DE10238857A1 - Production of a single fuel cell having a structure for distributing fuel gas over its electrode surface comprises forming a perforated foil on the surface facing an electrode - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen einer Einzel-Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
eine das Brenngas über
deren Elektroden-Oberfläche
verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch
eine perforierte Folie gebildet ist. Zum technischen Umfeld wird
neben der nicht vorveröffentlichten
internationalen Patentanmeldung PCT/EP02/06453 auf die
Für
Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), in denen
bekanntlich durch Einleiten von Brenngas und Luft-Sauerstoff elektrischer Strom
erzeugt werden kann, sind bereits unterschiedliche Herstellverfahren
bekannt. So können die
keramischen Schichten von Festoxidbrennstoffzellen beispielsweise
durch Sintern von Grünlingen der
jeweiligen Schichten (nämlich
Kathode, Elektrolyt und Anode) einzeln erzeugt werden, wie dies
wohl bei einer Brennstoffzelle nach der genannten
Bedingt durch die Partikelgröße der für das Sprühen der einzelnen Elektrodenschichten eingesetzten keramischen Spritzpulver sollten die gasdurchlässigen und daher porösen Substrate Poren mit einem Durchmesser in der Größenordnung zwischen 5 μm und 50 μm aufweisen, damit ein Schichtaufbau der Elektrode durch thermische Beschichtungsverfahren überhaupt möglich ist. Bekannt ist es daher, diese metallischen Substrate als Metallschäume mit oder ohne Deckschichten, als Vliese aus metallischen Fasern (geschabt oder geschnitten) mit oder ohne Deckschichten, als Feinstgestricke oder Feinstgewebe, oder als Presslinge aus Metallspänen oder Metallpulver oder auch als Drahtgestricke oder Drahtgewebe auszuführen. Diese genannten Träger-Substrate können jedoch nur durch aufwändige Herstellprozesse gefertigt werden. Für die genannten Pulver-Deckschichten werden bspw. durch Verdüsen von Metallschmelzen erzeugte Pulver verwendet, die nach Aufbringen auf eine Unterstruktur durch Sintern verfestigt werden müssen. Zur Herstellung von Metallschäumen und Metallvliesen sind ebenfalls aufwändige Prozesse nötig. Somit ist die Herstellung solcher Träger-Substrate energieaufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus müssen derartige Träger-Substrate relativ dick ausgeführt werden, damit eine genügend hohe mechanische Festigkeit der Einzel-Brennstoffzelle erzielt werden kann.Due to the particle size for spraying the ceramic spray powder used in individual electrode layers should the gas permeable and therefore porous Substrates have pores with a diameter in the range between 5 μm and 50 μm, thus a layer structure of the electrode through thermal coating processes at all possible is. It is therefore known to use these metallic substrates as metal foams or without cover layers, as nonwovens made of metallic fibers (scraped or cut) with or without top layers, as fine knitted fabrics or Fine mesh, or as pellets from metal chips or metal powder or also as wire mesh or wire mesh. These carrier substrates mentioned can however only through elaborate Manufacturing processes are manufactured. For the powder top layers mentioned are, for example, by spraying Powder generated by molten metal used after application have to be solidified on a substructure by sintering. For the production of metal foams and metal fleeces also require complex processes. Consequently is the production of such carrier substrates energy-intensive and expensive. About that addition, such Carrier substrates run relatively thick, that's enough high mechanical strength of the single fuel cell can be achieved.
Einen anderen Weg zeigt die bereits
genannte
Ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik
(
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten schrittweise durch ein thermisches Sprühverfahren auf die perforierte Folie aufgebracht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.This solves this problem characterized in that the electrode material in the form of ceramic Layers gradually onto the perforated by a thermal spray process Foil is applied. Advantageous further training is included in the Dependent claims.
Erfindungsgemäß wird das Elektrodenmaterial
(wie für
metallische Drahtgestricke bekannt) durch ein thermisches Sprühverfahren
auf ein sog. Substrat aufgebracht, wobei dieses Substrat (wie ebenfalls
bekannt) porös
ist und somit als eine das Brenngas über der zugewandten Elektrodenfläche verteilende
Struktur fungiert. Diese Struktur bzw. dieses sog. Substrat wird
nun erfindungsgemäß durch eine
perforierte Folie gebildet, die bevorzugt aus einem ggf. passivierten
Metallwerkstoff und/oder aus einem Keramikwerkstoff besteht. Nachdem
die Verwendung einer metallischen porösen Folie oder dgl. in Form
des in der erläuterten
Die weiter oben beschriebenen Probleme lassen sich also vermeiden oder verringern, wenn für mittels eines thermischen Sprühverfahrens hergestellte Festoxid-Brennstoffzellen perforierte Metallfolien oder Keramikfolien bzw. Metallbänder oder Keramikbänder als Substrate eingesetzt werden. Die die Perforation in diesen Folien oder Bändern bildenden Löcher können dabei bevorzugt Durchmesser zwischen 10μm und 200 μm aufweisen und 10 bis 70 % der Querschnitts-Fläche der Brennstoff-Zelle einnehmen. Als Folien-Material kommen dabei neben reinen Metall- oder Keramikwerkstoffen auch passivierte Metalle (bspw. durch Voroxidation an heißer Luft oder durch chemische oder elektrochemische Verfahren) oder eine Kombination aus Keramik und Metall in Frage.Let go of the problems described above So avoid or reduce yourself if for by means of a thermal spraying manufactured solid oxide fuel cells perforated metal foils or ceramic foils or metal tapes or ceramic tapes can be used as substrates. The perforation in these foils or ribbons forming holes can preferably have diameters between 10 μm and 200 μm and 10 to 70% of the Cross sectional area of the fuel cell. In addition to pure metal or ceramic materials also passivated metals (e.g. by pre-oxidation on hotter Air or by chemical or electrochemical processes) or a combination of ceramic and metal in question.
Die Perforation in der Folie bzw. im sog. Substrat wird durch Löcher gebildet, die bspw. mittels Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder Kernspur erzeugt werden können. Gebildet werden können diese Löcher jedoch auch durch elektrochemische Verfahren oder durch Maskieren und Ätzen oder alternativ auf mechanischem Wege, so bspw. mittels einer Nadelwalze, wobei sich all diese genannten Verfahren besonders gut für eine Großserien-Fertigung eignen. Weiter vorgeschlagen wird dabei, diese Löcher bevorzugt von der nicht mit dem Elektrodenmaterial zu beschichtenden Seite der Folie bzw. des Substrats einzubringen, denn die dann auf der Rückseite und somit auf der Auftragsseite für das Elektrodenmaterial entstehenden Erhebungen der Lochränder sind für eine bessere Verzahnung der keramischen Elektrode mit der Folie (bzw. dem Band oder allgemein dem Substrat) hilfreich.The perforation in the film or holes in the so-called substrate formed, for example by means of a laser beam or electron beam or Nuclear trace can be generated. Can be educated these holes but also by electrochemical processes or by masking and etching or alternatively by mechanical means, for example by means of a needle roller, all of these methods being particularly good for large-scale production suitable. It is further suggested that these holes are not preferred by the side of the film to be coated with the electrode material or of the substrate, because then on the back and thus arise on the order side for the electrode material Elevations of the hole edges are for one better interlocking of the ceramic electrode with the film (or the tape or the substrate in general).
Grundsätzlich können die besagten, die gewünschte Perforation bildenden Löcher rechtwinkelig oder schrägwinkelig zur Oberfläche der Folie oder eines das auch sog. Substrat bildenden Bandes eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann jedoch dann, wenn die Löcher schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche eingebracht werden, bei einem rechtwinkelig zur Folien- bzw. Substrat-Oberfläche erfolgenden sprühtechnischen Beschichtungsprozess ein guter Pulverrückhalt erzielt werden, ohne dass der Durchmesser der Löcher wesentlich geringer als der Durchmesser der Körner des aufzubringenden Elektroden-Pulvers sein muss. Ein grundsätzlich unerwünschter Durchtritt der Pulver-Körner beim thermischen Aufsprühen desselben auf die Folie durch die darin vorgesehenen Löcher hindurch kann aufgrund der gegenüber der Folien-Oberfläche geneigten Längsachsen der Löcher weitestgehend vermieden werden.Basically, said perforation can be desired forming holes rectangular or oblique to the surface the film or a band which also forms the so-called substrate become. However, it can be advantageous if the holes are at an oblique angle introduced to the film surface be at a right angle to the film or substrate surface sprühtechnischen Coating process good powder retention can be achieved without that the diameter of the holes be significantly smaller than the diameter of the grains of the electrode powder to be applied got to. A basically undesirable Passage of the powder grains when thermally spraying the same can be due to the film through the holes provided therein the opposite of the Foil surface inclined longitudinal axes of the holes are largely avoided.
Im Hinblick auf den Betrieb der Brennstoffzelle ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anströmrichtung des Brenngases oder des Luft-Sauerstoffs zur jeweiligen Elektrode, wenn diese erfindungsgemäß auf einem perforierten Substrat bzw. einer perforierten Folie aufgebracht ist, in Richtung der Schräge der diese Perforation bildenden Löcher geführt ist, um eine gute Stoffversorgung der betroffenen Elektrode zu gewährleisten. In diesem Sinne können somit die Längsachsen zumindest einiger Löcher derart geneigt gegenüber der Folien-Oberfläche sein, dass zumindest im Brenngas-Eintrittsbereich die Entrittsöffnung der Löcher zum Brenngas-Eintritt hin gerichtet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Ausrichtung der Schräge der Löcher quasi aufzuteilen, so dass ein Teil in Richtung der Einströmseite und ein Teil in Richtung der Ausströmseite des Abgases oder des (verbrannten Luft-Sauerstoffs bzw. der Abluft zeigen. Dadurch wird auch die Abführung der Reaktionsprodukte erleichtert. In diesem Sinne können die Längsachsen der besagten Löcher auch unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sein, wobei im Brenngas-Austrittsbereich die Austrittsöffnung der Löcher zum Brenngas-Austritt hin gerichtet ist.With regard to the operation of the fuel cell it is particularly advantageous if the flow direction of the fuel gas or of the air-oxygen to the respective electrode, if this is according to the invention on a perforated substrate or a perforated film applied is, towards the slope of the holes forming this perforation is to ensure a good supply of material to ensure the affected electrode. With this in mind hence the longitudinal axes at least some holes so inclined towards the film surface be that at least in the fuel gas entry area the entrance opening of the holes is directed towards the fuel gas inlet. However, it is also possible that Alignment of the slope of the holes quasi to divide so that a part towards the inflow side and part towards the outflow side of the exhaust gas or the (burned air-oxygen or the exhaust air demonstrate. This also leads to the removal of the reaction products facilitated. With this in mind the longitudinal axes of said holes also different from each other the film surface be inclined, the outlet opening of the holes in the fuel gas outlet region Fuel gas outlet is directed.
Für den Fall, dass die die Perforation in einer erfindungsgemäßen Folie bildenden Löcher rechtwinklig zur Folien-Oberfläche eingebracht werden, ist es dann, wenn der Loch-Durchmesser deutlich oberhalb des Durchmessers der durch ein thermisches Sprühverfahren aufgebrachten Pulver-Körner liegt, von besonderem Vorteil, wenn die dem Sprühauftrag abgewandte Rückseite der Folien (oder Bänder) während des bspw. Vakuumplasma-Spritzprozesses bspw. mit einer möglichst nicht beschichtbaren oder einer pulverabweisenden Platte aus Keramik oder ggf. beschichtetem Metall öder Graphit o.ä. abgedeckt bzw. zugehalten wird. Damit wird erreicht, dass nach einem Auffüllen der Löcher mit dem Elektrodenmaterial ein Schichtaufbau auf der dieser Abdeckung gegenüberliegenden Seite der Folie sicher ermöglicht wird. Und um zu vermeiden, dass das aufgespritzte Pulver, welches letztlich die Elektrodenschicht bildet, durch die besagten Löcher hindurchfliegt und somit entweicht, können die Löcher vor dem Durchführen des Beschichtungsprozesses mit einem Anodenpulver bzw. einem Kathodenpulver verfüllt werden. Ein Auffüllen der Löcher ist auch mit einem hochschmelzenden, thermisch leicht zersetzbaren Stoff (z.B. Harnstoff) oder einem geeigneten Polymer (z. B. Polyetheretherketon) möglich, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass diese vorgeschlagenen Maßnahmen unabhängig davon, ob die Löcher rechtwinkelig oder schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche verlaufen, für den Beschichtungsprozess von großem Vorteil sein können.For the case that the perforation in a film according to the invention forming holes perpendicular to the film surface be introduced, it is when the hole diameter is clear above the diameter by a thermal spray process applied powder grains is of particular advantage if the back facing away from the spray application of the foils (or tapes) during the e.g. vacuum plasma spraying process e.g. with one if possible non-coatable or powder-repellent ceramic plate or coated metal or possibly Graphite or similar is covered or held. This ensures that after a Fill up of the holes with the electrode material a layer structure on the opposite of this cover Side of the film securely becomes. And to avoid the sprayed powder, which ultimately forms the electrode layer through which said holes fly and thus escapes the holes before performing of the coating process can be filled with an anode powder or a cathode powder. A replenishment of the holes is also available with a high-melting, easily thermally decomposable Substance (e.g. urea) or a suitable polymer (e.g. polyether ether ketone) possible, being express it should be noted that these proposed measures independently of whether the holes rectangular or oblique to the film surface get lost for the coating process can be of great advantage.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass im Rahmen des Beschichtungsprozesses die Elektrodenschicht so eingestellt werden kann, dass sich hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung und/oder der Porenverteilung über der Schichtdicke ein gradierter Aufbau ergibt, d.h. dass diese jeweiligen Kenngrößen über der Dicke der Schicht betrachtet durchaus veränderlich sein können, um einen guten diffusionsgetriebenen Stofftransport in der auf der perforierten Folie applizierten Elektrode zu erzielen.For the sake of completeness, it should be pointed out in this connection that the electrode layer can be adjusted in the course of the coating process in such a way that the material composition and / or the pore distribution over the layer thickness results in a graded structure, ie that these respective parameters over the thickness considered the layer can be quite variable in order to achieve good diffusion-driven mass transport in the electrode applied to the perforated film.
Die mit der vorliegenden Erfindung grundsätzlich vorgeschlagene Verwendung einer insbesondere metallischen perforierten Folie bzw. eines metallischen perforierten Bleches als Träger-Substrat für eine durch ein thermisches Pulver-Sprühverfahren aufgebrachte Elektrodenschicht hat noch einen weiteren Vorteil, was den Aufbau bzw. die Gestaltung einer Einzel-Brennstoff-Zelle in ihrer Gesamtheit betrifft. Wenn nämlich für das Träger-Substrat einer Brennstoffzelle ein anderer Werkstoff als für deren Bipolarplatte verwendet wird, so können diese beide Komponenten nahezu nicht oder allenfalls schlecht miteinander verschweißt werden, was jedoch für eine industrielle Großserienfertigung eine angestrebte Verbindungstechnik darstellt. Die bei der Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe voneinander abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen ferner bei umgebungsbedingten und insbesondere bei betriebsbedingten Temperaturveränderungen innerhalb der Brennstoffzelle zu thermomechanischen Spannungen, und zwar jeweils zwischen dem Träger-Substrat und der Anode, aber auch innerhalb der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit zwischen der Anode und der Elektrolytschicht sowie zwischen der Elektrolytschicht und der Kathode. Die Brennstoffzelle wird dadurch Belastungen ausgesetzt, die ggf. deren Dauerhaltbarkeit reduzieren, und die folglich vermieden werden sollten. Insbesondere wenn die vorzugsweise ferritischen Bipolarplatten mit bspw. nickelhaltigen Substraten verschweißt werden, kann der Ferrit des Bipolarplatten-Materials entlang der Schweißnaht durch Umschmelzungen/Umlegierungsprozesse stark austenitisiert werden. Die dadurch im Umfeld der keramischen Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit stark steigende Wärmedehnung kann auch bei ausdehnungsspezifisch gut an die Anode angepasstem Ferrit zum Abplatzen von Bestandteilen der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit und damit zu einem Versagen der keramischen Brennstoffzellen führen.Those with the present invention in principle proposed use of a perforated metal, in particular Foil or a metallic perforated sheet as a carrier substrate for one through a thermal powder spray process applied electrode layer has another advantage, what the construction or design of a single fuel cell concerns in their entirety. If namely for the carrier substrate of a fuel cell a different material than for their Bipolar plate is used, so these two components are hardly or only poorly welded together, but what for an industrial mass production represents a desired connection technology. The one in use different materials differing thermal Expansion coefficients lead also for environmental and in particular for operational reasons temperature changes thermomechanical stresses within the fuel cell, each between the carrier substrate and the anode, but also within the cathode-electrolyte-anode unit between the anode and the electrolyte layer and between the Electrolyte layer and the cathode. This will make the fuel cell Exposed to loads that may reduce their durability, and which should therefore be avoided. Especially when the preferably ferritic bipolar plates with, for example, nickel-containing Welded substrates the ferrite of the bipolar plate material along the Weld are strongly austenitized by remelting / re-alloying processes. This in the environment of the ceramic cathode-electrolyte-anode unit greatly increasing thermal expansion can even with ferrite that is well adapted to the expansion for flaking off components of the cathode-electrolyte-anode unit and thus lead to a failure of the ceramic fuel cells.
Dieser Problematik kann nun dadurch begegnet werden, dass die erfindungsgemäße perforierte Folie bzw. ein entsprechendes Blech oder Band aus einem geeigneten metallischen Werkstoff besteht und mit einer weiteren Struktur zu einer einen Hohlraum aufweisenden sog. Kassette zusammengesetzt wird, wobei diese weitere Struktur ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff besteht, so dass dieses zusammengesetzte Gebilde letztlich eine bzw. die Bipolarplatte der Brennstoff-Einzelzelle bilden kann, auf die, genauer auf deren perforierte Folie, eine Elektrodenschicht der Kathoden-Elektolyt-Anoden-Einheit quasi direkt aufgebracht ist. Über den besagten Hohlraum dieser sog. Kassette kann dann das Brenngas bzw. der Luftsauerstoff zur jeweiligen Elektrode hin bzw. von dieser weggeführt werden. Bei dieser Kassette handelt sich also um einen Hohlkörper, der bevorzugt aus einer Oberschale und einer Unterschale besteht, welche bevorzugt entlang ihrer Ränder miteinander verschweißt, allgemein stoffschlüssig verbunden sind, um eine ausreichende Gasdichtheit in diesem Bereich zu gewährleisten.This can now solve this problem be met that the perforated film according to the invention or a Corresponding sheet or tape made of a suitable metallic Material consists and with a further structure to a cavity having the so-called cassette is assembled, this further Structure also consists of a metallic material, so that this composite structure is ultimately a or the bipolar plate the single fuel cell can form on the, more precisely on their perforated film, an electrode layer of the cathode-electrolyte-anode unit is applied almost directly. On the said cavity of this so-called cassette can then the fuel gas or the atmospheric oxygen to or from the respective electrode carried away become. This cassette is a hollow body that preferably consists of an upper shell and a lower shell, which preferably along their edges welded together, generally cohesive are connected to adequate gas tightness in this area to ensure.
Hierbei sind grundsätzlich zwei Ausführungsformen möglich. Nach einer ersten Variante kann in eine sog. Oberschale der Kassette, die einen rechteckigen, quadratischen, runden oder beliebig ovalen Ausschnitt aufweisen kann, die bevorzugt vorher perforierte Folie als Substrat eingeschweißt werden. Dazu wird eine entsprechende Folie, ein Band oder ein Blech zunächst perforiert (in Bandform oder Stück für Stück) und danach in einen entsprechenden Ausschnitt der Oberschale einer herzustellenden Brennstoffzellen-Kassette eingeschweißt. Eine solche Schweißnaht ersetzt dabei die üblicherweise bei einer planaren Festoxid-Brennstoffzelle unabdingbare Eindichtung der Brennstoffzelle in deren Bipolarplatte mittels Glaslot oder sonstigem keramischem oder metallischem Klebstoff.There are basically two embodiments possible. According to a first variant, a so-called upper shell of the cassette, which are rectangular, square, round or any oval Can have cutout, preferably the previously perforated film welded as a substrate become. To do this, use a suitable film, tape or sheet first perforated (in tape form or piece for pieces) and then into a corresponding section of the upper shell of a fuel cell cassette to be produced shrink wrapped. Such a weld replaces the usual one indispensable seal in a planar solid oxide fuel cell the fuel cell in its bipolar plate using glass solder or other ceramic or metallic adhesive.
Anschließend kann die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit gemäß dem ertindungsgemäßen Herstellvertahren direkt auf die eingeschweißte perforierte Metallfolie gesprüht werden, wobei zunächst die Anode bevorzugt unter Nutzung einer Sprühmaske bis knapp zur Schweißnaht zwischen der perforierten Folie und der Oberschale aufgesprüht wird. Anschließend kann mit einer größeren Maske die Elektrolytschicht auf die Anodenschicht aufgetragen werden, wodurch diese gasdicht gemacht sowie elektrisch isoliert und zusätzlich die Schweißnaht und ein kleiner Rand des darum befindlichen Bleches im gleichen Arbeitsgang mittels Elektrolytmaterial sprühtechnisch abgedichtet werden kann. Darauf kann die Kathodenschicht mittels einer Maske sprühtechnisch exakt auf die Fläche der Anode appliziert werden.Then the cathode-electrolyte-anode unit according to the manufacturing method according to the invention directly onto the welded perforated metal foil sprayed be, first the Anode preferably using a spray mask to just below the weld between the perforated film and the top shell is sprayed on. Then you can with a bigger mask the electrolyte layer is applied to the anode layer, which makes them gastight and electrically insulated and also the Weld and a small edge of the sheet around it in the same Operation can be sealed using electrolyte material using spray technology can. The cathode layer can then be sprayed on using a mask exactly on the surface the anode can be applied.
Nach einer zweiten Ausführungsform kann die Oberschale direkt als Träger-Substrat für die aufzusprühende Anodenschicht dienen. Sie weist in diesem Fall keine Aussparung auf. Stattdessen wird im Bereich der später durch ein thermisches Pulver-Sprühverfahren zu applizierenden Anode die Oberschale selbst perforiert, so dass die Kassetten-Oberschale selbst also die erfindungsgemäße perforierte Folie ist. Die Perforation kann dabei entweder vor oder nach dem Verschweißen der beiden Kassettenhälften, d.h. der genannten Oberschale mit der genannten Unterschale, erfolgen. Die Applizierung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit erfolgt dann wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Die Abdichtfunktion des Elektrolyten beschränkt sich dabei jedoch auf die Abdichtung der porösen Anodenschicht.According to a second embodiment the upper shell can be used directly as a substrate for the anode layer to be sprayed on serve. In this case, it has no recess. Instead will be in the field of later through a thermal powder spray process to be applied, the upper shell itself is perforated, so that the cassette top shell itself, therefore, the perforated according to the invention Slide is. The perforation can either be before or after weld together of the two halves of the cassette, i.e. the above-mentioned upper shell with the lower shell mentioned. The cathode-electrolyte-anode unit is then applied as for the first embodiment described. The sealing function of the electrolyte is limited however, on the sealing of the porous anode layer.
In den Hohlraum einer geschilderten sog. Brennstoff-Zellen-Kassette, von welcher dann mehrere zu einem sog. Brennstoffzellen-Stapel oder -Stack zusammengesetzt werden können, kann insbesondere zur Verbesserung der Gasverteilung eine geeignete Grobstruktur eingebracht werden. Hierbei kann es sich um ein Drahtgestrick, ein Drahtgeflecht oder Drahtgewebe oder um ein Vlies handeln, was allgemein als Draht-Gewirk bezeichnet werden kann. Dieses Gewirk kann dabei auch zur mechanischen Abstützung der Oberschale auf der Unterschale sowie zur Stromleitung dienen.In particular, to improve the gas distribution, a can be inserted into the cavity of a so-called fuel cell cassette, of which several can then be assembled to form a so-called fuel cell stack or stack suitable rough structure can be introduced. This can be a wire mesh, a wire mesh or wire mesh or a nonwoven, which can generally be referred to as a knitted wire. This knitted fabric can also be used for mechanical support of the upper shell on the lower shell and for power conduction.
Bereits erwähnt wurde, dass mehrere übereinander angeordnete Kassetten, die auf ihrer sog. Oberschale jeweils mit einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit versehen sind, und wobei die zusammengefügte Oberschale und Unterschale jeweils als Bipolarplatte fungieren, innerhalb derer das Brenngas zur Anodenschicht geführt werden kann, einen grundsätzlich bekannten Brennstoffzellen-Stack bilden können. Nachdem dann zwischen der Außenseite der Unterschale einer ersten Kassette und der obenliegenden Elektrodenschicht der im Brennstoffzellen-Stack unter dieser ersten Kassette liegenden zweiten Kassette ein Gasverteilungsraum oder Strömungsraum für Umgebungsluft bzw. den Luft-Sauerstoff geschaffen werden muss, kann die Außenseite der Unterschale mit einer entsprechenden, einen solchen Strömungsraum schaffenden Prägestruktur versehen werden. Die entsprechenden Einprägungen können bspw. in und quer zur Strömungsrichtung eine Mäanderstruktur, unterbrochene und seitlich versetzte Kanäle, eine Einlaufzone u.v.m. aufweisen.It has already been mentioned that several are stacked arranged cassettes, each with their so-called a cathode-electrolyte-anode unit are provided, and wherein the joined upper shell and lower shell each act as a bipolar plate within which the fuel gas led to the anode layer can be a fundamentally can form known fuel cell stack. After then between the outside the lower shell of a first cassette and the top electrode layer the second in the fuel cell stack under this first cassette Cassette a gas distribution space or flow space for ambient air or air-oxygen must be created, the outside of the lower shell with a corresponding embossing structure which creates such a flow space become. The corresponding impressions can For example, in and across the flow direction meander, interrupted and laterally offset channels, an inlet zone and much more exhibit.
Beigefügt ist eine einzige Figur, in der stark abstrahiert ein Querschnitt durch eine Kassette, wie sie oben als zweite Ausführungsform bereits erwähnt wurde, dargestellt ist. Diese Kassette bildet eine einzelne Festoxid-Brennstoff-Zelle und kann somit Bestandteil eines Brennstoffzellen-Stacks oder -Stapels sein.Attached is a single figure, in the highly abstracted cross section of a cassette like her above as a second embodiment has already been mentioned is shown. This cassette forms a single solid oxide fuel cell and can thus be part of a fuel cell stack or stack.
Dabei ist mit der Bezugsziffer
Zusammen mit einer weiteren als Unterschale
Im wesentlichen im Überdeckungsbereich mit
dem Drahtgewirk
In den Hohlraum der Kassette
Dadurch, dass die Längsachsen
Damit an der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
Bekanntermaßen sollen die in einem Brennstoffzellen-Stack
oder -Stapel übereinander
angeordneten Einzel-Brennstoffzellen elektrisch gut leitend miteinander
verbunden sein, um die ohmschen Verluste in diesem Stack zu minimieren.
In diesem Sinne ist das besagte metallische Drahtgestrick
Mit dem vorgeschlagenen Herstellverfahren lässt sich
eine Brennstoffzelle äußerst einfach
auf für eine
Großserie
fertigen. Eine bislang übliche
Versinterung einer Substratdeckschicht in sich und mit einem Drahtgestrick
oder dgl. (Geflecht, Gewebe, Vlies) kann ersatzlos entfallen. Eine
vorgeschlagene Kassette zeichnet sich durch relativ geringen Verzug (über den
stark variierenden Betriebstemperaturen) aus, womit sich eine Verbesserung
der Betriebsbedingungen für
die (figürlich
nicht dargestellten, in einem Brennstoffzellen-Stack jedoch erforderlichen) Dichtungen
ergibt. Die aus der Verwendung der vorgeschlagenen Folie
Es sei noch darauf hingewiesen, dass
im Bereich der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
Claims (7)
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DE10238857A DE10238857A1 (en) | 2002-08-24 | 2002-08-24 | Production of a single fuel cell having a structure for distributing fuel gas over its electrode surface comprises forming a perforated foil on the surface facing an electrode |
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- 2002-08-24 DE DE10238857A patent/DE10238857A1/en not_active Withdrawn
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