DE10330476A1

DE10330476A1 - Brennstoffzelleneinheit und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE10330476A1
Application number: DE10330476A
Authority: DE
Inventors: Armin Diez; Peter Schenk; Wolfgang Fritz
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2003-07-05
Filing date: 2003-07-05
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-06
Also published as: DE10330476B4

Abstract

Um eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend ein Gehäuse, eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit und ein Substrat, auf dem die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit angeordnet ist und das einen Sinterkörper umfaßt, zu schaffen, welche einfach herstellbar ist und eine sichere Verbindung zwischen dem Sinterkörper und dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit gewährleistet, wird vorgeschlagen, daß das Gehäuse mindestens ein Gehäuseteil umfaßt, das durch Ansintern mit dem Sinterkörper des Substrats verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit, die ein Gehäuse, eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit und ein Substrat, auf dem die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit angeordnet ist und das einen Sinterkörper umfaßt, umfaßt.

Solche Brennstoffzelleneinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Bei bekannten Brennstoffzelleneinheiten der eingangs genannten Art wird der Sinterkörper des Substrats nach seiner Herstellung in das Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit eingebracht und anschließend mit dem Gehäuse, beispielsweise durch Einschweißen oder Einlöten, verbunden. Dies führt dazu, daß das Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelleneinheit vergleichsweise aufwendig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einfach herstellbar ist und eine sichere Verbindung zwischen dem Sinterkörper und dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse mindestens ein Gehäuseteil umfaßt, das durch Ansintern mit dem Sinterkörper des Substrats verbunden ist.

Das Ansintern stellt ein einfaches und verläßliches Verfahren zum Herstellen einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem Sinterkörper und dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit dar.

Insbesondere erlaubt es das Ansintern, den Sinterkörper an einer ausgedehnten Verbindungsfläche mit dem Gehäuseteil zu verbinden und nicht nur längs einer linearen Verbindungsnaht.

Ferner kann die Verbindung des Sinterkörpers mit dem Gehäuseteil durch Ansintern auch an solchen Stellen erfolgen, welche für andere Verbindungsarten, insbesondere das Verschweißen oder Verlöten, nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß das Gehäuseteil während der Bildung des Sinterkörpers aus einem Sinterkörper-Vormaterial mit dem Sinterkörper verbunden worden ist.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Sinterkörper in situ, das heißt an der Stelle innerhalb des Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit, wo er während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist, gesintert, so daß die sonst erforderlichen Arbeitsschritte des Einbringens des Sinterkörpers in das Gehäuseteil und des Verbindens von Sinterkörper und Gehäuseteil entfallen.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß das Gehäuseteil eine Durchgangsöffnung aufweist, in welcher der Sinterkörper aufgenommen ist.

Als günstig hat es sich erwiesen, wenn das Gehäuseteil längs eines Abschnitts eines seitlichen Randes des Sinterkörpers an den Sinterkörper angesintert ist.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil an eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit abgewandte Oberfläche des Sinterkörpers angesintert ist.

Um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zu der jeweils benachbarten Brennstoffzelleneinheit in einem Brennstoffzellenstapel herzustellen, kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil mit mindestens einem Kontaktelement zum Kontaktieren der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit versehen ist.

Um den Sinterkörper in einfacher und sicherer Weise in dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit anordnen zu können, kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil eine Wanne zur Aufnahme des Sinterkörpers bildet.

Das Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit ist in besonders einfacher und zeitsparender Weise herstellbar, wenn das Gehäuseteil als ein Blechformteil ausgebildet ist.

Insbesondere kann das Gehäuseteil aus einem Stahlblech gebildet sein, aus welchem eine Gehäuseteil-Vorform, beispielsweise durch Ausstanzen oder Ausschneiden, herausgetrennt wird, welche anschließend durch Umform- und/oder Prägevorgänge in die endgültige Form des Gehäuseteils gebracht wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist ferner vorgesehen, daß die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung aufweist, durch welche ein Fluid durch die Brennstoffzelleneinheit hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung herum erstreckt.

Insbesondere kann der Sinterkörper mindestens eine Durchtrittsöffnung für den Durchtritt eines Fluids durch den Sinterkörper hindurch aufweisen.

Vorzugsweise weist auch die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit mindestens eine Durchtrittsöffnung für den Durchtritt eines Fluids durch die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit auf.

Das durch die Brennstoffzelleneinheit hindurchtretende Fluid kann beispielsweise ein Brenngas, ein Abgas oder ein Oxidationsmittel sein.

So kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Brenngasdurchgangsöffnung aufweist, durch welche ein Brenngas durch die Brennstoffzelleneinheit hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper sich um die mindestens eine Brenngasdurchgangsöffnung herum erstreckt.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, daß die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Abgasdurchgangsöffnung aufweist, durch welche ein Abgas durch die Brennstoffzelleneinheit hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper sich um die mindestens eine Abgasdurchgangsöffnung herum erstreckt.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann ferner vorgesehen sein, daß die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Oxidationsmitteldurchgangsöffnung aufweist, durch welche ein Oxidationsmittel durch die Brennstoffzelleneinheit hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper sich um die mindestens eine Oxidationsmitteldurchgangsöffnung herum erstreckt.

Der Sinterkörper kann mindestens eine Brenngasdurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Brenngas durch den Sinterkörper, mindestens eine Abgasdurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Abgas durch den Sinterkörper und/oder mindestens eine Oxidationsmitteldurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Oxidationsmittel durch den Sinterkörper aufweisen.

Die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit kann mindestens eine Brenngasdurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Brenngas durch die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit, mindestens eine Abgasdurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Abgas durch die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit und/oder mindestens eine Oxidationsmitteldurchtrittsöffnung zum Durchtritt von Oxidationsmittel durch die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß die Fluiddurchgangsöffnung der Brennstoffzelleneinheit als ein Abschnitt einer sich im wesentlichen senkrecht zu den Hauptflächen der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit durch die Brennstoffzelleneinheit erstreckenden Fluidkanals, also insbesondere eines Brenngaskanals, eines Abgaskanals oder eines Oxidationsmittelkanals, ausgebildet ist.

Der Sinterkörper kann sich bis unmittelbar an die jeweilige Fluiddurchgangsöffnung heran erstrecken, so daß der Sinterkörper in diesem Falle eine seitliche Begrenzung mindestens einer Fluiddurchgangsöffnung der Brennstoffzelleneinheit bildet.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß der Sinterkörper in einem sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung herum erstreckenden Bereich mit einer Abdichtungsschicht aus einem im wesentlichen gasundurchlässigen Material versehen ist. In diesem Fall erstreckt sich der Sinterkörper also nicht bis unmittelbar an die Fluiddurchgangsöffnung heran, sondern ist durch die Abdichtungsschicht aus dem im wesentlichen gasundurchlässigen Material von der Fluiddurchgangsöffnung getrennt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist ferner vorgesehen, daß der Sinterkörper in einem sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung herum erstreckenden Bereich mit einer Isolationsschicht aus einem im wesentlichen elektrisch isolierenden Material versehen ist.

Diese elektrisch isolierende Isolationsschicht kann insbesondere durch den Elektrolyten der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit gebildet sein, welcher sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung herum erstreckt.

Hierdurch kann auf zusätzliche Dichtungselemente aus elektrisch isolierendem Material im Bereich der Fluiddurchgangsöffnung verzichtet werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist ferner vorgesehen, daß der Sinterkörper durch Sintern aus einem Vormaterial, welches Partikel enthält, gebildet ist und daß die mittlere Korngröße in einer ersten Schicht des Sinterkörpers, welche der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit zugewandt ist, kleiner ist als in einer zweiten Schicht des Sinterkörpers, welche einen größeren Abstand von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit aufweist als die erste Schicht des Sinterkörpers.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird als Substrat für die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit also ein Sinterkörper verwendet, welcher Bereiche aufweist, die sich hinsichtlich der mittleren Korngröße in diesen Bereichen unterscheiden. Eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit zugewandte erste Schicht des Substrats weist eine kleinere mittlere Korngröße auf, um eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit zugewandte geschlossene Oberfläche des Sinterkörpers zu erzeugen, welche sich besonders gut für die Aufbringung der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit eignet. Eine weiter von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit entfernte zweite Schicht des Substrats weist eine größere mittlere Korngröße auf und gewährleistet somit eine ausreichende Porosität des Substrates, um die erforderliche Gasdurchlässigkeit des Substrats bereitzustellen und eine ausreichende Gaszufuhr zu der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit durch das Substrat hindurch zu ermöglichen.

Dabei können die erste Schicht und die zweite Schicht des Substrats längs einer scharfen Grenzfläche aneinandergrenzen; es ist aber auch möglich, daß sich die Eigenschaften des Sinterkörpers mit wachsender Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit im wesentlichen kontinuierlich verändern, so daß die erste Schicht und die zweite Schicht ohne scharfe Trennfläche ineinander übergehen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper mit wachsender Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit im wesentlichen monoton zunimmt, das heißt mit wachsender Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit in jedem Bereich des Sinterkörpers zunimmt oder zumindest gleich bleibt, wobei die monotone Zunahme stufenförmig oder im wesentlichen kontinuierlich erfolgen kann.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper in Abhängigkeit von der Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit im wesentlichen kontinuierlich variiert, insbesondere mit wachsender Entfernung im wesentlichen kontinuierlich zunimmt.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper in Abhängigkeit von der Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit stufenförmig, mit einer oder mehreren Stufen, variiert, insbesondere mit wachsender Entfernung stufenförmig zunimmt.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Sinterkörper mindestens eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit zugewandte erste Schicht umfaßt, in welcher die mittlere Korngröße höchstens ungefähr 160 μm, vorzugsweise höchstens ungefähr 80 μm, insbesondere höchstens ungefähr 50 μm, beträgt.

Besonders günstig ist es, wenn die erste Schicht im wesentlichen keine Körner enthält, welche größer sind als ungefähr 160 μm, vorzugsweise im wesentlichen keine Körner, die größer sind als ungefähr 80 μm, insbesondere im wesentlichen keine Körner, die größer sind als ungefähr 50 μm.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die erste Schicht des Sinterkörpers eine über die Dicke der Schicht hinweg im wesentlichen gleichförmige Korngrößenverteilung aufweist.

Um eine ausreichende Gasdurchlässigkeit des Substrats zu gewährleisten, ist es ferner von Vorteil, wenn die erste Schicht des Sinterkörpers eine Dicke von höchstens ungefähr 300 μm aufweist.

Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die erste Schicht des Sinterkörpers unmittelbar an die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit angrenzt, so daß diese erste Schicht des Sinterkörpers als Unterlage für die Herstellung der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit dienen kann.

Um eine ausreichende Porosität und damit Gasdurchlässigkeit der zweiten Schicht des Sinterkörpers zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn in der zweiten Schicht des Sinterkörpers die mittlere Korngröße mindestens ungefähr 50 μm, vorzugsweise mindestens ungefähr 80 μm, insbesondere mindestens ungefähr 160 μm beträgt.

Besonders günstig ist es, wenn die zweite Schicht des Sinterkörpers im wesentlichen keine Körner enthält, welche kleiner sind als ungefähr 50 μm, vorzugsweise im wesentlichen keine Körner, die kleiner sind als ungefähr 80 μm, insbesondere im wesentlichen keine Körner, die kleiner sind als ungefähr 160 μm.

Ferner ist es von Vorteil, wenn die zweite Schicht des Sinterkörpers eine über die Dicke der Schicht hinweg im wesentlichen gleichförmige Korngrößenverteilung aufweist.

Um eine ausreichende mechanische Stabilität des Sinterkörpers zu gewährleisten, ist es günstig, wenn die zweite Schicht eine Dicke von mindestens ungefähr 150 μm aufweist.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Schicht des Sinterkörpers eine kleinere Dicke aufweist als die zweite Schicht des Sinterkörpers.

Um eine ausreichende Gaszufuhr zu der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn der Sinterkörper eine Dicke von höchstens ungefähr 5000 μm, vorzugsweise von höchstens ungefähr 1600 μm, insbesondere von höchstens ungefähr 400 μm, aufweist.

Um andererseits eine ausreichende mechanische Stabilität des Sinterkörpers zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn der Sinterkörper eine Dicke von mindestens ungefähr 100 μm, vorzugsweise von mindestens ungefähr 200 μm, aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß der Sinterkörper ein metallisches Material enthält.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Sinterkörper-Vormaterial metallische Partikel enthält.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der Sinterkörper als metallisches Material Eisen, Chrom, Aluminium, Yttrium und/oder Nickel in metallischer Form enthält.

Durch das Vorhandensein des metallischen Materials in dem Sinterkörper ist gewährleistet, daß der Sinterkörper eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist, welche erforderlich ist, da die dem Sinterkörper zugewandte Elektrode der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit über den Sinterkörper elektrisch kontaktiert wird, um während der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit für den erforderlichen Ladungsausgleich zu sorgen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit, die eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit und ein Substrat, auf dem die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit angeordnet ist, umfaßt, zu schaffen, welches einfach durchzuführen ist und eine sichere Verbindung des Substrats mit einem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

– Bereitstellen eines Gehäuseteils;
– Anordnen eines Sinterkörper-Vormaterials derart, daß ein Teil des Sinterkörper-Vormaterials in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil steht;
– Durchführung eines Sintervorgangs, durch den aus dem Sinterkörper-Vormaterial ein Sinterkörper entsteht und zugleich eine Verbindung zwischen dem Sinterkörper und dem Gehäuseteil hergestellt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit bereits beim Sintern des Sinterkörpers eine Verbindung zwischen dem Sinterkörper und dem Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit hergestellt, so daß zusätzliche Arbeitsgänge zur nachträglichen Verbindung des Sinterkörpers mit dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit entfallen können.

Das Sinterkörper-Vormaterial umfaßt vorzugsweise ein metallisches Material, insbesondere Eisen, Chrom, Aluminium, Yttrium und/oder Nickel in metallischer Form.

Ferner ist es günstig, wenn das Gehäuseteil ein metallisches Material, insbesondere ein Stahlblech, umfaßt.

Das Gehäuseteil ist in besonders einfacher Weise herstellbar, wenn es als ein Blechformteil ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Gehäuseteil-Vorform aus einem geeigneten Blech, insbesondere einem Stahlblech, herausgetrennt, beispielsweise ausgestanzt oder ausgeschnitten, werden und anschließend durch Umform- und/oder Prägevorgänge in die endgültige Gestalt des Gehäuseteils gebracht werden.

Um den Sinterkörper in einfacher und sicherer Weise in dem Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit anordnen zu können, kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil eine Wanne bildet, in welche das Sinterkörper-Vormaterial eingebracht wird.

Um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zu der jeweils benachbarten Brennstoffzelleneinheit in einem Brennstoffzellenstapel herzustellen, kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil mit mindestens einem Kontaktelement zum Kontaktieren der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel versehen ist.

Um eine sichere Verbindung des Sinterkörpers mit dem Gehäuseteil zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil an eine Oberfläche des Sinterkörpers angesintert wird, welche der Oberfläche, die zur Anordnung der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit vorgesehen ist, gegenüberliegt.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, daß das Gehäuseteil an einen Abschnitt eines seitlichen Randes des Sinterkörpers angesintert wird.

Bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Gehäuseteil eine Durchgangsöffnung auf und wird das Sinterkörper-Vormaterial zumindest teilweise in die Durchgangsöffnung des Gehäuses eingefüllt.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Sinterkörper-Vormaterial in eine Sinterkörperform eingebracht wird, die von dem Gehäuseteil und von mindestens einem weiteren Formteil gebildet wird.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Sintervorgang in einer Inertgas-Atmosphäre erfolgt.

Außerdem wird ein mechanisch besonders stabiler Sinterkörper erzeugt, wenn der Sinterkörper unter Anwendung eines Preßdrucks gesintert wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein Gehäuseteil einer Brennstoffzelleneinheit mit Brenngasdurchgangsöffnungen, einer Abgasdurchgangsöffnung, Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen und Kontaktelementen;
2 einen schematischen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit dem Gehäuseteil aus 1 und einem darin aufgenommenen Substrat für eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit, längs der Linie 2 – 2 in 1;
3 einen der 2 entsprechenden schematischen Schnitt durch mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinandergestapelte Brennstoffzelleneinheiten;
4 einen schematischen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit dem Gehäuseteil aus 1 und einem darin aufgenommenen Substrat, längs der Linie 3 – 3 in 1;
5 einen der 4 entsprechenden schematischen Schnitt durch mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinandergestapelte Brennstoffzelleneinheiten;
6 einen schematischen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit dem Gehäuseteil aus 1 und einem darin aufgenommenen Substrat, längs der Linie 6 – 6 in 1;
7 einen der 6 entsprechenden schematischen Schnitt durch mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinandergestapelte Brennstoffzelleneinheiten;
8 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs I aus 6;
9 einen schematischen Schnitt durch eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit an der Oberseite des Substrats der Brennstoffzelleneinheit aus den 1 bis 8;
10 einen der rechten Seite der 2 entsprechenden schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, deren Gehäuseteil horizontal ausgerichtete Randflansche aufweist;
11 einen der rechten Seite der 4 entsprechenden schematischen Schnitt durch die zweite Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, deren Gehäuseteil horizontal ausgerichtete Randflansche aufweist;
12 einen der 6 entsprechenden schematischen Schnitt durch die zweite Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, deren Gehäuseteil horizontal ausgerichtete Randflansche aufweist;
13 eine schematische Draufsicht auf ein erstes Gehäuseteil einer dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, welches Brenngasdurchgangsöffnungen, eine Abgasdurchgangsöffnung, Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen und Kontaktelemente aufweist;
14 einen schematischen Schnitt durch die dritte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit mit dem ersten Gehäuseteil aus 13, einen zweiten Gehäuseteil mit einer Durchtrittsöffnung zur Aufnahme des Substrats und einem an dem zweiten Gehäuseteil aufgenommenen Substrat für die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit, längs der Linie 14 – 14 in 13;
15 eine schematische Darstellung eines Sintervorgangs zur Herstellung des Substrats der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit;
16 einen schematischen Schnitt durch das gesinterte Substrat der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit und das daran angesinterte zweite Gehäuseteil;
17 einen schematischen Schnitt durch das gesinterte Substrat und das angesinterte zweite Gehäuseteil der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, längs der Linie 17 – 17 in 16;
18 eine schematische Draufsicht auf das zweite Gehäuseteil der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit;
19 einen der 14 entsprechenden schematischen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, bei welcher der Raum zwischen der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit der Brennstoffzelleneinheit und den Kontaktelementen des ersten Gehäuseteils der Brennstoffzelleneinheit durch das Substrat vollständig ausgefüllt ist; und
20 einen der 14 entsprechenden schematischen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit, welche ein separat von dem ersten Gehäuseteil ausgebildetes Kontaktgestrick zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes mit der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit umfaßt.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Eine in den 1 bis 9 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Brennstoffzelleneinheit umfaßt ein Gehäuse 102, das aus dem in 1 dargestellten Gehäuseteil 104 gebildet ist.
Das Gehäuseteil 104 weist die Form einer im wesentlichen ebenen, im wesentlichen rechteckigen Platte auf, die in ihrer Mitte mit einem im wesentlichen rechteckigen Kontaktfeld 106 versehen ist, welches, wie am besten aus 6 zu ersehen ist, durch eine wellblechförmige Kontaktstruktur gebildet ist, deren nach unten weisende und sich in der Längsrichtung 108 des Kontaktfeldes erstreckende Kuppen jeweils ein Kontaktelement 110 des Kontaktfeldes 106 bilden.
In einem links von dem Kontaktfeld 106 angeordneten ersten Endbereich 112 des Gehäuseteils 104 sind zwei im wesentlichen kreisförmige Brenngasdurchgangsöffnungen 114 und eine zwischen den beiden Brenngasdurchgangsöffnungen 114 liegende Oxidationsmitteldurchgangsöffnung 116 angeordnet.
Die Zahl der Brenngasdurchgangsöffnungen 114 und der Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen in dem Endbereich 112 kann auch jeden beliebigen anderen Wert annehmen.
Vorzugsweise folgen in der Querrichtung 118 des Gehäuseteils 104 jeweils eine Brenngasdurchgangsöffnung 114 und eine Oxidationsmitteldurchgangsöffnung 116 abwechselnd aufeinander.
In dem rechts von dem Kontaktfeld 106 liegenden rechten Endbereich 120 des Gehäuseteils 104 sind zwei im wesentlichen kreisförmige Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 122 und eine zwischen den beiden Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 122 liegende, ebenfalls im wesentlichen kreisförmige Abgasdurchgangsöffnung 124 angeordnet.
Die Anzahl der Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 122 und der Abgasdurchgangsöffnungen 124 in dem rechten Endbereich 120 des Gehäuseteils 104 kann auch jeden anderen Wert annehmen.
Vorzugsweise folgen in der Querrichtung 118 des Gehäuseteils 104 abwechselnd jeweils eine Oxidationsmitteldurchgangsöffnung 122 und eine Abgasdurchgangsöffnung 124 aufeinander.
Wie am besten aus 2 zu ersehen ist, sind die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 mit jeweils einer umgebogenen und im wesentlichen parallel zu einer zu den Hauptflächen des Gehäuseteils 104 senkrechten Stapelrichtung 126 ausgerichteten vertikalen, die jeweilige Oxidationsmitteldurchgangsöffnung 116, 122 ringförmig umschließenden Ringwand 128 umgeben.
Ferner ist das Gehäuseteil 104 mit einer ebenfalls parallel zur Stapelrichtung 126 umgebogenen, längs des äußeren Randes des Gehäuseteils 104 ringförmig umlaufenden Randwand 130 versehen.
An seiner Unterseite ist das Gehäuseteil 104 mit einer im wesentlichen parallel zur Randwand 130 umlaufenden, ringförmig geschlossenen Randdichtung 132 versehen.
Die Randdichtung 132 ist aus einem im wesentlichen gasundurchlässigen Material gebildet.
Die Randdichtung 132 kann elektrisch isolierend sein, muß es aber nicht.
Die Randdichtung 132 kann beispielsweise eine Flachdichtung aus Glimmer oder eine gasdichte Beschichtung, die als Paste im Siebdruckverfahren oder mittels Walzenbeschichtung auf die Unterseite des Gehäuseteils 104 aufgebracht worden ist, umfassen.
Ferner ist das Gehäuseteil 104 an seiner Unterseite im Bereich der Abgasdurchgangsöffnung 124 (siehe 4) und im Bereich der Brenngasdurchgangsöffnungen 114 mit jeweils einer Gaskanaldichtung 134 versehen, welche die jeweilige Abgasdurchgangsöffnung 124 bzw. Brenngasdurchgangsöffnung 114 ringförmig umgibt.
Die Gaskanaldichtung 134 ist aus einem im wesentlichen gasundurchlässigen Material ausgebildet.
Die Gaskanaldichtung 134 kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, muß es aber nicht.
Als Material für die Gaskanaldichtung 134 kommen dieselben Materialien wie für die bereits vorstehend beschriebene Randdichtung 132 des Gehäuseteils 104 in Frage.
Die Oberseite des Gehäuseteils 104 mit den Ringwänden 128 und der umlaufenden Randwand 130 bildet eine Wanne, in welcher ein als Ganzes mit 136 bezeichnetes Substrat für die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit 138 (im folgenden: KAE-Einheit) der Brennstoffzelleneinheit, welche im einzelnen in 9 dargestellt ist, angeordnet ist.
Wie aus 9 zu ersehen ist, umfaßt die KAE-Einheit 138 eine direkt auf dem Substrat angeordnete plattenförmige Anode 140 aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise Ni-ZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), welches porös ist, um dem durch das Substrat 136 gelangten Brenngas den Durchtritt durch die Anode 140 angrenzenden, im wesentlichen plattenförmigen Elektrolyten 142 zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 142 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Auf der der Anode 140 gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten 142 grenzt an denselben eine plattenförmige Kathode 142 an, die aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus LaMnO₃, gebildet ist und eine Porosität aufweist, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 144 angrenzenden Oxidationsmittelraum 146 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 142 zu ermöglichen.
Der Elektrolyt 142 ist im wesentlichen gasdicht, so daß kein Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 146 durch den Elektrolyten 142 in das Substrat 136 und kein Brenngas aus dem Substrat 136 durch den Elektrolyten 142 in den Oxidationsmittelraum 146 gelangen kann.
Ferner wirkt der Elektrolyt 142 elektrisch isolierend.
Die KAE-Einheit 138 erstreckt sich über die gesamte Oberseite des Substrats 136 und die Oberseiten der Randwand 130 sowie der Ringwände 128 des Gehäuseteils 104, so daß der Elektrolyt 142 das in dem Gehäuseteil 104 aufgenommene Substrat 136 gasdicht von dem über der KAE-Einheit 138 liegenden Oxidationsmittelraum 146 trennt.
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß sich nur der Elektrolyt 142 über die gesamte Oberseite des Substrats 136 erstreckt und daß sich die Anode 140 und/oder die Kathode 144 lediglich über den dem Kontaktfeld 106 des Gehäuseteils 104 entsprechenden Bereich der Oberseite des Substrats 136 erstrecken, da die Anode 140 und die Kathode 144 nur für die Durchführung der elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelleneinheit 100, nicht aber als Gasabdichtung und elektrische Isolation benötigt werden.
Das Substrat 136 hat zwei Hauptaufgaben: Zum einen muß es eine geschlossene, möglichst glatte und ebene Deckschicht bereitstellen, auf welcher die KAE-Einheit 138, beispielsweise durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren, erzeugt werden kann. Zum anderen muß das Substrat 136 eine ausreichende Porosität aufweisen, um dem Brenngas den Zutritt zu der Anode 140 zu ermöglichen.
Um diese beiden Funktionen jeweils möglichst optimal erfüllen zu können, ist das Substrat 136 als ein Sinterkörper 148 mit einem Aufbau aus mindestens zwei Schichten gebildet, der am besten aus der schematischen Darstellung der 8 zu ersehen ist. Der Sinterkörper 148 umfaßt eine obere, der KAE-Einheit 138 (die in 8 aufgrund ihrer geringen Dicke nicht zu erkennen ist) zugewandte Deckschicht 150 mit einer geringeren mittleren Korngröße und eine sich auf der der KAE-Einheit 138 abgewandten Unterseite der Deckschicht 150 an dieselbe anschließende Trägerschicht 152, die eine größere mittlere Korngröße aufweist als die Deckschicht 150.
Die Deckschicht 150 und die Trägerschicht 152 sind beide aus einem metallhaltigen Pulver gebildet, wobei die chemische Zusammensetzung des Pulvers für die Deckschicht 150 dieselbe wie die des Pulvers für die Trägerschicht 152 oder von der Zusammensetzung des Pulvers für die Trägerschicht 152 verschieden sein kann.
Insbesondere können die Deckschicht 150 und die Trägerschicht 152 beide aus einem FeCrAIY-Pulver gebildet sein, welches unter der Bezeichnung FE-151 von der Firma PRAXAIR in Indianapolis, Illinois, USA, vertrieben wird. Die ungefähre Zusammensetzung dieses FeCrAIY-Pulvers ist die folgende: 30 Gewichts-% Cr, 5 Gewichts-% Al, 0,5 Gewichts-% Y, Rest Fe.
Die mittlere Korngröße in der Deckschicht 150 beträgt vorzugsweise ungefähr 20 um bis ungefähr 50 μm.
Die mittlere Korngröße in der Trägerschicht 152 beträgt vorzugsweise ungefähr 160 μm bis ungefähr 250 μm.
Die Dicke der Deckschicht beträgt vorzugsweise ungefähr 30 μm bis ungefähr 300 μm.
Die Dicke der Trägerschicht 152 beträgt vorzugsweise ungefähr 150 μm bis ungefähr 1500 μm.
Die Gesamtdicke des Sinterkörpers 148 (senkrecht zu den Hauptflächen der KAE-Einheit 138 gemessen) beträgt vorzugsweise ungefähr 180 μm bis ungefähr 1800 μm.
Wie am besten aus den Darstellungen der 2 bis 5 zu ersehen ist, bildet der Sinterkörper 148 eine einstückig ausgebildete Einheit, welche sich um die Fluiddurchgangsöffnungen der Brennstoffzelleneinheit 100, d.h. um die Brenngasdurchgangsöffnungen 114, die Abgasdurchgangsöffnung 124 und die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 herum erstreckt und die von dem Gehäuseteil 104 gebildete Wanne in wesentlichen vollständig ausfüllt.
Im Bereich der Brenngasdurchgangsöffnungen 114, der Abgasdurchgangsöffnung 124 und der Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 weist der Sinterkörper 148 jeweils eine Brenngasdurchtrittsöffnung, Abgasdurchtrittsöffnung bzw. Oxidationsmitteldurchtrittsöffnung auf, welche sich im wesentlichen senkrecht zu dessen Hauptflächen durch den Sinterkörper 148 hindurch erstreckt.
Ebenso weist die KAE-Einheit 138 im Bereich der Brenngasdurchgangsöffnungen 114, der Abgasdurchgangsöffnung 124 und der Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 jeweils eine Brenngasdurchtrittsöffnung, Abgasdurchtrittsöffnung bzw. Oxidationsmitteldurchtrittsöffnung auf, welche sich im wesentlichen senkrecht zu deren Hauptflächen durch die KAE-Einheit hindurch erstreckt.
Wie aus den 2 und 3 zu ersehen ist, ist der seitliche Rand 154 des Sinterkörpers 148 im Bereich der Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 durch die Ringwände 128 des Gehäuseteils 104 von den Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116, 122 getrennt, so daß kein Oxidationsmittel durch den seitlichen Rand 154 in das Substrat 136 gelangen kann.
Wie aus den 4 und 5 zu ersehen ist, ist der seitliche Rand 154 des Sinterkörpers 148 im Bereich der Abgasdurchgangsöffnung 124 und der Brenngasdurchgangsöffnungen 114 jedoch zu der Abgasdurchgangsöffnung 124 bzw. zu den Brenngasdurchgangsöffnungen 114 hin offen und bildet eine seitliche Begrenzung dieser Durchgangsöffnungen, so daß Brenngas aus den Brenngasdurchgangsöffnungen 114 durch den seitlichen Rand 154 in das Substrat 136 gelangen kann bzw. Abgas aus dem Substrat 136 durch den seitlichen Rand 154 in die Abgasdurchgangsöffnung 124 gelangen kann.
Die vorstehend beschriebene Brennstoffzelleneinheit 100 wird wie folgt hergestellt:
Zunächst wird das Gehäuseteil 104 hergestellt, indem aus einem geeignetem metallischen Flachmaterial, beispielsweise aus einem Stahlblech, eine Gehäuseteil-Vorform, beispielsweise durch Ausstanzen und/oder Ausschneiden, herausgetrennt wird, deren Außenkonturen den Außenkonturen des Gehäuseteils 104 entsprechen. Anschließend wird aus der Gehäuseteil-Vorform durch geeignete Umformvorgänge, insbesondere Umbiege- und Prägevorgänge, das Gehäuseteil 104 mit der vorstehend beschriebenen Gestalt erzeugt.
Anschließend wird die von der Oberseite des Gehäuseteils 104, von den Ringwänden 128 und der Randwand 130 gebildete Wanne mit einem Sinterkörper-Vormaterial befüllt.
Das Sinterkörper-Vormaterial umfaßt ein erstes Sinterkörper-Vormaterial mit einer größeren mittleren Korngröße, welches zur Bildung der Trägerschicht 152 vorgesehen ist. Dieses erste Sinterkörper-Vormaterial wird als erstes, in der gewünschten Schichtdicke, in die Wanne eingefüllt. Dieses erste Sinterkörper-Vormaterial kann insbesondere ein Metallpulver, beispielsweise das vorstehend erwähnte FeCrAIY-Metallpulver, in einem Anteil von beispielsweise ungefähr 200 Gewichtsteilen und ein Bindemittel in einem geeigneten Lösemittel, beispielsweise ein in einem Ester gelöstes Acrylatpolymer, in einem Gewichtsanteil von beispielsweise ungefähr 50 Gewichtsteilen umfassen. Insbesondere kann eine 20%ige Lösung eines Acrylatharzes, beispielsweise Methacrylat, in Butoxyl verwendet werden. Anstelle des Acrylatharzes kann auch ein Acrylatkautschuk verwendet werden.
Die mittlere Korngröße des für das erste Sinterkörper-Vormaterial verwendeten Metallpulvers beträgt vorzugsweise ungefähr 160 μm bis ungefähr 250 μm. Durch Sieben mit Siebelementen, die Durchgangsöffnungen in entsprechender Größe aufweisen, werden vor der Herstellung des Sinterkörper-Vormaterials aus dem verwendeten Metallpulver die Partikel mit einer Größe unterhalb von 160 μm und oberhalb von 250 μm im wesentlichen vollständig entfernt.
Das gesiebte Metallpulver wird anschließend mit dem Lösemittel und dem Bindemittel zu einer Dispersion verarbeitet, und die Dispersion wird als erstes Sinterkörper-Vormaterial, beispielsweise durch Rakeln, Spritzen oder Gießen, in das Gehäuseteil 104 eingebracht.
Anschließend wird auf das erste Sinterkörper-Vormaterial das zweite Sinterkörper-Vormaterial in der gewünschten Schichtdicke aufgebracht.
Das zweite Sinterkörper-Vormaterial umfaßt ebenso wie das erste Sinterkörper-Vormaterial ein Metallpulver, das mit einem Lösemittel und einem Bindemittel zu einer Dispersion verarbeitet worden ist.
Als Metallpulver kann ein Metallpulver mit derselben chemischen Zusammensetzung wie das für das erste Sinterkörper-Vormaterial verwendete Metallpulver, jedoch mit einer anderen Korngrößenverteilung, verwendet werden.
Insbesondere kann das vorstehend genannte FeCrAIY-Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von ungefähr 20 μm bis ungefähr 50 μm verwendet werden.
Diese mittlere Korngröße wird durch Sieben des Metallpulvers eingestellt. Ferner werden Partikel mit einer Größe unterhalb von ungefähr 20 μm oder einer Größe oberhalb von 50 μm im wesentlichen durch das Sieben aus dem Metallpulver entfernt.
Als Lösemittel und Bindemittel für das zweite Sinterkörper-Vormaterial kann ebenso wie bei dem ersten Sinterkörper-Vormaterial eine 20 %ige Lösung eines Acrylatpolymers in einem Ester, beispielsweise eines Acrylatharzes (wie z.B. Methacrylat) in Butoxyl, verwendet werden. Anstelle des Acrylatharzes kann auch ein Acrylatkautschuk verwendet werden.
Beispielsweise 200 Gewichtsteile des Metallpulvers werden mit beispielsweise 50 Gewichtsteilen des in dem Lösemittel gelösten Bindemittels zu einer Dispersion verarbeitet, welche anschließend in geeigneter Weise, beispielsweise durch Rakeln, Spritzen oder Gießen, auf das bereits eingebrachte erste Sinterkörper-Vormaterial in dem Gehäuseteil 104 aufgebracht wird.
Nach dem Einbringen der Sinterkörper-Vormaterialien wird das Lösemittel aus den Sinterkörper-Vormaterialien durch einen Trocknungsvorgang entfernt.
Der Trocknungsvorgang kann beispielsweise eine Erwärmung auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 80° Celsius bis ungefähr 140° Celsius während eines Zeitraums von beispielsweise ungefähr 20 Minuten bis ungefähr 60 Minuten umfassen.
Nach dem Trocknungsvorgang wird der Sinterkörper 148 aus den Sinterkörper-Vormaterialien durch einen Sintervorgang gebildet.
Der Sintervorgang kann insbesondere ein Aufheizen des Gehäuseteils 104 mit den darin enthaltenen Sinterkörper-Vormaterialien auf eine Temperatur von ungefähr 1150° Celsius während eines Aufheizzeitraums von beispielsweise ungefähr 5 Stunden, ein anschließendes Halten der Endtemperatur von ungefähr 1150° Celsius über einen Zeitraum von beispielsweise ungefähr 3 Stunden und ein anschließendes Abkühlen auf Umgebungstemperatur umfassen.
Dieser Sintervorgang erfolgt vorzugsweise in einer Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoff- und/oder Edelgas-Atmosphäre.
Ferner wird das Sinterkörper-Vormaterial während des Sintervorgangs vorzugsweise mit einer Preßkraft, die mittels eines geeigneten Preßstempels erzeugt wird, beaufschlagt.
In den Brenngasdurchgangsöffnungen 114 und der Abgasdurchgangsöffnung 124 der Brennstoffzelleneinheit 100 sind während des Befüllens des Gehäuseteils 104 mit den Sinterkörper-Vormaterialien und während des Sintervorgangs Formteile, die insbesondere aus einem Oxidkeramik-Material gebildet sein können, angeordnet, um ein Eindringen des Sinterkörper-Vormaterials in die betreffenden Durchgangsöffnungen zu verhindern.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wird der Sinterkörper 148 durch Sintern in situ, d.h. innerhalb des Gehäuseteils 104, in welchem der Sinterkörper 148 im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 100 angeordnet ist, erzeugt.
Dabei wird das Gehäuseteil 104 während des Sintervorgangs mit seiner Oberseite sowie mit den Innenseiten der Ringwände 128 und der Randwand 130 an den Sinterkörper 148 angesintert und auf diese Weise stoffschlüssig mit dem Sinterkörper 148 verbunden.
Nachträgliche Verbindungsvorgänge, beispielsweise ein Verschweißen oder Verlöten des Gehäuseteils 104 mit dem Sinterkörper 148, können daher entfallen.
Nach der Herstellung des Sinterkörpers 148 wird das Gehäuseteil 104 an seiner Unterseite mit den Gaskanaldichtungen 134 und der Randdichtung 132 versehen.
Dann wird an der Oberseite des Sinterkörpers 148 die KAE-Einheit 138 in geeigneter Weise, beispielsweise durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren, erzeugt.
Damit ist die Herstellung der Brennstoffzelleneinheit 100 abgeschlossen..
Zur Bildung eines funktionsfähigen Brennstoffzellenstapels werden mehrere der Brennstoffzelleneinheiten 100 längs der Stapelrichtung 126 aufeinandergestapelt und mittels einer geeigneten Spannvorrichtung gegeneinander verspannt. Der auf diese Weise hergestellte Brennstoffzellenstapel wird mit einer Brenngaszufuhr, einer Oxidationsmittelzufuhr, einer Abgasabführung und einer Oxidationsmittelabführung verbunden.
Der auf diese Weise hergestellte Brennstoffzellenstapel funktioniert wie folgt: Die Brenngasdurchgangsöffnungen 114 der übereinandergestapelten Brennstoffzelleneinheiten 100 bilden einen Brenngaszuführkanal 156, durch welchen Brenngas den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 100 zugeführt wird. Dabei gelangt das Brenngas jeweils durch seitliche Ränder 154 des Sinterkörpers 148 in das Substrat 136 einer Brennstoffzelleneinheit 100 und strömt dort längs der Längsrichtung 108 des Kontaktfeldes 106. Aus dem Substrat 136 gelangt das Brenngas an die Anode 140 der betreffenden Brennstoffzelleneinheit 100, wo es zumindest teilweise oxidiert wird.
Das Oxidationsprodukt (Wasser) gelangt zusammen mit überschüssigem Brenngas aus dem Substrat 136 durch den seitlichen Rand 154 des Sinterkörpers 148 in die Abgasdurchgangsöffnung 124 der betreffenden Brennstoffzelleneinheit 100.
Die Abgasdurchgangsöffnung 124 der übereinandergestapelten Brennstoffzelleneinheiten bilden zusammen einen Abgasabführkanal 158, durch welchen das Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 100 zu einer (nicht dargestellten) Abgasbehandlungseinheit abgeführt wird.
Die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 116 in den linken Endbereichen 112 der Gehäuseteile 104 der Brennstoffzelleneinheiten 100 bilden zusammen einen Oxidationsmittelzuführkanal 160, durch welchen das Oxidationsmittel den Brennstoffzelleneinheiten 100 zugeführt wird. Dabei gelangt das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelzuführkanal 160 durch die Zwischenräume zwischen den Randwänden 128 aufeinandergestapelter Brennstoffzelleneinheiten 100 in die jeweils zwischen einer KAE-Einheit 138 und dem Gehäuseteil 104 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 angeordneten Oxidationsmittelräume 146, in denen das Oxidationsmittel längs der Längsrichtung 108 des Kontaktfeldes 106 entlangströmt. Aus dem Oxidationsmittel werden an den Kathoden 144 jeder KAE-Einheit 138 Sauerstoff-Ionen gebildet, welche durch den Elektrolyten 142 zu der Anode 140 der jeweiligen KAE-Einheit 138 wandern. Überschüssiges Oxidationsmittel gelangt aus den Oxidationsmittelräumen 146 in die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 122 in den rechten Endbereichen 120 der Gehäuseteile 104 der Brennstoffzelleneinheiten 100, welche zusammen mehrere Oxidationsmittelabführkanäle 162 bilden. Durch diese Oxidationsmittelabführkanäle 162 wird das überschüssige Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt.
Die Strömungsrichtung des Brenngases und des Abgases durch den Brennstoffzellenstapel ist in den Zeichnungen mit einfachen Pfeilen 164, die Strömungsrichtung des Oxidationsmittels mittels Doppelpfeilen 166 angegeben.
Eine in den 10 bis 12 dargestellte zweite Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, daß die Ringwände 128 und die Randwand 130 nicht lediglich einen vertikal ausgerichteten Abschnitt umfassen, sondern zusätzlich mit einem im wesentlichen horizontal (d.h. im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 126) ausgerichteten Randflansch 168 bzw. 170 versehen sind.
Die Randflansche 168, 170 sind an ihrer Oberseite im wesentlichen bündig mit der Oberseite des Substrats 136.
Die Randflansche 168, 170 sind an ihrer Oberseite mit der KAE-Einheit 138, zumindest jedoch mit dem Elektrolyten 142 der KAE-Einheit 138, versehen und somit nach oben sowohl gasdicht als auch elektrisch isolierend abgeschlossen.
Durch die Randflansche 168, 170 ist gewährleistet, daß sich die KAE-Einheit 138 bzw. der Elektrolyt 142 von der Oberseite des Sinterkörpers 148 aus über eine weitere Strecke hinweg auf Bereiche des Gehäuseteils 104 erstrecken kann, so daß eine zuverlässigere Abdichtung des Übergangs zwischen dem Sinterkörper 148 und dem Gehäuseteil 104 erzielt werden kann, als dies bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform der Fall ist.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird somit besonders zuverlässig verhindert, daß Brenngas aus dem Substrat 136 in den Oxidationsmittelraum 146 gelangen kann.
Im übrigen stimmt die zweite Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 13 bis 18 dargestellte dritte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform dadurch, daß das Gehäuse 102 der Brennstoffzelleneinheit 100 nicht nur ein erstes Gehäuseteil 104 mit Kontaktelementen 110, sondern zusätzlich hierzu noch ein zweites Gehäuseteil 198 mit einer Durchgangsöffnung 200 zur Aufnahme des Substrats 136 umfaßt.
Das in 13 dargestellte erste Gehäuseteil 104 der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 ist im wesentlichen so ausgebildet wie das in 1 dargestellte Gehäuseteil 104 der ersten Ausführungsform.
Das in 18 dargestellte zweite Gehäuseteil 198 der dritten Ausführungsform umfaßt eine im wesentlichen ebene, rechteckige Platte mit einer mittigen, im wesentlichen rechteckigen Durchgangsöffnung 200, welche zur Aufnahme des Substrats 126 dient.
In einem linken Endbereich 202 des zweiten Gehäuseteils 198, welcher links von der Durchgangsöffnung 200 angeordnet ist, sind zwei im wesentlichen kreisförmige Brenngasdurchgangsöffnungen 204 und eine ebenfalls im wesentlichen kreisförmige, zwischen den Brenngasdurchgangsöffnungen 114 angeordnete Oxidationsmitteldurchgangsöffnung 206 angeordnet.
Die Brenngasdurchgangsöffnungen 204 sind mit jeweils einer im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 nach unten abstehenden Ringwand 208 versehen, welche die betreffende Durchgangsöffnung jeweils ringförmig umgibt.
Ein rechter Endbereich 210 des zweiten Gehäuseteils 198, der rechts von der mittigen Durchgangsöffnung 200 angeordnet ist, ist mit zwei im wesentlichen kreisförmigen Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 212 und einer ebenfalls im wesentlichen kreisförmigen, zwischen den Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 212 liegenden Abgasdurchgangsöffnung 214 versehen.
Die Abgasdurchgangsöffnung 214 ist mit einer Ringwand 208 versehen, welche nach unten im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 absteht und die Abgasdurchgangsöffnung 214 ringförmig umgibt.
An seinem äußeren Rand ist das zweite Gehäuseteil 198 von einer im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 126 nach unten abstehenden, ringförmig geschlossenen Randwand 216 versehen.
Wie am besten aus 14 zu ersehen ist, übergreift die Randwand 216 des zweiten Gehäuseteils 198 die Randwand 130 des ersten Gehäuseteils 104 und ist mit derselben mittels einer ringförmig um das Gehäuse 102 umlaufenden Schweißnaht 218 gasdicht verbunden.
Alternativ zu einer Verschweißung könnten die beiden Gehäuseteile 104, 198 auch durch eine Lötung miteinander verbunden sein.
Die beiden Gehäuseteile 104, 198 des Gehäuses 102 umschließen gemeinsam einen Brenngasraum 220 der Brennstoffzelleneinheit 100.
In der Durchgangsöffnung 200 des zweiten Gehäuseteils 198 ist das Substrat 130 der Brennstoffzelleneinheit 100 angeordnet, welches einen im wesentlichen plattenförmigen Sinterkörper 148 umfaßt, der – wie bei der ersten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 – aus einer Deckschicht 150 mit einer kleineren mittleren Korngröße und einer darunterliegenden Trägerschicht 152 mit einer größeren mittleren Korngröße zusammengesetzt ist.
An der Unterseite 222 des Sinterkörpers 148 liegen die Kontaktelemente 110 des Kontaktfeldes 106 des ersten Gehäuseteils 104 an.
Die KAE-Einheit 138 der Brennstoffzelleneinheit 100 ist auf der Deckschicht 150 des Sinterkörpers 148 angeordnet und erstreckt sich von dort bis auf die angrenzenden Bereiche der Oberseite 224 des zweiten Gehäuseteils 198, um eine gasdichte und elektrisch isolierende Abdichtung zwischen dem Brenngasraum 220 und dem Oxidationsmittelraum 146 zu erzielen.
Zu diesem Zweck genügt es auch, wenn sich nur der Elektrolyt 142 der KAE-Einheit 138 über den Grenzbereich zwischen dem Sinterkörper 148 und dem zweiten Gehäuseteil 198 hinweg erstreckt.
Bei der Herstellung der dritten Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird das zweite Gehäuseteil 198 aus einem metallischen Flachmaterial, beispielsweise aus einem Stahlblech, durch Ausstanzen oder Ausschneiden herausgetrennt und durch Umformvorgänge, insbesondere durch Präge- und Biegevorgänge, in die vorstehend beschriebene Gestalt gebracht.
Anschließend wird das zweite Gehäuseteil 198 mit der Oberseite 224 nach unten auf die Oberseite eines Träger 226 aus einem geeigneten temperaturbeständigen Material, insbesondere aus einem Oxidkeramik-Material, beispielsweise aus einem Aluminiumoxidkeramik-Material, aufgelegt und in dieser Position mittels eines ringförmig um die Durchgangsöffnung 200 in dem zweiten Gehäuseteil 198 umlaufenden Niederhalters 228 festgehalten (siehe 15).
Anschließend wird in den von dem Niederhalter 228 umgrenzten Raum das Sinterkörper-Vormaterial eingebracht.
Für die Herstellung der Deckschicht 150 wird zunächst das zweite Sinterkörper-Vormaterial, welches das Metallpulver mit der kleineren Korngröße enthält, in Form einer Dispersion auf den Träger 226 im Bereich der Durchgangsöffnung 200 aufgebracht, beispielsweise durch Gießen, Rakeln oder Spritzen.
Dieses zweite Sinterkörper-Vormaterial kann ebenso beschaffen sein wie das im Zusammenhang mit der Herstellung der ersten Ausführungsform beschriebene zweite Sinterkörper-Vormaterial.
Anschließend wird, für die Trägerschicht 152, das erste Sinterkörper-Vormaterial, welches das Metallpulver mit der größeren mittleren Korngröße umfaßt, auf die aus dem zweiten Sinterkörper-Vormaterial gebildete Schicht aufgebracht, beispielsweise durch Gießen, Rakeln oder Spritzen.
Das erste Sinterkörper-Vormaterial kann ebenso beschaffen sein wie das vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebene erste Sinterkörper-Vormaterial.
Nach dem Aufbringen der Sinterkörper-Vormaterialien wird das Lösemittel aus denselben durch einen Trocknungsvorgang entfernt, welcher eine Erwärmung auf eine Temperatur von beispielsweise 80° C bis ungefähr 140° C über einen Trocknungszeitraum von beispielsweise ungefähr 20 Minuten bis ungefähr 60 Minuten umfassen kann.
Nach dem Trocknungsvorgang erfolgt ein Sintervorgang, durch welchen aus den Sinterkörper-Vormaterialien ein zusammenhängender Sinterkörper 148 gebildet wird.
Der Sintervorgang kann ein Aufheizen von Raumtemperatur auf eine Endtemperatur von beispielsweise ungefähr 1150° C während einer Aufheizdauer von beispielsweise ungefähr 5 Stunden, ein Halten der erreichten Endtemperatur über einen Zeitraum von beispielsweise ungefähr 3 Stunden und ein Abkühlen von der Endtemperatur auf Raumtemperatur umfassen.
Der Sintervorgang erfolgt vorzugsweise unter einer Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise unter einer Stickstoff- und/oder Edelgas-Atmosphäre.
Ferner wird das Sinterkörper-Vormaterial während des Sintervorgangs vorzugsweise mittels eines Preßstempels 230 mit einem Preßdruck von beispielsweise ungefähr 10 000 Pa beaufschlagt. Die Preßkraft ist in 15 durch den mit F bezeichneten Pfeil veranschaulicht.
Nach Abschluß des Sintervorgangs ist aus den Sinterkörper-Vormaterialien der Sinterkörper 148 gebildet worden.
Ferner ist der Randbereich der Durchgangsöffnung 200 des zweiten Gehäuseteils 198 an den Randbereich des Sinterkörpers 148 angesintert.
Das zweite Gehäuseteil 198 ist also bereits durch den Sintervorgang mit dem Sinterkörper 148 verbunden worden, so daß es nicht erforderlich ist, den Sinterkörper 148 nachträglich durch Verschweißen oder Verlöten mit dem zweiten Gehäuseteil 198 zu verbinden.
Um eine besonders belastbare und stabile Verbindung zwischen dem zweiten Gehäuseteil 198 und dem Sinterkörper 148 zu erzielen, ist der Randbereich der Durchgangsöffnung 200 in dem zweiten Gehäuseteil 198 wellenförmig ausgebildet (siehe 17), so daß die tieferliegenden Bereiche des Randes des zweiten Gehäuseteils 198 in den Sinterkörper 148 eingebettet sind und so das zweite Gehäuseteil 198 und der Sinterkörper 148 miteinander verzahnt sind.
Die auf die vorstehend beschriebene Weise erzeugte Einheit aus dem zweiten Gehäuseteil 198 und dem Sinterkörper 148 wird auf das erste Gehäuseteil 104 aufgesetzt und durch Verschweißung zwischen den Randwänden 216 und 130 des zweiten Gehäuseteils 198 bzw. des ersten Gehäuseteils 104 gasdicht mit demselben verbunden.
Anschließend wird das erste Gehäuseteil 104 an seiner Unterseite mit der Randdichtung 132 und den Gaskanaldichtungen 134 versehen.
Darauf wird die KAE-Einheit 138 in geeigneter Weise, beispielsweise durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren, an der Oberseite der Deckschicht 150 gebildet.
Damit ist die Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit 100 abgeschlossen.
Diese Brennstoffzelleneinheiten 100 können in der vorstehend bereits beschriebenen Weise längs der Stapelrichtung 126 aufeinandergestapelt werden, um einen funktionsfähigen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Im übrigen stimmt die dritte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 19 dargestellte vierte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform dadurch, daß der Sinterkörper 148 der sechsten Ausführungsform nicht im wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist und lediglich mit den oberen Kuppen der Kontaktelemente 110 des Kontaktfeldes 106 des ersten Gehäuseteils 104 in Kontakt steht, sondern vielmehr den gesamten Raum zwischen der KAE-Einheit 138 und der Oberseite des Kontaktfeldes 106 des ersten Gehäuseteils 104 im wesentlichen vollständig ausfüllt.
Die Brennstoffzelleneinheit 100 dieser Ausführungsform kann in besonders einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß zunächst das erste Gehäuseteil 104 durch Ausstanzen oder Ausschneiden aus einem metallischen Flachmaterial, beispielsweise aus einem Stahlblech, und anschließende Umformvorgänge hergestellt wird und anschließend als Träger für die Herstellung des Sinterkörpers 148 benutzt wird, indem das Kontaktfeld 106 des ersten Gehäuseteils 104 von oben mit den Sinterkörper-Vormaterialien, und zwar zunächst mit dem grobkörnigeren ersten Sinterkörper-Vormaterial und anschließend mit dem feinkörnigeren zweiten Sinterkörper-Vormaterial, befüllt wird.
Anschließend können die Trocknungs- und Sintervorgänge so durchgeführt werden, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit der fünften Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 beschrieben worden ist.
Während des Sintervorgangs wird dabei das Kontaktfeld 106 des ersten Gehäuseteils 104 an den gebildeten Sinterkörper 148 angesintert.
Nach Abschluß des Sintervorgangs wird das separat hergestellte zweite Gehäuseteil 198 von oben auf die aus dem ersten Gehäuseteil 104 und dem Sinterkörper 148 gebildete Einheit aufgesetzt und durch Verschweißen längs der Schweißnaht 196 mit dem ersten Gehäuseteil 104 verbunden.
Im übrigen stimmt die vierte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 20 dargestellte fünfte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform dadurch, daß das erste Gehäuseteil 104 nicht mit einem Kontaktfeld 106 in Form eines Wellblechs versehen ist, sondern ein im wesentlichen ebenes, parallel zur KAE-Einheit 138 ausgerichtetes Kontaktfeld 106 aufweist, das gegenüber den Endbereichen 112, 120 des ersten Gehäuseteils 104 nach unten versetzt ist.
Der erforderliche elektrische Kontakt zwischen dem ersten Gehäuseteil 104 und der Kathode 144 der KAE-Einheit 138 einer darunter angeordneten Brennstoffzelleneinheit 100 wird bei dieser Ausführungsform durch ein Kontaktgestrick 232 hergestellt, welches unterhalb des ersten Gehäuseteils 104 angeordnet ist.
Das Kontaktgestrick 232 kann insbesondere als ein Metallgestrick, beispielsweise aus einem nickelhaltigen Material, ausgebildet sein.
Das Kontaktgestrick 232 weist vorzugsweise eine Elastizität auf, um zu gewährleisten, daß das Kontaktgestrick 232 im fertig montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels durch eine elastische Rückstellkraft gegen die Unterseite des ersten Gehäuseteils 104 und gegen die KAE-Einheit 138 einer darunter angeordneten Brennstoffzelleneinheit 100 vorgespannt ist.
Zwischen dem Kontaktgestrick 232 und dem äußeren Rand des ersten Gehäuseteils 104 kann bei dieser Ausführungsform ein Keramik-Faservlies 234 angeordnet sein, welches einen vergleichsweise hohen Durchflußwiderstand für das Oxidationsmittel aufweist, um zu erreichen, daß das Oxidationsmittel vorwiegend durch das sich über die KAE-Einheit 138 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 hinweg erstreckende Kontaktgestrick 232 und nicht durch das außerhalb der KAE-Einheit 138 angeordnete Keramik-Faservlies 234 strömt.
Im übrigen stimmt die fünfte Ausführungsform einer Brennstoffzelleneinheit 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims

Brennstoffzelleneinheit, umfassend ein Gehäuse (102), eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) und ein Substrat (136), auf dem die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) angeordnet ist und das einen Sinterkörper (148) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (102) mindestens ein Gehäuseteil (104, 198) umfaßt, das durch Ansintern mit dem Sinterkörper (148) des Substrats (136) verbunden ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) während der Bildung des Sinterkörpers (148) aus einem Sinterkörper-Vormaterial mit dem Sinterkörper (148) verbunden worden ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (198) eine Durchgangsöffnung (200) aufweist, in welcher der Sinterkörper (148) aufgenommen ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) längs eines Abschnitts eines seitlichen Randes (154) des Sinterkörpers (148) an den Sinterkörper (148) angesintert ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) an eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) abgewandte Oberfläche des Sinterkörpers (148) angesintert ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104) mit mindestens einem Kontaktelement (110) zum Kontaktieren der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit (100) versehen ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104) eine Wanne zur Aufnahme des Sinterkörpers (148) bildet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) als ein Blechformteil ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheit (100) mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) aufweist, durch welche ein Fluid durch die Brennstoffzelleneinheit (100) hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper (148) sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) herum erstreckt.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheit (100) mindestens eine Brenngasdurchgangsöffnung (114) aufweist, durch welche ein Brenngas durch die Brennstoffzelleneinheit (100) hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper (148) sich um die mindestens eine Brenngasdurchgangsöffnung (114) herum erstreckt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheit (100) mindestens eine Abgasdurchgangsöffnung (124) aufweist, durch welche ein Abgas durch die Brennstoffzelleneinheit (100) hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper (148) sich um die mindestens eine Abgasdurchgangsöffnung (124) herum erstreckt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheit (100) mindestens eines Oxidationsmitteldurchgangsöffnung (116, 122) aufweist, durch welche ein Oxidationsmittel durch die Brennstoffzelleneinheit (100) hindurchtreten kann, und daß der Sinterkörper (148) sich um die mindestens eine Oxidationsmitteldurchgangsöffnung (116, 122) herum erstreckt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) einen Abschnitt eines sich im wesentlichen senkrecht zu den Hauptflächen der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) durch die Brennstoffzelleneinheit (100) erstreckenden Fluidkanals (156, 158, 160, 162) bildet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) eine seitliche Begrenzung mindestens einer Fluiddurchgangsöffnung (114, 124) der Brennstoffzelleneinheit (100) bildet.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) in einem sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) herum erstreckenden Bereich mit einer Abdichtungsschicht aus einem im wesentlichen gasundurchlässigen Material versehen ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) in einem sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) herum erstreckenden Bereich mit einer Isolationsschicht aus einem im wesentlichen elektrisch isolierenden Material versehen ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (142) der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) sich um die mindestens eine Fluiddurchgangsöffnung (114, 116, 122, 124) herum erstreckt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) durch Sintern aus einem Vormaterial, welches Partikel enthält, gebildet ist und wobei die mittlere Korngröße in einer ersten Schicht (150) des Sinterkörpers (148) welche der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) zugewandt ist, kleiner ist als in einer zweiten Schicht (152) des Sinterkörpers (148), welche einen größeren Abstand von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) aufweist als die erste Schicht (150) des Sinterkörpers (148).
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper (148) mit wachsender Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) im wesentlichen monoton zunimmt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper (148) in Abhängigkeit von der Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) im wesentlichen kontinuierlich variiert, insbesondere mit wachsender Entfernung im wesentlichen kontinuierlich zunimmt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße in dem Sinterkörper (148) in Abhängigkeit von der Entfernung von der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) stufenförmig, mit einer oder mehreren Stufen, variiert, insbesondere mit wachsender Entfernung stufenförmig zunimmt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) mindestens eine der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) zugewandte erste Schicht (150) umfaßt, in welcher die mittlere Korngröße höchstens ungefähr 160 μm, vorzugsweise höchstens ungefähr 80 μm, insbesondere höchstens ungefähr 50 μm, beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (150) im wesentlichen keine Körner enthält, welche größer sind als ungefähr 160 μm, vorzugsweise im wesentlichen keine Körner, die größer sind als ungefähr 80 μm, insbe sondere im wesentlichen keine Körner, die größer sind als ungefähr 50 μm.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (150) des Sinterkörpers (148) eine über die Dicke der Schicht hinweg im wesentlichen gleichförmige Korngrößenverteilung aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (150) des Sinterkörpers (148) eine Dicke von höchstens ungefähr 300 μm aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (150) des Sinterkörpers (148) unmittelbar an die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) angrenzt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Schicht (152) des Sinterkörpers (148) die mittlere Korngröße mindestens ungefähr 50 μm, vorzugsweise mindestens ungefähr 80 μm, insbesondere mindestens ungefähr 160 μm, beträgt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (152) des Sinterkörpers (148) im wesentlichen keine Körner enthält, welche kleiner sind als ungefähr 50 μm, vorzugsweise im wesentlichen keine Körner, die kleiner sind als ungefähr 80 μm, insbesondere im wesentlichen keine Körner, die kleiner sind als ungefähr 160 μm.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (152) des Sinterkörpers (148) eine über die Dicke der Schicht hinweg im wesentlichen gleichförmige Korngrößenverteilung aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (152) eine Dicke von mindestens ungefähr 150 μm aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (150) des Sinterkörpers (148) eine kleinere Dicke aufweist als die zweite Schicht (152) des Sinterkörpers (148).
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) eine Dicke von höchstens ungefähr 5000 μm, vorzugsweise von höchstens ungefähr 1600 μm, insbesondere von höchstens ungefähr 400 μm, aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) eine Dicke von mindestens ungefähr 100 μm, vorzugsweise von mindestens ungefähr 200 μm, aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper ein metallisches Material enthält.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) als metallisches Material Eisen, Chrom, Aluminium, Yttrium und/oder Nickel enthält.
Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelleneinheit, die eine Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) und ein Substrat (136), auf dem die Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) angeordnet ist, umfaßt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Gehäuseteils (104, 198); – Anordnen eines Sinterkörper-Vormaterials derart, daß ein Teil des Sinterkörper-Vormaterials in unmittelbarem Kontakt mit dem Gehäuseteil (104, 198) steht; – Durchführung eines Sintervorgangs, durch den aus dem Sinterkörper-Vormaterial ein Sinterkörper (148) entsteht und zugleich eine Verbindung zwischen dem Sinterkörper (148) und dem Gehäuseteil (104, 198) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterkörper-Vormaterial ein metallisches Material, vorzugsweise Eisen, Chrom, Aluminium, Yttrium und/oder Nickel in metallischer Form, umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) ein metallisches Material umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104, 198) als ein Blechformteil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104) eine Wanne bildet, in welche das Sinterkörper-Vormaterial eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104) mit mindestens einem Kontaktelement (110) zum Kontaktieren der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit (100) in einem Brennstoffzellenstapel versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (104) an eine Oberfläche des Sinterkörpers (148) angesintert wird, welche der Oberfläche, die zur Anordnung der Kathoden-Anoden-Elektrolyt-Einheit (138) vorgesehen ist, gegenüberliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (198) an einen Abschnitt eines seitlichen Randes des Sinterkörpers (148) angesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (198) eine Durchgangsöffnung (200) aufweist und daß das Sinterkörper-Vormaterial zumindest teilweise in die Durchgangsöffnung (200) des Gehäuseteils (198) eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterkörper-Vormaterial in eine Sinterkörperform eingebracht wird, die von dem Gehäuseteil (198) und von mindestens einem weiteren Formteil (226, 228) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß der Sintervorgang in einer Inertgas-Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (148) unter Anwendung eines Preßdrucks gesintert wird.