiederstand verringert wird.
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Wesentlich ist, dass die Trägerkörper 28, insbesondere die Tubusfüße 41, der Brennstoffzellen 10, im unteren Bereich 20, hexagonal, im gezeigten Ausführungsbeispiel als gleichseitige Sechsecke, ausgebildet sind.
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Durch die hexagonale Ausführung können Brennstoffzellen so angeordnet werden, dass die Tubusfüße aneinander angrenzend anliegen. Dadurch verbinden sich die Nuten 40 der zwei Brennstoffzellen 10 und können als eine durchgehend verlaufende Nut betrachtet werden.
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In 7 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung von Brennstoffzellen 10 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12 von unten gezeigt. Wie schon beschrieben, sind die Brennstoffzellen 10 hexagonal bzw. gleichseitig sechseckig ausgebildet. Sie sind so angeordnet, dass eine wabenartige Struktur vorliegt.
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Die Kontaktelemente 16 sind in 7 nicht bildlich dargestellt. Sie können zwischen den Brennstoffzellen 10 beliebig angeordnet sein. Durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 werden Formunterschiede einzelner Komponenten ausgeglichen. Da die Kontaktierung nicht von der Form der einzelnen Komponenten abhängt, werden somit verschiedene Möglichkeiten für Verschaltungen geschaffen. So kann eine beliebige elektrische Verschaltung der Brennstoffzellen 10 realisiert werden.
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Unter einem ausgleichenden Kontaktmittel kann daher unter anderem ein Mittel zur Kontaktierung verstanden werden, welches Formunterschiede zwischen einzelnen Komponenten ausgleicht. Mit einzelnen Komponenten sind in erster Linie die Kontaktelemente 16 mit ihren Kontaktabschnitten 26 und die zu kontaktierenden Elektroden 14, 15 der Brennstoffzellen 10 gemeint. Die genannten Formunterschiede beziehen sich dabei vor allem auf unterschiedlich ausgebildeten Oberflächen, welche mit Hilfe des ausgleichenden Kontaktmittels 18 in einen großflächigen, elektrisch leitfähigen Kontakt gebracht werden können. Dies ermöglicht eine geeignete Stromabnahme für das Brennstoffzellensystem 12.
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Das ausgleichende Kontaktmittel 18 ist so eingebracht, dass die Kontaktelemente 16 bzw. die Kontaktabschnitte 26 keine direkten Berührungen mit den Elektroden 14, 15 der Funktionsschichtsysteme 13 aufweisen. Alternativ kann das ausgleichende Kontaktmittel 18 aber auch so eingebracht sein, das die Kontaktelemente 16 bzw. der Kontaktabschnitte 26 direkte Berührungen mit den Elektroden 14, 15 der Funktionsschichtsysteme 13 aufweisen, wobei verbleibende Hohlräume durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 ausgefüllt werden.
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Unter der Einbringung des ausgleichenden Kontaktmittels 18 zwischen die Kontaktelemente 16 und die Elektroden 14, 15 bzw. die Funktionsschichtsysteme 13 kann jegliche Einbringung verstanden werden, welche einen elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktelementen 16 und den Elektroden 14, 15 bzw. den Funktionsschichtsystemen 13 bewerkstelligt. Diese kann unabhängig von der räumlichen Anordnung der einzelnen Komponenten sein.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das ausgleichende Kontaktmittel 18 in fester oder pastenartiger Form eingebracht und umfasst Nickel und/oder Nickeloxid. Durch das ausgleichende Kontaktmittel 18 wird eine formschlüssige und beständige Kontaktierung garantiert. Darüber hinaus sind die verwendeten Materialen kostengünstiger als andere Materialien, wie z.B. Platin, und weisen in reduzierender Atmosphäre eine gute elektrische Leitfähigkeit und gute mechanische Eigenschaften auf.
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In pastenartiger Form umfasst das ausgleichende Kontaktmittel 18 üblicherweise Nickeloxid. Durch die pastenartige Substanz des ausgleichenden Kontaktmittels 18 werden Hohlräume zwischen den Kontaktelementen 16 und den entsprechenden Elektroden 14, 15 ausgefüllt. Während einer ersten Inbetriebnahme des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12, bei welcher betriebsübliche Temperaturen zwischen 600 °C und 800 °C erreicht werden, wird das Nickeloxid reduziert und das ausgleichende Kontaktmittel 18 bzw. die Kontaktpaste 18 verfestigt sich. Dadurch entsteht eine dauerhafte Verbindung der Kontaktelemente 16 mit den entsprechenden Elektroden 14, 15.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel, ist es denkbar, dass das ausgleichende Kontaktmittel 18 in einem Herstellungsprozess so eingebracht wird, dass es schon vor der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 12 in fester Form vorliegt. In fester Form umfasst das ausgleichende Kontaktmittel 18 üblicherweise Nickel. So wird im reduzierenden Gasraum eine beständige Verbindung der Kontaktelemente 16 mit den entsprechenden Elektroden 14, 15 bewerkstelligt. Das ausgleichende Kontaktmittel kann durch ein Druck- und/oder Beschichtungsverfahren eingebracht werden. Beispielsweise kann das ausgleichende Kontaktmittel als eine Nickelschicht so eingebracht sein, dass es sich von einer Elektrode 14, 15 bzw. einer Funktionsschicht 13 bis hin zu einer Nut 40 erstreckt, um somit einen elektrisch leitfähigen Kontakt, zwischen einem in der besagten Nut 40 befindlichen Kontaktelement 16 und der besagten Elektrode 14, 15 bzw. dem besagten Funktionsschichtsystem 13, herzustellen.
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In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, ist es denkbar, dass mehrere ausgleichende Kontaktmittel 18 eingebracht sind, welche verschiedene Stoffe umfassen. Diese können jeweils zu verschiedenen Zeitpunkten der Herstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 12 eingebracht werden.
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In einem weiteren, alternativen Ausführungsbeispiel, welches von den Figuren ausgeht und nicht bildlich dargestellt ist, ist es denkbar, dass die Kontaktelemente 16 bzw. die Stegabschnitte 24 für eine bessere mechanische Anbindung zumindest Teilweise mit einem zusätzlichen Stoff, wie z.B. Glaslot, welcher eine niedrigen Erweichungstemperatur aufweist, überzogen sind. So können die Kontaktelemente durch Glaslot in verschiedenen Bereichen zusätzlich fixiert werden, während gleichzeitig durch das eingebrachte, ausgleichende Kontaktmittel 18 die Kontaktflächen vergrößert und damit der Kontaktwiederstand verringert wird. So ist ein Ablösen der Kontaktklammern 16 von den Elektroden 14, 15 bzw. von den Funktionsschichtsystemen 13 und/oder von den Trägerkörpern 28 und/oder von dem Trägersubstrat 30 bzw. der Bodenplatte 30 dauerhaft wirkungsvoll unterbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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