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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Es sind Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme
bekannt, bei denen ein Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung
von mehreren keramischen Brennstoffzellen, welche jeweils durch
Bipolarplatten (diese werden selbst im deutschen Sprachraum bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen
auch mit dem Begriff "Interconnect-Layer" bezeichnet) voneinander getrennt
sind, aufgebaut ist. Die Bipolarplatten haben hierbei mehrere Aufgaben:
- – Elektrische
Kontaktierung der Elektroden der Brennstoffzellen und Weiterleitung
des Stroms zur benachbarten Zelle (Serienschaltung der Zellen),
- – Versorgung
der Zellen mit Reaktionsgasen und z.B. Abtransport der erzeugten
Reaktionsabgase über
eine entsprechende Kanalstruktur, oder eine eingelete Gasverteilungsstruktur,
- – Weiterleiten
der bei der Reaktion in der Brennstoffzelle entstehenden Abwärme, sowie
- – Abdichten
der verschiedenen Gaskanäle
gegeneinander und nach außen.
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Gegenüber herkömmlichen Niedertemperatur-Brennstoffzellen
(etwa Polyelektrolytmembran-Brennstoffzellen) haben Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme
spezifische Besonderheiten. Wie der Name schon sagt, werden diese
bei hohen Temperaturen, vorzugsweise über 500°C bis hin zu 1000°C und mehr
betrieben. Hierdurch ergeben sich spezifische Besonderheiten. Insbesondere
durch die hohen Temperaturen sind für die Ausführung einer Dichtungsfunktion
nur wenige geeignete Materialien verfügbar. Für die sichere und langzeitstabile
Abdichtung der Medien benötigt
die Dichtung eine andauernde Elastizität und Fähigkeit, den thermisch induzierten
Relativbewegungen der Stackkomponenten untereinander zu folgen.
Dies ist bei Temperaturen über
500°C nur
mit wenigen Materialien (z.B. Hochtemperaturstählen oder keramischen Materialien
auf Basis von Glimmer oder anderen Schichtsilikaten) zu erreichen.
Hierbei ist außerdem
beachtlich, dass ein Austreten dieser (oft brennbaren) Gase insbesondere
bei Anwendungen der Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der Nähe von Wohnhäusern besonders sorgfältig zu
beachten ist. Die einzelnen keramischen Brennstoffzellen der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (auch
SOFC genannt) sind mit den Bipolarplatten verbunden. Die Bipolarplatten
stellen durch Kanäle oder
eingelegte Gasverteilungsschichten die Zu- und Abfuhr von Gasen
sowie die elektrische Kontaktierung zur Brennstoffzelle her. Des
weiteren sind z.B. Verschraubungen vorhanden, die den Stack zusammenhalten.
Diese Durchtritte müssen
gegeneinander abgedichtet werden, wie auch der elektrisch aktive Raum
der Brennstoffzelle abgedichtet werden muss. In diesem umschlossenen
Raum befindet sich die eigentliche aktive Brennstoffzelle, die sich
aus Anode, Kathode und dem zentralen Elektrolyten zusammensetzt.
Der Elektrolyt und die Elektroden (Anode und Kathode) sind in der
Regel keramische und/oder Metall-Keramische (sog. Cermet) Materialien
und dadurch nicht elastisch und spröde. Die Brennstoffzellen sollen
den optimalen Kontakt und die Verpressung zwischen Zelle und den
daran angrenzenden Kontaktschichten herstellen. Dabei werden die
Dichtungen meist im Krafthauptschluss verbaut. Damit verspricht
man sich, die Toleranzen der keramischen Zelle auszugleichen.
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Für
die Medienzu- bzw. -abfuhr von den Bipolarplatten zu den eigentlichen
keramischen Brennstoffzellen weisen die Bipolarplatten Öffnungen
zur Medienzu- und – abfuhr
auf.
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Insbesondere in Bezug auf die Stabilität der keramischen
Brennstoffzellen und der Abdichtung ergeben sich hier regelmäßig Schwierigkeiten. Üblich ist
es bisher, die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten bzw. zwischen
Bipolarplatten und den keramischen Brennstoffzellen dadurch auszuführen, dass z.B.
keramisches Glaslot auf die Dichtflächen aufgetragen wird. Dieses
Glaslot kann sich beispielsweise aus Aluminiumoxid, Boroxid, Kalziumoxid,
Bariumoxid sowie Siliziumoxid zusammensetzen.
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Problematisch ist hierbei jedoch,
dass die Dichtwirkung des Glaslots durch die Verklebung der Stackbau teile
untereinander erreicht wird. Hierzu wird beim ersten Hochheizen
des Brennstoffzellenstacks das auf den Bipolarplatten aufgebrachte
Glaslot aufgeschmolzen. Durch Anlegen der mechanischen Druckspannung
von außen
wird der Stack komprimiert, wodurch das Glaslot sich an die Struktur und
Beschaffenheit der Bipolarplatten und der Brennstoffzelle anpasst
und schließlich
die einzelnen Lagen des Brennstoffzellenstacks mit einander verklebt.
Durch anschließendes
Auskristallisieren des Glaslots sind die einzelnen Lagen fest miteinander verbunden
und zu einer nahezu untrennbaren Einheit verklebt. Dadurch ist der
Ausgleich der, bei Temperaturwechseln im Brennstoffzellensystem
auftretenden, Relativbewegungen zwischen den Bipolarplatten und den
Brennstoffzellen stark behindert, wodurch massive mechanische Belastungen
in den Stackbauteilen induziert werden und deren Stabilität und Lebensdauer
deutlich verringert werden. Zudem wird durch den nahezu unlösbaren Verbund
der einzelnen Bauteile im Stack der Auseinanderbau und somit dessen Wartung
bzw. Reparatur extrem erschwert bzw. unmöglich gemacht.
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Es ist also festzuhalten, dass der
größte Nachteil
der bekannten Glaslotdichtungen das nur unzureichende Vermögen ist,
mechanische Bewegungen der abgedichteten Bauteile auszugleichen, hiermit
geht eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit einher, welche langfristig
zu Sprödbrüchen und
somit gefährlichen
Undichtigkeiten führen
kann.
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Die nachveröffentlichte
DE 101 58 772 C1 zeigt
ein Niedertemperatur-Brennstoffzellensystem, welches für PEMFC
(Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran) geeignet ist. Dieses
weist einen Brennstoffzellenstack auf mit einer Schichtung mehrerer
PEMFC, welche jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt
sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen
zur Medienverteilung bzw. zum Wärmeaustausch
aufweisen und der Brennstoffzellenstack in Richtung der Schichtung
unter mechanische Druckspannung setzbar ist. Zur Abdichtung von Öffnungen
sind bereichsweise elastische Sickenanordnungen vorgesehen. Die
hier gezeigte Brennstoffzelle ist für Hochtemperaturanwendungen
ungeeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine sichere Abdichtung der Öffnungen
in einem Brennstoffzellenstack zu möglichst geringen Kosten zu
erreichen. Die keramischen Brennstoffzellen sollen hierbei gleichmäßig mit
den daran angrenzenden Schichten verpresst werden und dauerhaft
gegenüber
den einzelnen Gasräumen abgedichtet
werden um ein Vermischen der gasförmigen Medien wirkungsvoll
zu unterbinden. Hierbei dürfen
insbesondere auftretende Temperaturschwankungen die Funktion der
Dichtung nicht beeinträchtigen,
günstigenfalls
soll das Dichtsystem auch sogar Fertigungstoleranzen ausgleichen
können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem
nach Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch, dass bei einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem
insbesondere für
Betriebstemperaturen der Bipolarplatten in deren elektrisch aktiven
Bereich gemittelt >300°C, vorzugsweise >500°C zumindest bereichsweise dauerhaft
elastische Sickenanordnungen zur Abdichtung der Öffnungen und/oder eines elektrisch
aktiven Bereichs des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind, wird
eine sichere Abdichtung über
einen langen elastischen Weg der Sickenanordnung selbst bei Temperaturschwankungen
erreicht. Unter "Öffnungen" werden hierbei in
der vorliegenden Anmeldung praktisch beliebige abzudichtende Bereiche
verstanden. Dies sind vorzugsweise Durchgangsöffnungen für ein Reaktionsgas bzw. -abgas.
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Die elastische Sickenanordnung erlaubt stets
in einem weiten Toleranzbereich Herstellungstoleranzen von z.B.
der keramischen Brennstoffzelle selbst bzw. hieran angrenzenden
Kontaktmatten auszugleichen und trotzdem eine optimale Dichtwirkung bereitzustellen.
Durch die verschiedenen Sickenanordnungen wird es möglich, die
Kompressionskennlinie der Sicke an die der aktiven Lage (also der
Brennstoffzelle selbst) anzupassen. Die Rauhigkeit der Materialien,
die mit der Sicke in Kontakt stehen, wird vorzugsweise durch eine
entsprechende Beschichtung auf den Sicken ausgeglichen. Die Beschichtung
der Sicken ist hierbei so ausgeführt,
dass auch bei höheren
Temperaturen eine andauernde Dichtwirkung, trotz unterschiedlicher
mechanischer Relativbewegungen der Brennstoffzellenbestandteile
gewährleistet
ist. Ein Ausgleich dieser mechanischen Relativbewegungen aufgrund
der massiven Temperaturänderungen
im Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle
ist von entscheidender Bedeutung für deren Langzeitstabilität.
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Mit der erfindungsgemäßen Sickenanordnung
wird auch der elektrisch aktive Bereich der Brennstoffzellen optimal
abgedichtet. Hierin befinden sich regelmäßig die eigentlichen Brennstoffzellen
in Form von dünnen
keramischen Platten (200 μm
bis 0,5 mm), welche sehr spröde
sind. Hierbei ist gegebenenfalls darauf achten, dass im Dichtbereich,
wo der elektrisch aktive Bereich der Brennstoffzellen mit den Bipolarplatten
zusammentreffen, gegebenenfalls durch entsprechende Beschichtungen
eine elektrische Isolation erfolgt, um einen Kurzschluss der Brennstoffzelle
zu verhindern.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Sickenanordnung zur Mikroabdichtung
mit einer dünnen
Beschichtung mit einer Dicke zwischen 1 μm bis 200 μm ausgeführt ist. Die Beschichtung ist
vorteilhafterweise aus einem temperaturbeständigen Verbundwerkstoff, etwa
auf keramischer Basis. Diese Keramiken setzen sich z.B. aus Oxiden,
Silikaten, Nitriden, Cabriden z.B. der Elemente Aluminium, Silizium,
Bor, Kalzium, Magnesium zusammen, die für die Applikation der Beschichtung
durch Zusatzstoffe wie z.B. Lösungsmitteln,
Stellmitteln, Plastifizierung- und Bindemitteln zu einer geeigneten
Suspension oder Paste verarbeitet werden. Außerdem können auch Metalle, sowie -legierungen
als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden, die bei Betriebstemperatur
der Hochtemperatur-Brennstoffzelle plastisch weich verformbar sind z.B.
Gold, Silber. Die Beschichtung erfolgt hierbei vorteilhafterweise
im Siebdruckverfahren, im Tampondruck, in Schablonendruckverfahren,
durch Aufwalzen, durch Pulverbeschichtung, mit CIPG (cured in place
gasket; d.h. flüssig
bzw. pastös
aufgetragenes Material, das sich unter Erhalt von Kontur und Form
der Wulst am Auftragsort verfestigt) oder auch durch PVD/CVD-Verfahren (physikalisch/chemical vapor
deposition, d.h. Abscheidung aus der Gasphase) oder galvanisch.
Durch diese Maßnahmen
wird erreicht, dass Oberflächenrauhigkeiten
der abzudichtenden Bauteile ausgeglichen werden und so z.B. die Gasdiffusion
durch die Dichtung auf ein extrem geringes Maß reduziert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass zwischen den sehr dünnen keramischen Brennstoffzellen
und den Bipolarplatten kontaktverbessernde Mittel, wie etwa Netze, Streckbleche
und/oder Filze aus z.B. Nickel oder Hochtemperaturstählen vorgesehen
sind. Hierdurch wird einerseits ein leicht elastischer Ausgleich,
welcher die spröden
Zellen zusätzlich
schützt
sowie insbesondere eine Wirkungsgradverbesserung aufgrund verbesserter
elektrischer Leitfähigkeit
erreicht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Sickenanordnung eine Vollsicke oder
eine Halbsicke enthält.
Hierbei ist es innerhalb einer Sickenanordnung auch möglich, beide
Formen vorzusehen, da sich je nach Verlauf der Sickenanordnung in
der Ebene andere Elastizitäten
als sinnvoll erweisen können,
z.B. dass in engen Radien eine andere Sickengeometrie sinnvoll ist
als bei geraden Verläufen
der Sickenanordnung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass die Sickenanordnung aus Stahl ist. Stahl bietet den Vorteil,
dass seine Bearbeitung mit üblichen
Werkzeugen sehr kostengünstig
möglich
ist, außerdem
sind z.B. Methoden zur Beschichtung von Stahl mit dünnen Werkstoffschichten
gut erprobt. Die guten Elastizitätseigenschaften
von Stahl ermöglichen
den erfindungsgemäßen langen
elastischen Dichtungsbereich der Erfindung gut auszubilden. Hierbei
bietet es sich insbesondere an, dass die Sickenanordnung an der
Bipolarplatte angebracht ist. Hierbei gibt es zum einen die Möglichkeit,
dass die Bipolarplatte insgesamt als ein Stahlformteil ausgeführt ist
(welches zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung u.a. auf
der Kathode der Brennstoffzelle mit einem sogenannten Cermet als
Kontaktschicht versehen ist). Es ist jedoch auch möglich, dass
die Bipolarplatte als Verbundelement zweier Stahlplatten mit einer
dazwischen liegenden dritten Stahlplatte ausgeführt ist. In jedem Fall können jedoch
die guten Fertigungsmöglichkeiten
von Stahl ausgenutzt werden, es ist möglich die Sickenanordnung innerhalb
eines sowieso stattfindenden Fertigungsschrittes (z.B. dem Prägen eines
Flowfields) vorzunehmen. Hierdurch ergeben sich sehr geringe Kosten,
es sind auch keine zusätzlichen
Dichtungsflächen
durch Extrabauteile, wie etwa zusätzlich eingelegte Dichtungsrahmen
gegeben.
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Die Materialwahl hängt selbstverständlich vom
Temperaturbereich der Hochtemperatur-Brennstoffzelle ab. Die hier
geschilderten metallischen Werkstoffe sind zumeist Stahllegierungen,
die am Betriebspunkt der Brennstoffzelle eine ausreichende Festigkeit
und Materialkompatibilität
zu den aktiven Komponenten der Brennstoffzelle bieten (z.B. auf
Basis ferritischer Stahllegierungen oder Nickellegierungen).
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Somit wird es möglich, die Kompressionskennlinie
der Sicke z.B. an eine keramische Brennstoffzelle bzw. an eine keramische
Brennstoffzelle mit darauf liegender Kontaktlage (etwa ein Nickelnetz etc.)
anzupassen. Dies muss jedoch nicht nur für keramische Brennstoffzellen
gelten, die Sickenlinie kann allgemein an Bauteilen mit geringer
Elastizität gut
angepasst werden. Die gesickte Dichtung ist flexibel gestaltbar
und damit außerdem
bei allen Brennstoffzellenherstellern gut und ohne hohe Umrüstkosten
anwendbar.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass die Sickenanordnung einen Stopper aufweist, der die Kompression
der aktiven Schichten auf eine Mindestdicke begrenzt. Es handelt
sich hierbei um einen inkompressiblen Teil der Sickenanordnung bzw.
einen Teil, dessen Elastizität
sehr viel geringer ist als der der eigentlichen Sicke. Hierdurch wird
erreicht, dass der Grad der Verformung im Sickenbereich begrenzt
wird, so dass es nicht zu einem völligen Plandrücken der
Sicke kommen kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass in die Einprägung,
die die abdichtende Sicke darstellt, ein weitgehend inkompressibles, hochtemperaturstabiles
Material (z.B. auf Basis von Silikaten oder anderen oxidkeramischen
Verbindungen) eingebracht wird, das ähnlich dem bereits beschriebenen
Stopper, das völlige
Planpressen der Sicke verhindert und so hilft, die Stabilität und die
Funktion von Dichtung und keramischer Brennstoffzelle zu verbessern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass die Sickenanordnung auf einem von der Bipolarplatte separaten
Bauteil angeordnet ist. Dies ist besonders dann günstig, wenn
die Bipolarplatten aus für
Sickenanordnungen ungeeignetem Material wie Keramiken bestehen.
Das separate Bauteil wird auf die Bipolarplatte dann aufgelegt oder in
einer z.B. keramischen Bipolarplatte integriert, so dass sich insgesamt
eine dichtende Verbindung zwischen dem separaten Bauteil und der
Bipolarplatte ergibt.
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Schließlich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
vor, dass die Sickenanordnung aus einer Wulst aus einem anorganischen
Werkstoff, z.B. Glimmer oder Mineralfaser ausgeführt ist. Eine solche Sicke
ist im Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren auf bringbar. Sie
dient sowohl der Mikro- als auch der Makroabdichtung. Die Wulst übernimmt auch
die Funktion der Weganpassung an die aktiven Bauteile.
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Somit ist also festzustellen, dass
die erfindungsgemäße Sickenanordnung
verschiedene Ausführungsformen
haben kann. Sie kann aus Herstellungsgründen praktischerweise direkter
Bestandteil der Bipolarplatte sein, sie kann aber auch als Extrastruktur,
welche vorzugsweise mit der Bipolarplatte verbunden wird, bestehen.
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Die Sicken des erfindungsgemäßen Systems
weisen vorzugsweise Durchbrüche
zur Durchleitung flüssiger
und/oder gasförmiger
Medien auf. Diese sind in der Deutschen Patentanmeldung
DE 102 48 531 (Anmeldetag
14.10.2002) beschrieben, sämtliche
dort gezeigten Sickenvariationen inklusive deren Durchbrüche und
Innenaufbauten der Bipolarplatte/Interconnect-Layer werden durch
diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung integriert.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen
der vorliegenden Erfindung werden in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand mehrerer Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1a bis 1c die Art des Aufbaus eines Brennstoffzellenstacks,
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2a und 2b Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Sickenanordnungen,
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2c eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte,
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3a bis 3e mehrere Sickenanordnungen mit
Stopper.
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1a zeigt
den Aufbau einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenanordnung 12,
wie sie in 1b gezeigt
ist. Eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen 12 bildet
geschichtet den zwischen Endplatten angeordneten Bereich eines Brennstoffzellenstacks 1 (siehe 1c).
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In 1a ist
eine keramische Brennstoffzelle 2 mit ihren regelmäßigen Bauteilen
zu sehen, welche einen ionenleitfähigen, keramischen Elektrolyten
aufweist, welche im Mittelbereich 2a elektrisch aktiv ist (ein
fakultativ darum angeordneter Bereich ist gegebenenfalls elektrisch
isoliert ausgeführt).
In der Brennstoffzellenanordnung 12 sind zwei Bipolarplatten 3 vorgesehen,
zwischen denen die Brennstoffzelle 2 angeordnet wird. Im
Bereich zwischen jeder Bipolarplatte und der Brennstoffzelle ist
außerdem
ein Nickelnetz 9 zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes
angeordnet, welches so bemessen ist, dass es in einer Ausnehmung
der Bipolarplatte unterbringbar ist. Dieses Nickelnetz ist allerdings
nicht unbedingt notwendig für
die Funktion des Brennstoffzellensystems, sie ist nur als fakultativ
zu betrachten. Im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzellenanordnung 12 ist
der elektrisch aktive Bereich der Brennstoffzellen, welcher hier
von dem Nickelnetz 9 bedeckt wird, in einem im wesentlichen
geschlossenen Raum 10 (dieser entspricht im wesentlichen
der oben erwähnten
Ausnehmung der Bipolarplatte) angeordnet, welcher seitlich von einer
Sicke 11 im wesentlichen umlaufend begrenzt ist. Dieser
geschlossene Raum 10 ist durch eine Sicke 11,
welche zu einer Sickenanordnung 7 bzw. 7' gehört (siehe 2a und 2b), gasdicht.
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Durchgangsöffnungen zur Medienzufuhr 5a sowie
zur Medienabfuhr 5b liegen innerhalb des Dichtungsbereiches
und sind durch die Sicke 11 gegenüber weiteren Durchgangsöffnungen,
etwa den Durchgangsöffnungen
z.B. zur Kühlung 4 (welche eine
eigene Sicke aufweisen zur Abdichtung) abgedichtet. Die Dichtwirkung
findet hierbei auf sämtliche Sicken
durch eine Druckausübung
auf den Brennstoffzellenstack 1 in Richtung 6 der
Schichtung (siehe 1c)
statt. Dies geschieht z.B. mittels hier nicht dargestellten Verschraubungen
oder Spannbänder. Die
Sicke 11 bietet den Vorteil, dass sie einen großen elastischen
Kompressionsbereich aufweist, in welchem sie eine ausreichende Dichtwirkung
zeigt. Dies ist besonders vorteilhaft zur Abdichtung des elektrisch
aktiven Bereichs der Brennstoffzelle 2 (hier können fakultativ
zusätzliche
Lagen, wie etwa ein Nickelnetz 9 zur Kontaktverbesserung
vorgesehen sein). Durch den weiten elastischen Bereich der Sicke 11 ist
eine Anpassung der Sicke an die Geometrie der keramischen Brennstoffzelle
gut möglich. Hierbei
wird erreicht, dass einerseits eine seitliche Abdichtung gegeben
ist, und andererseits sowohl eines ausreichende Gasverteilung in
der Brennstoffzellenebene gegeben ist und außerdem der Anpressdruck in
Schichtungsrichtung 6 gleichmäßig und ausreichend hoch ist
um eine gleichmäßige Stromleitung zu
erzielen. Zur Verbesserung der Mikroabdichtung ist die Sicke 11 an
ihrer Außenseite
mit einer Beschichtung aus einem keramischen Werkstoff oder auch
Gold bzw. Silber versehen, wobei diese Beschichtung z.B. im Siebdruckverfahren
oder durch Pulverbeschichtung aufgebracht wur de.
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Um die Verpressung der keramischen Brennstoffzelle
zu begrenzen, ist die Sickenkonstruktion mit einem Stopper ausgeführt. Auf
diesen Stopper, welcher als Umfalzung, als Wellenstopper oder auch
als Trapezstopper ausgeführt
sein kann, wird weiter unten bei der Beschreibung der 3a bis 3d nochmals näher eingegangen. Allen Stoppern
ist die Funktion zu Eigen, dass sie das Zusammenpressen der Sicke
auf ein Mindestmaß begrenzen
können.
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Die Bipolarplatte 3 ist
vorliegend als ein Metallformteil ausgeführt. Bezüglich der leichten Herstellbarkeit
sowie der Vorteilhaftigkeit von Metallen in Verbindung mit Sickenanordnungen
wird auf das bereits Gesagte verwiesen. Es sind auch spezielle Stahllegierungen
bekannt, die durch geeignete Legierungszusammensetzung bzw. durch
das Einbringen keramischer Nanopartikel (sog. Oxiddispersionen)
in das Metallgefüge
an die Bedingungen bei sehr hohen Temperaturen (>600°C)
angepasst werden. Dabei wird durch die Modifikation der Stahllegierung
sowohl die Festigkeit des Metalls erhöht, als auch dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
an die mechanischen Eigenschaften der spröden keramischen Brennstoffzelle
angeglichen (sogenannte ODS = Oxiddispersionsstabilisierte Legierungen).
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Ist die Bipolarplatte z.B. aus einem
Metall geformt, welches nicht zur Herstellung geeigneter Sickengeometrien
mit der notwendigen Elastizität
geeignet ist, kann der Sickenbereich auch aus einem anderen geeigneten
Material (z.B. Legierungen auf Chrom- und Nickelbasis) ausgeführt werden.
Durch Fügeverfahren
wie Löten,
Einklicken, Einschweißen, Umgießen, Nieten
findet dann eine Verbindung des separaten Sickenbau teils mit der
Bipolarplatte statt. Sind die Bipolarplatten aus einem anderen Material als
Metall, z.B. aus entsprechend nichtionenleitenden Keramiken (zumeist
Perowskite, wie z.B. dotierte Lanthanchromite), kann der Sickenbereich
aus einem geeigneten Material als Rahmen ausgeführt sein. Durch Fügeverfahren
wie Einschmelzen, Umspritzen, Schweißen, Löten, Nieten, Einklinken, wird das
Basismaterial der Bipolarplatte, welches das Flowfield enthält, mit
einem Sickendichtungsrahmen, welcher die Sicken enthält, gas-
bzw. flüssigkeitsdicht
verbunden.
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2a und 2b zeigen zwei Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Sickenanordnung.
In 2a ist ein Querschnitt
durch die Sickenanordnung 7 gezeigt, welche die Sicke 11,
welche als Halbsicke ausgeführt
ist, zeigt. Die im wesentlichen umlaufende Sicke 11 umschließt, wie
bereits in den Ausführungen
zu 1a erläutert, die
keramische Brennstoffzelle 2 bzw. den elektrisch aktiven
Bereich 2a der Brennstoffzelle 2, gegebenenfalls
mit darauf liegenden Kontaktlagen, welche hier jedoch nicht dargestellt
sind. In 2a ist die
Sicke 11 als sogenannte Halbsicke, also z.B. viertelkreisförmig, ausgeführt. Da
die Brennstoffzelle 2 bzw. deren elektrisch aktiver Bereich 2a durch
die Dichtung eingeschlossen werden muss, und es zu Kreuzungen im
Bereich der Medienkanäle
(siehe 2c) kommt, ist
eine abwechselnde Ausführung
als Voll- bzw. Halbsicke
nötig.
Hierbei kann eine Vollsicke in zwei Halbsicken übergehen, welche dann jeweils
für sich
eine dichtende Wirkung haben. Daneben bietet der Einsatz einer Voll-
bzw. Halbsicke die Möglichkeit,
die Elastizität
in einem weiten Rahmen anzupassen. Durch eine Schraffierung auf
der Oberfläche
der Sicke ist eine Beschichtung zur Mikroabdichtung gezeigt.
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2a zeigt
die Sickenanordnung 7 im unverpressten Zustand. Bei Ausübung von
mechanischer Druckspannung auf den Brennstoffzellenstack erfolgt
ein Verpressen in Richtung 6, so dass die Sickenanordnung 7 bzw.
die Sicke 11 eine bezüglich der
Brennstoffzelle 2 bzw. des elektrisch aktiven Bereichs 2a gasdichte
seitliche Abdichtung für
den geschlossenen Raum 10 bildet.
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2b zeigt
eine weitere Sickenanordnung, die Sickenanordnung 7'. Der einzige
Unterschied dieser Anordnung zu der aus 2a besteht darin, dass hier eine Sicke 11' als Vollsicke
(hier annähernd
mit Halbkreisquerschnitt) ausgebildet ist. Hierauf ist durch Kreuzschraffur
wiederum eine fakultative, bereits oben beschriebene, Mikroabdichtung
gezeigt. Es gibt noch zahlreiche weitere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. So ist es z.B. möglich noch
andere als die hier gezeigten Sickengeometrien zu zeigen, auch Mehrfachsicken
sind möglich.
Außerdem
ist die erfindungsgemäße Sickendichtung
für sämtliche
Dichtungen im Bereich des zu verpressenden Brennstoffzellenstacks
möglich.
So ist es nicht nur möglich,
den elektrisch aktiven Bereich um die die eigentliche Brennstoffzelle
herum abzudichten, sondern auch beliebige Durchgänge für gasförmige Medien etc. Bei der Abdichtung
in Schraublöchern zur
Verspannung der Brennstoffzellenanordnung kann die Elastizität einer
Sickenanordnung dazu verwendet werden, um einem Setzungsvorgang
im Stapel entgegenzusteuern und mögliche Toleranzen auszugleichen.
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2c zeigt
eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform 3' einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte.
Hierbei sind die Sickenanordnungen in der Draufsicht durch eine
breite Strichführung
zu erkennen. Die Sickenanordnungen dienen hierbei zur Abdichtung mehrerer
Durchgangsöffnungen.
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3a bis 3e zeigen verschiedene Sickenanordnungen,
welche jeweils einen Stopper aufweisen. Dieser Stopper dient dazu,
die Verformung einer Sicke so zu begrenzen, dass diese nicht über ein
bestimmtes Maß hinaus
zusammengepresst werden kann.
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So zeigt 3a eine einlagige Sickenanordnung mit
einer Vollsicke 11'', deren Verformungsbegrenzung
in Richtung 15 durch einen wellenförmigen Stopper 13 erreicht
wird. 3b zeigt eine
zweilagige Sickenanordnung, bei welcher eine Vollsicke der oberen
Lage durch ein darunter liegendes umgefalztes Blech in der Verformung
begrenzt wird. 3c sowie 3d zeigen Sickenanordnungen,
bei denen zumindest zwei Vollsicken sich gegenüberstehen und zur Verformungsbegrenzung
entweder ein umgefalztes Blech (siehe 3c)
oder ein gewelltes Blech (siehe 3d)
vorgesehen ist.
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3e zeigt
eine in der Einprägung
der Sicke eingebrachte, weitgehend inkompressible Wulst 16,
die erfindungsgemäß ebenfalls
als Stopper wirkt.