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Die Erfindung betrifft einen Dichtungsaufbau für eine Brennstoffzelle
bzw. einen Elektrolyseur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein
Verfahren zur Herstellung des Dichtungsaufbaus nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 19 und eine Brennstoffzelle bzw. einen Elektrolyseur
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
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Aus dem Stand der Technik ist ein
Brennstoffzellenstapel 1 gemäß 3 bekannt. Dieser Brennstoffzellenstapel 1 weist
zwei oder mehrere Einzelbrennstoffzellen 2 auf, welche
turmartig übereinander
gestapelt sind. Die Brennstoffzellen 2 besitzen eine Elektrolytschicht 3,
eine auf der einen Flachseite der Elektrolytschicht 3 angeordnete
Kathodenschicht 4 und eine auf der anderen Flachseite der Elektrolytschicht 3 angeordnete
Anodenschicht 5. Zur Kontaktierung einer Nachbarbrennstoffzelle 2 sitzt
auf der Kathodenschicht 4 eine Kontaktierungsschicht 6 auf.
Weiterhin weist jede Einzelbrennstoffzelle 2 eine erste
Separatorplatte 7 und eine zweite Separatorplatte 8 auf.
Die Separatorplatten 7, 8 umgrenzen einen Brenngasraum 9,
wobei die Anodenschicht 5 in den Brenngasraum 9 hineinragt.
Der Brenngasraum 9 steht derart mit der Anodenschicht 5 in
Verbindung, dass Brenngas, welches den Brenngasraum 9 durchströmt (Pfeilrichtung 10)
mit der freien Oberfläche
der Anodenschicht 5 in Kontakt gelangen kann.
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Zwischen einer zweiten Separatorplatte 8 einer
Brennstoffzelle 2 und einer ersten Separatorplatte 7 einer
benachbarten Brennstoffzelle 2 ist ein Oxidationsgasraum 11 ausgebildet,
welcher von Oxidationsgas (Pfeilrichtung 12) durchströmbar ist,
so dass die freie Oberfläche
der Kathodenschicht 4, welche in den Oxidationsgasraum 11 hineinragt,
mit Oxidationsgas anströmbar
ist.
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Die Kontaktierungsschicht 6,
welche – wie oben
beschrieben – mit
ihrer einen Flachseite mit der Kathodenschicht 4 in Kontakt
steht, berührt
mit ihrer zweiten Flachseite eine zum Oxidationsgasraum 11 hingewandte
Flachseite einer ersten Separatorplatte 7 der benachbarten
Einzelbrennstoffzelle 2. Alle Brenngasräume 9 eines Brennstoffzellenstapels 1 stehen über korrespondierende Öffnungen 13 in
den ersten und zweiten Separatorplatten 7, 8 miteinander in
Verbindung. Die Brenngasräume 9 sind
im Bereich zwischen einer zweiten Separatorplatte 8 und
einer ersten Separatorplatte 7 einer benachbarten Einzelbrennstoffzelle 2 mittels
einer Dichtschicht 14 gasdicht von den Oxidationsgasräumen 11 getrennt,
sodass ein Brennstoffzufuhrkanal 15 und ein Abführkanal 16 für die Reaktionsprodukte
ausgebildet ist. Somit kann Brenngas entlang der Pfeilrichtung 18 den Brenngasräumen 9 zugeführt werden
und durchströmt
diesen entlang der Pfeilrichtung 10, wobei das Brenngas
in einer Brennstoffzelle 2 entlang der Anodenschicht 5 oxidiert
wird und das Reaktionsprodukt den Brennstoffzellenstapel 1 entlang
der Pfeilrichtung 19 wieder verlassen kann. Über entsprechend ausgebildete
Zuführ-
und Abführkanäle wird
analog zum Brenngas das Oxidationsgas durch die Oxidationsgasräume 11 geleitet.
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Die Separatorplatten 7, 8 eines
vorbeschriebenen Brennstoffzellenstapels 1 haben somit
einerseits die Funktion, die in Reihe geschalteten Einzelbrennstoffzellen 2 elektrisch
leitend zu verbinden und zum anderen die Separierung von Brenn-
und Oxidationsgas sicherzustellen. Zu diesem Zweck sind die Separatorplatten 7, 8 (auch
Bipolarplatten oder Interkonnektorplatten genannt) aus einem Brenn-
und Oxidationsgas-dichten und elektronisch leitfähigen Material ausgebildet,
wobei sich insbesondere chromhaltige Legierungen, ferritische Stähle und
Perowskite bewährt
haben. Um eine zuverlässige
Separierung der Oxidations- und der Brenngase zu gewährleisten,
ist es erforderlich, jeweils zwischen der zweiten Separatorplatte 8 einer
ersten Brennstoffzelle 2 und der ersten Separatorplatte 7 einer
benachbarten Brennstoffzelle 2 für eine zuverlässige Abdichtung
des Zuführkanals 15 sowie
des Produktabführkanals 16 vom
Oxidationsgasraum 11 zu sorgen.
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Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt, die Dichtschicht 14 beispielsweise aus Glaskeramikloten
auszubilden. Diese Glaskeramiklote werden üblicherweise als Pasten oder
angelöste
Folien vor dem Fügen
eines Brennstoffzellenstapels 1 auf die relevanten Dichtflächen der
Separatorplatten 7, 8 aufgetragen.
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Diese üblicherweise bei Festelektrolytbrennstoffzellen
zum Einsatz kommenden Dichtungsmaterialien (Glaskeramiklote) haben
zwei sich gegenläufig
beeinflussende Eigenschaften. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Dichtungsmaterials ist im Verhältnis zu den Ausdehnungskoeffizienten
der meisten für
die Bipolarplatten 7, 8 verwendeten Materialien
deutlich kleiner. Dies kann beim schnellen Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 1 zu
thermisch induzierten Spannungsrissen in der Dichtschicht 14 und
damit zum Versagen ihrer Dichtwirkung führen. Dies ist insbesondere
bei Festelektrolytbrennstoffzellen (so genannte SOFC, solid oxid
fuel cell), welche im Hochtemperaturbereich arbeiten, besonders
kritisch. Insbesondere für
Festelektrolytbrennstoffzellen, welche durch häufiges In-Betrieb-Nehmen und Abschalten belastet
sind, stellt dies ein bislang nur unbefriedigend gelöstes Problem dar.
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Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt, den Ausdehnungskoeffizienten der Dichtungsmaterialien durch
Zusätze
zu erhöhen.
Diese Zusätze
führen
aber häufig
zu einer Herabsetzung des elektrischen Widerstands des Dichtungsmaterials
bei den typischerweise hohen Betriebstemperaturen einer Festelektrolytbrennstoffzelle.
Hierdurch entstehen über
die Dichtungsschicht 14 zwischen einer zweiten Separatorplatte 8 und
einer ersten Separatorplatte 7 zweier benachbarter Einzelbrennstoffzellen 2 unerwünschte Kriechströme, welche
den elektrischen Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenstapels 1 verschlechtern.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem
Stand der Technik gemäß 3 bekannten Dichtung ist,
dass die bekannten Materialien für
die Dichtungsschicht 14 ein im Vergleich zur Kontaktierungsschicht 6 anderes
Kompressionsverhalten und/oder Schrumpfungsverhalten aufweisen,
wodurch es bei der Montage eines Brennstoffzellenstapels 1 zu
unerwünschten
Ungenauigkeiten kommt, welche eine zuverlässige Kontaktierung der Kontaktierungsschicht 6 mit
einer benachbarten Separatorplatte 7 in Frage stellen kann.
Weiterhin ist von Nachteil, dass das Bereitstellen einer geeigneten
Dichtungsschicht 14 vor dem Fügen des Brennstoffzellenstapels 1 aufwändig und teuer
ist, weil beispielsweise ein Dichtmittelstrang herzustellen ist
oder im Fall einer folienartigen Ausbildung der Dichtungsschicht 14 diese
separat herzustellen und vor dem Fügeprozess zu positionieren bzw.
einzulegen ist.
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Die erwähnten Glaskeramik-Lote haben
zwei gravierende Nachteile:
- 1. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient von Glaskeramiken ist im Verhältnis zu
den Ausdehnungskoeffizienten. der meisten für die Bipolarplatten verwendeten
Materialien (Chromlegierungen, ferritische Stähle, Perowskite, etc.) deutlich kleiner.
Dies kann beim schnellen Aufheizen des Brennstoffzellenstapels (Brennstoffzellen-Stacks)
zu thermisch induzierten Spannungsrissen in den Dichtungen und damit
zum Versagen der Dichtwirkung führen.
Dies ist beim mobilen Einsatz des Brennstoffzellenstapels, z. B.
in einer Hilfsenergieversorgungseinheit in einem Automobil, als
besonders kritisch anzusehen.
- 2. Glaskeramik-Lote schrumpfen während des Fügeprozesses, d. h. während des
Verpressens und des ersten Aufheizens auf Betriebstemperatur 750–900 °C, auf etwa
40%–70%
ihres Ausgangsvolumens zusammen. Der gesamte Stapel sinkt demnach
während
des Fügeprozesses
zusammen. Um die Dichtigkeit des Stapels zu gewährleisten, muss die poröse elektrische
Kontaktierungsschicht 6 der Brennstoffzelle (s. 3) ebenfalls um die gleiche
Dicke schrumpfen. Die Schwierigkeit besteht nun in der Abstimmung
des Schrumpfungsverhaltens von Dichtungs- und Kontaktierungsschicht.
Die für
die elektrische Kontaktierung üblicherweise
verwendeten pastösen
Keramiksuspemsionen schrumpfen schon bei niedrigen Temperaturen
und verfestigen sich bei Temperaturen größer als 400 °C. Bei den
Glaskeramik-Loten setzt der Schrumpfprozess erst bei Temperaturen > 500 °C ein und
ist erst bei Temperaturen > 750 °C abgeschlossen.
Die beiden Prozesse laufen demnach nicht simultan ab und führen häufig zu
Gasundichtigkeiten, mangelnder elektrischer Kontaktierung oder einem
Bruch der SOFC (Festelektrolyt-Brennstoffzelle)
aufgrund lokal zu hoher Anpresskräfte.
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Ausgehend von den vorbenannten Nachteilen
der Glaskeramik-Lote wurde die Entwicklung einer alternativen anorganischen
Dichtmasse betrieben. Sie ist im Ausdehnungskoeffizient besser an
die eingesetzten Bipolarplattenmaterialien angepasst und weist nur
eine minimale Schrumpfung während des
Fügeprozesses
auf, sodass die Notwendigkeit von speziell in ihrem Schrumpfungsverhalten
angepassten elektrischen Kontaktierungsmaterialien entfällt. Diese
Dichtpaste weist aber als Nachteil ein bei Betriebstemperatur unzureichendes
elektronisches Isoliervermögen
auf. Dieses führt
beim Einsatz in Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Stapeln zu elektrischen
Kriechströmen
(Kurzschlüssen)
zwischen den einzelnen Bipolarplatten und damit zu Leistungseinbußen des
Systems.
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Aus der
DE 19515457 C1 ist ein
Dichtungsaufbau für
eine Brennstoffzelle bekannt, bei dem die Elektrolytschicht aus
einer mit Elektrolyt getränkten Elektrolytmatrix
besteht und die Elektrolytmatrix im Dichtungsbereich über die
Elektroden hinaus verlängert
ausgebildet ist, wobei im Dichtungsbereich die Tränkung der
Elektrolytmatrix mit einem dem Elektrolyten chemisch verwandten
Material erfolgt, welches bei der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle
fest ist. Die vorgeschlagene Lösung
bezieht sich jedoch auf eine so genannte Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, welche
einen in einer Elektrolytmatrix flüssig vorhandenen Schmelzelektrolyten
aufweist. Bei dieser Art von Brennstoffzellen spricht man üblicherweise
von einem Nassdichtungsbereich, da der im Betriebszustand schmelzflüssige Elektrolyt
im Randbereich einen Nassbereich bildet, den es abzudichten gilt.
Diese Lösung
kann jedoch nicht auf eine Festelektrolytbrennstoffzelle übertragen
werden, da bei einer solchen Festelektrolytbrennstoffzelle (SOFC:
Solid Oxid Fuel Cell) keine so genannten Nasselektroden oder Nasselektrolyten
existieren und somit das der
DE 19515457 C1 zugrunde liegende Problem
Bauart-bedingt gar nicht auftritt.
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Aus der
DE 19960516 A1 ist eine
Dichtung für
eine Brennstoffzelle bekannt, bei der eine Elektrolytmembran in
den Randdichtungsbereich zwischen zwei Separatorplatten hinein verlängert ist
und auf der Elektrolytmembran eine zweischichtige Gummidichtung
angeordnet ist. Für
den Dichtungsaufbau wird vorgeschlagen, die eine Schicht aus weichem Gummischaum
und die zweite Schicht aus einem härteren Gummi, z. B. Silikongummi
oder Butylgummi auszubilden. Diese Druckschrift befasst sich mit einer
so genannten Niedertemperatur-Brennstoffzelle mit einem Polymermembranelektrolyten.
Diese so genannten Niedertemperatur-Brennstoffzellen haben Betriebstemperaturen,
welche im Bereich zwischen 60°C
und 80°C
liegen. Solche Brennstoffzellen sind mit einer Festelektrolytbrennstoffzelle
hinsichtlich ihrer Betriebstemperaturen nicht vergleichbar, da üblicherweise
Festelektrolytbrennstoffzellen in Temperaturbereichen zwischen 700
und 1100 °C
betrieben werden. Die vorgeschlagene Dichtung aus der
DE 19960516 A1 kann somit
aufgrund der hohen Betriebstemperaturen einer Festelektrolytbrennstoffzelle
nicht auf diese übertragen
werden.
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Aus der
JP 10092450 A ist als Stand
der Technik ein Aufbau bekannt, welcher mit dem der
2 vergleichbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen
Dichtungsaufbau für
eine Brennstoffzelle bzw. einen Elektrolyseur, insbesondere eine
Festelektrolytbrennstoffzelle anzugeben, welcher unempfindlich ist
gegenüber
thermomechanischen Spannungen und gleichzeitig eine elektrische,
insbesondere eine elektronische Isolierung, d. h. eine Undurchlässigkeit
für Elektronen,
sicherstellt. Weiterhin soll der erfindungsgemäße Dichtungsaufbau einfach
und kostengünstig,
insbesondere gegenüber
dem Stand der Technik ohne zusätzliche
Arbeitsschritte herstellbar sein. Außerdem soll die Kompressibilität und/oder
die Schrumpfungscharakteristik des Dichtungsaufbaus der der Kontaktierungsschicht
angepasst sein und somit für
eine erleichterte und insbesondere prozesssicherere Montage sorgen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Dichtungsaufbau
für eine
Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren
zur Herstellung des Dichtungsaufbaus mit den Merkmalen des Anspruchs
19 sowie mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs
24 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den jeweils von den unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um dem mangelnden elektrischen Isolationsvermögen bestimmter
Dichtungsmaterialien zu begegnen, wird im Sinne dieser Erfindung
durch einen gezielten Oxidationsprozess entweder auf den Dichtflächen der
Bipolarbleche selbst oder auf zusätzlich zwischen den Dichtflächen der
Bipolarbleche eingefügten
Isolationsblechen eine Außenhaut
aus Aluminiumoxid (Al2O3)
in γ-Modifikation
erzeugt. γ-Al2O3 weist einen sehr
hohen elektrischen Widerstand und eine ausgezeichnete Korrosionsstabilität sowohl
in oxidierenden als auch reduzierenden Medien auf. Der Einsatz von
zusätzlichen
Isolationselementen wird dann notwendig, wenn die Verwendung von γ-Al2O3-bildenden Stahlsorten
als Bipolarmaterial nicht erwünscht
ist, z. B. weil dadurch auch die elektrische Stromleitung zwischen
Bipolarblech und Zellen eingeschränkt wird.
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Die Aluminiumoxid-Außenhaut
wird durch das gezielte Oxidieren von Stahlblechen mit hohem Aluminiumgehalt
(> 2%, vorzugsweise >4,5%) bei Temperaturen > 900°C, vorzugsweise > 1050°C erzeugt.
Um die Korrespondenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Bipolarblechen, Dichtmittel und ggf. Isolationsblech zu gewährleisten,
kommen vor allem ferritische Stähle
mit Chromgehalten von ca. 20 % in Frage (z. B. die Werkstoffnummern 1.4765
und 1.4767). Da diese Materialien als Bänder in den verschiedensten
Dicken kommerziell erhältlich sind,
können
den ggf. einzusetzenden Isolationsblechen gleichzeitig die Funktion
des Distanzhalters zwischen den einzelnen Bipolarplatten übertragen werden,
welche im Stand der Technik von der Dichtung selbst übernommen
wurde. Die Bänder
sind leicht formgebend zu bearbeiten (Prägen, Stanzen, Schneiden) und
können
prinzipiell in jede beliebige – der
Bipolarplatte angepasste – Form
gebracht werden. Beim Fügen
des Brennstoffzellenstapels werden sie beidseitig zwischen den Bipolarplatten
eingedichtet.
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Die Unterbindung elektrischer Kurz-
und Kriechströme
zwischen den einzelnen Zellelementen im Brennstoffzellenstapel ist
eine unabdingbare Notwendigkeit. Die Applikation eines elektrisch
isolierenden Elements zwischen den Bipolarplatten von Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapeln
ermöglicht
den Einsatz von elektrisch nur unzureichend isolierenden Dichtungswerkstoffen
zur Separierung und Verteilung der Brenn- und Oxidationsgase. Die Option zur Verwendung
dieser bei SOFC-Betriebstemperatur leitfähigen Dichtungen
ermöglicht
ein neuartiges Fügekonzept
des Brennstoffzellenstapels, bei dem auf eine aufwendige und schwer
zu realisierende Anpassung des Schrumpfungverhaltens von Dichtung
und poröser
elektrischer Kontaktierungsschicht der Festelektrolyt-Brennstoffzelle
verzichtet werden kann. Der Fügeprozess
wird dadurch wesentlich vereinfacht.
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Darüber hinaus ermöglicht die
Verwendung elektrisch leitender Dichtungswerkstoffe die Verwendung
von Materialien, die besser an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Bipolarplattenmaterialien angepasst sind, sodass die Wahrscheinlichkeit des
Versagens der Dichtfunktion aufgrund schneller thermischer Zyklen – wie z.
B. für
den Einsatz der Festelektrolyt-Brennstoffzelle in einer mobilen
Hilfsenergie-Versorgungseinheit
gefordert werden – vermindert
wird.
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Der Einsatz der besagten elektrischen
Isolationsschichten ist besonders dann vorteilhaft, wenn diese preisgünstig aus
kommerziell verfügbaren
Materialien gefertigt werden können.
Dies trifft für
die Verwendung von voroxidierten ferritischen Stählen zu, nicht aber z. B. für sinterkeramische
Isolationselemente.
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Die beiden prinzipiell möglichen
Aufbringungsorte der Al2O3-Isolationsschicht – direkt
auf das Bipolarblech oder auf zusätzliche Isolationsbleche – bringen
jeweils spezifische Vorteile mit sich. Während die direkte Oxidation
der Bipolarfläche
keine zusätzlichen
Komponenten im Stapel benötigt
und somit auch die Anzahl der Arbeitsvorgänge beim Fügen des Brennstoffzellenstapels
nicht zunimmt, wirkt sich bei der Einbringung zusätzlicher
Isolationselemente die Kombination von elektrischen und mechanischen Aufgaben
der Isolationselemente vorteilhaft aus. Diese Kombination wird erreicht,
wenn das Isolationselement gleichzeitig Distanzhalterfunktion zwischen
benachbarten Bipolarblechen von dem Dichtungsmaterial übernimmt
und die Dichtung so auf eine minimale – allein durch die Dichtfunktion
vorgegebene – Dicke reduziert
werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
der Figuren beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
aufweisend zwei Einzelbrennstoffzellen, welche einen erfindungsgemäßen Dichtungsaufbau
aufweisen;
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
aufweisend zwei Einzelbrennstoffzellen, welche mit einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Dichtungsaufbaus
ausgestattet sind;
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels
gemäß dem Stand
der Technik.
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Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1 (1) weist zumindest zwei
Einzelbrennstoffzellen 2, bevorzugt eine Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 2 auf,
welche turmartig übereinander
gestapelt sind. Die Einzelbrennstoffzellen 2 besitzen in bekannter
Art und Weise eine Elektrolytschicht 3, eine Kathodenschicht 4 und
eine Anodenschicht 5 und sind. bevorzugt als so genannte
Festelektrolyt-Brennstoffzellen (SOFC-Brennstoffzellen) ausgebildet.
Die Anodenschicht 5 ist ggf. auf einer tragenden Substratschicht
(nicht gezeigt) angeordnet. Die Kathodenschicht 4 steht
mit ihrer freien Flachseite mit einer Kontaktierungsschicht 6 in
Verbindung, welche die Kathodenschicht 4 mit einer ersten
Separatorplatte 7 (auch Bipolarplatte oder Interkonnektorplatte
genannt) einer benachbarten Einzelbrennstoffzelle 2 elektrisch
verbindet. Vergleichbar zum Stand der Technik weist ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1 Brenngasräume 9 auf,
welche über einen
Brenngaszuführkanal 15 entlang
der Pfeilrichtungen 18, 10, 19 von Brenngas
durchströmbar
sind. Über
einen Abführkanal 16 können überschüssiges Brenngas
und Reaktionsprodukte abgeführt
werden. Ebenso weist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel 1 Oxidationsgasräume 11 auf,
welche über geeignete
Zuführ-
und Abführkanäle (nicht
gezeigt) von Oxidationsgas durchströmt werden können. Die Kontaktierungsschicht 6 ist
elektrisch leitend und porös
ausgebildet, sodass das Oxidationsgas entlang der Pfeilrichtung 12 durch
die Kontaktierungsschicht 6 hindurchströmen kann.
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Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel 1 weist
zur Trennung der Brenngase von den Oxidationsgasen einen erfindungsgemäßen Dichtungsaufbau 20 auf,
welcher erfindungsgemäß mehrschichtig,
insbesondere zumindest zweischichtig, ausgebildet ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Dichtungsaufbaus 20 weist
dieser eine Dichtungsschicht 21 und eine Isolierschicht 22 auf.
Die Isolierschicht 22 besteht aus einem Metalloxid, insbesondere
einem Aluminiumoxid (Al2O3), welches
in besonders bevorzugter Weise in der so genannten γ-Modifikation ausgebildet
ist. A12O3 in der γ-Modifikation
weist einen sehr hohen elektrischen Widerstand und eine ausgezeichnete
Korrosionsstabilität
sowohl in oxidierenden als auch in reduzierenden Medien auf.
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Die Isolierschicht 22 ist
bei der Ausführungsform
gemäß 1 in sämtlichen erforderlichen Dichtungsbereichen 25 zwischen
zwei benachbarten Einzelbrennstoffzellen 2 auf einer einem
Oxidationsgasraum 11 zugewandten Oberseite 26 einer
der Bipolarplatten 7, 8 angeordnet. Die Anordnung
der Dichtungsschicht 21 auf einer freien Oberfläche einer Bipolarplatte 7, 8 ist
besonders dann von Vorteil, wenn die Bipolarplatten 7, 8 aus
einem Stahlwerkstoff mit hohem Aluminiumgehalt (> 2 %) hergestellt sind. In diesem Fall
kann die Aluminiumoxid-Isolierschicht durch gezieltes, insbesondere
lokales Oxidieren der Bipolarplatten 7, 8 in den
Dichtungsbereichen 25, bevorzugt oberhalb von 900 °C, hergestellt
werden. Auf einer freien Oberfläche 22a der
Isolierschicht 22 ist die Dichtungsschicht 21 angeordnet,
wobei sichergestellt sein muss, dass die Dichtungsschicht 21 mit höchstens
einer der Bipolarplatten 7 oder 8 in Verbindung
steht und anderendig nur mit der Isolierschicht 22 in Berührung kommt.
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Die Dichtungsschicht 21 ist
in bekannter Art und Weise beispielsweise aus einem Glaskeramik-Lot
ausgebildet, welches mittels Zusätzen
an den thermischen Ausdehnungskoeffizient der Separatorplatten 7, 8 angepasst
ist. Vorteilhafterweise ist die Dichtungsschicht 21 in
ihrem Schrumpfungsverhalten bei Erwärmung an das Schrumpfungsverhalten
der Kontaktierungsschicht 6 angepasst. Eine ggf. durch
geeignete Zusätze
bewirkte erhöhte
Leitfähigkeit
der Dichtungsschicht 21 bei Betriebstemperatur der Brennstoffzellen 2,
insbesondere im Temperaturbereich von 750 °C bis 900 °C, in dem üblicherweise Festelektrolyt-Brennstoffzellen
(so genannte SOFC-Brennstoffzellen)
betrieben werden, kann wegen der zuverlässigen elektrischen Isolation
durch die Isolationsschicht 22 ohne weiteres in kauf genommen
werden.
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Zur gasdichten Abdichtung der Zuführ- und Abführkanäle für das Oxidationsgas,
welche in den 1 und 2 nicht gezeigt sind, ist
ein erfindungsgemäßer Dichtungsaufbau 20 entsprechend
zwischen einer ersten Separatorplatte 7 und einer zweiten
Separatorplatte 8 einer Einzelbrennstoffzelle 2 angeordnet, damit
die Brenngasräume 9 von
Oxidationsgas-führenden
Kanälen
getrennt sind.
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Bevorzugt bedeckt die Isolierschicht 22 auf der
Separatorplatte 7 oder 8, auf der sie angebracht ist,
eine größere Fläche, als
sie von der Dichtungsschicht 21 benötigt wird, damit sichergestellt
ist, dass keine "elektrische
Brücke" durch Material der
Dichtungsschicht 21 beim Fügen
des Brennstoffzellenstapels ausgebildet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß 1 hat den Vorteil, dass
eine verbesserte Dichtungs- und Isolierwirkung zwischen zwei Einzelbrennstoffzellen 2 erreicht
werden kann, ohne dass bei der Montage des Brennstoffzellenstapels 1 gegenüber bisheriger
Montageabläufe
zusätzliche Montageschritte
notwendig sind. Lediglich bei der Fertigung der Separatorplatten 7, 8 muss
für die
Ausbildung der Isolierschicht 22, beispielsweise aus Al2O3, gesorgt werden,
was jedoch in einfacher Art und Weise durch einen Oxidationsprozess
bei der Herstellung der Separatorplatten auch vollautomatisch geschehen
kann. Somit ist eine prozesssichere und zuverlässige Montage eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1 gemäß 1 sichergestellt.
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Bei einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Dichtungsaufbaus
gemäß 2 ist die Isolierschicht 22 auf
einer Trägerschicht 23 angeordnet,
wobei zwischen der Isolierschicht 22 und einer benachbarten
Separatorplatte 7 eine erste Dichtungsschicht 21a und
zwischen der Trägerschicht 23 und
deren benachbarter Separatorplatte 8 eine Dichtungsschicht 21b angeordnet
ist. Somit ist der Dichtungsaufbau 20 in diesem Ausführungsbeispiel
zumindest vierschichtig, aufweisend zumindest eine Trägerschicht 23, zumindest
eine Isolierschicht 22 und zumindest zwei Dichtungsschichten 21a, 21b, ausgebildet.
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Die Isolierschicht 22 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
aus dem gleichen Werkstoff ausgebildet wie die Isolierschicht 22 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 1. Die Dichtungsschichten 21a, 21b sind
bevorzugt aus demselben Material ausgebildet wie die Dichtungsschicht 21 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 1. Die Trägerschicht 23 ist
beispielsweise ein Stahlblech mit hohem Aluminiumgehalt (> 2 %). Bei solchen
Stahlblechen kann bei Temperaturen oberhalb von 900 °C die Isolierschicht 22 aus
Aluminiumoxid durch gezieltes Oxidieren hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt sind ferritische
Stähle mit
Chromgehalten von ca. 20 % (z. B. Werkstoff Nr. 1.4765, insbesondere
mit einem Aluminiumgehalt von 5–6
%, Werkstoff Nr. 1.4767, insbesondere mit einem Aluminiumgehalt
von 4,5–5,5%).
Diese Materialien eignen sich für
die Ausbildung der Trägerschicht 23 in
besonderem Maße,
wenn die Gleichartigkeit bzw. Korrespondenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Bipolarbleche 7, 8 , Dichtmittel der Dichtungsschicht 21 und
der Isolationsschicht 22 erreicht werden soll. Besonders
bevorzugt sind die genannten Werkstoffe auch, weil sie als Bänder in den
verschiedensten Dicken kommerziell erhältlich sind und leicht formgebend
zu bearbeiten, z. B. zu prägen,
zu stanzen und zu schneiden sind.
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Im Falle der Ausbildung der Trägerschicht 23 aus
einem Stahlblech kann durch geeignete Auswahl der Blechdicke die
Trägerschicht 23 vorteilhafterweise
eine Zusatzfunktion, nämlich
die Funktion eines Abstandshalters zwischen zwei benachbarten Einzelbrennstoffzellen 2 wahrnehmen.
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Somit kann in einfacher Art und Weise
die Schrumpfung des gesamten Dichtungsaufbaus 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 2 an die Schrumpfung
der Kontaktierungsschicht 6 angepasst werden. Z. B. kann
bei Verwendung eines Dichtungsmaterials für die Dichtungsschichten 21a, 21b,
welches eine hohe Schrumpfung aufweist, die Dicke der Trägerschicht 23 relativ
groß gewählt werden,
sodass die Summe der Schrumpfungen der Dichtungsschichten 21a, 21b der
Gesamtschrumpfung der Kontaktierungsschicht 6 entspricht.
Bei einem Dichtungsmaterial, welches eine nur sehr geringe Schrumpfung
aufweist, kann durch die Wahl einer dünneren Trägerschicht 23 die
verbleibende Dichtungsschichtdicke der Dichtungsschichten 21a, 21b derart
groß gewählt werden,
dass die Summe der Schrumpfungen der Dichtungsschichten 21a, 21b der
Gesamtschrumpfung der Kontaktierungsschicht 6 entspricht.
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Die Abstimmung der einzelnen Schichtdicken
der ersten Dichtungsschicht 21a, der zweiten Dichtungsschicht 21b und
der Trägerschicht 23 kann in
einer begrenzten Anzahl von Versuchen vom Fachmann derart festgelegt
werden, dass der Dichtungsaufbau 20 in seinem Schrumpfungsverhalten dem
der Kontaktierungsschicht 6 entspricht. Ist die Schrumpfung
des Materials, aus dem die Kontaktierungsschicht 6 besteht,
besonders gering, kann beispielsweise auch die Schichtdicke für die Dichtungsschichten 21a, 21b derart
minimiert werden, dass die Dichtmaterial-spezifische minimale, allein
durch die Dichtfunktion vorgegebene Dicke, eingestellt wird. Das
elektrische Isolationsvermögen
der Dichtung muss somit bei der Auswahl der Schichtdicke nicht mehr
mitberücksichtigt
werden.
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Besonders bevorzugt ist die Trägerschicht 23 aus
einem voroxidierten ferritischen Stahl ausgebildet, da somit der
Arbeitsgang des Oxidierens der Trägerschicht 23 bei
der Brennstoffzellen-Herstellung entfallen kann.
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Die Merkmale der Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 können
auch kombiniert werden, insbesondere kann auch bei einem Dichtungsaufbau 20 gemäß 1 eine Anpassung der Schrumpfungscharakteristik
durch Einlegen einer Trägerschicht 23, welche
gegebenenfalls auch keine Al2O3-Schicht
aufweist, lediglich in der Funktion eines Abstandshalters eingesetzt
werden.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
beispielhaft näher
erläutert:
Zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtungsaufbaus 20 wird
erfindungsgemäß eine Isolierschicht 22 auf
einen Träger 7, 8, 23 aufgebracht.
Der Träger kann
dabei in besonders bevorzugten Ausführungsformen zum einen eine
der Separatorplatten 7, 8 und zum anderen die
Trägerschicht 23 sein.
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Erfindungsgemäß wird auf den Trägern 7, 8, 23 in
den Dichtungsbereichen 25 eine Isolierschicht 22,
insbesondere aus Al2O3,
bevorzugt Al2O3 in
der γ-Modifikation,
angebracht. Hierbei wird das Material des Trägers 7, 8, 23 durch
gezielte Oxidation mit der Isolierschicht 22 versehen.
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Besonders vorteilhaft ist, für den Träger 7, 8, 23 einen
Werkstoff zu verwenden, welcher Aluminium in ausreichend großer Menge,
insbesondere in einer Menge > 2
% enthält.
Geeignete Werkstoffe hierfür
sind z.B. die Werkstoffe mit den Nummern 1.4765 und 1.4767.
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Das gezielte Oxidieren findet dabei
bevorzugt > 900 °C , insbesondere
bei Temperaturen > 1050°C, statt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
wird nach dem Herstellen der Isolierschicht 22 in den Dichtungsbereichen 25 der
Separatorplatten 7, 8 auf die Isolierschicht 22 die
Dichtungsschicht 21, beispielsweise in Form eines Dichtmaterialstrangs,
aufgesetzt.
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Im Falle der Anbringung der Isolierschicht 22 auf
einer Trägerschicht 23,
insbesondere eines Trägerblechs,
wird der Dichtungsaufbau hergestellt, indem im Dichtungsbereich 25 der
Bipolarplatten 7 bzw. 8 ein Dichtmittelstrang
zur Ausbildung einer ersten Dichtungsschicht 21a aufgebracht
wird. Anschließend
wird die die Isolierschichten 22 aufweisende Trägerschicht 23 auf
die erste Dichtungsschicht 21a aufgesetzt, wobei auf die
aufgesetzte Trägerschicht 23 wiederum
in den Dichtungsbereichen 25 ein Dichtmittelstrang zur
Ausbildung der zweiten Dichtungsschicht 21b angebracht
wird. Die vorbeschriebene Schichtaufeinanderfolge ist derart zwischen
zwei benachbarten Bipolarplatten 7, 8 zweier benachbarter Einzelbrennstoffzellen 2 angeordnet,
dass entweder Zuführ-
bzw. Abführkanäle für Brenngas
oder Zuführ- bzw. Abführkanäle für Oxidationsgas
ausgebildet werden, wobei die Brenngaskanäle jeweils mit Brenngasräumen 9 und
die Oxidationsgaskanäle
mit Oxidationsgasräumen 11 in
Verbindung stehen.
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Vorteilhaft bei der ersten geschilderten
Ausführungsform
ist, dass für
die Montage eines Brennstoffzellenstapels gegenüber dem Stand der Technik keine
zusätzlichen
zu verbauenden Teile existieren und somit die Montage nicht erschwert
wird, obwohl eine verbesserte Anpassung der Isoliereigenschaften
und der Ausdehnungs- bzw. Schrumpfungscharakteristiken des Dichtungsaufbaus,
insbesondere eine mögliche
Anpassung der Schrumpfung und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Dichtmasse an die entsprechenden Parameter der Kontaktierungsschicht 6 bzw.
der Separatorplatten 7, 8 erreicht ist.
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Bei der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist von Vorteil, dass trotz eines zusätzlichen Montageteils (Trägerschicht 23 mit
Isolierschicht 22), welches bei der Montage eines Brennstoffzellenstapels 1 zusätzlich eingelegt
werden muss, erreicht werden kann, dass die Trägerschicht 23 zusammen
mit der Isolierschicht 22 inkompressibel ist und deswegen
eine Abstandshalterfunktion übernehmen
kann. Zudem ist es möglich,
durch Variation der Dickenverhältnisse
der Trägerschicht 23 und
der Dichtungsschichten 21a, 21b die Schrumpfung
des Dichtungsaufbaus 20 der Schrumpfung der Kontaktierungsschicht 6 sowohl hinsichtlich
des absoluten Endmaßes
als auch im Verlauf während
des Schrumpfens anzupassen. In einem besonders bevorzugten Fall
können
dabei die Dicken der Dichtungsschichten 21a, 21b derart
weit reduziert werden, dass lediglich die für die Dichtfunktion vorgegebene
Mindestdicke vorliegt und somit eine Einsparung des relativ teuren
Dichtungsmittels, welches zur Ausbildung der Dichtungsschichten 21a, 21b verwendet
wird, erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass die
mit Dichtungsmaterial zu füllende
Spaltweite des Dichtungsspaltes erheblich reduziert werden kann
und somit das Risiko des Versagens der Dichtung erheblich reduziert
wird.