DE10358458A1

DE10358458A1 - Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE10358458A1
Application number: DE10358458A
Authority: DE
Inventors: Peter Schenk; Hans-Rainer Dr. Zerfaß
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: SunFire GmbH
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-14
Also published as: DE10358458B4; US20050153188A1

Abstract

Um ein Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit, das bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit eine elektrische Isolationswirkung aufweist, zu schaffen, welches auch bei einer hohen Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit eine ausreichende elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wird vorgeschlagen, daß das Bauelement einen Grundkörper und mindestens eine an dem Grundkörper angeordnete elektrisch isolierende Isolationsschicht, die Aluminiumoxid enthält, umfaßt, wobei die Isolationsschicht durch Anodisierung einer an dem Grundkörper angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit, das bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit eine elektrische Isolationswirkung aufweist.

Brennstoffzelleneinheiten werden zur Einstellung der gewünschten elektrischen Betriebsspannung in der benötigten Anzahl aufeinander angeordnet, um so einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzellenstack) zu erhalten. Um einen elektrischen Kurzschluß zu verhindern, müssen die Gehäuse in dem Brennstoffzellenstapel aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten elektrisch voneinander isoliert werden.

Bei bekannten Brennstoffzellenstapeln werden Isolationselemente aus Glaslot oder aus keramischen Dichtmaterialien verwendet, um die erforderliche elektrische Isolationswirkung zu erzielen.

Bei einigen der üblicherweise verwendeten Dichtungsmaterialien ist der elektrische Widerstand bei der Betriebstemperatur einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit (im Bereich von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C) nicht mehr ausreichend hoch, um eine zufriedenstellende Isolationswirkung zu erzielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auch bei einer hohen Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit eine ausreichende elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Bauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauelement einen Grundkörper und mindestens eine an dem Grundkörper angeordnete elektrisch isolierende Isolationsschicht, die Aluminiumoxid enthält, umfaßt, wobei die Isolationsschicht durch Anodisierung einer an dem Grundkörper angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt ist.

Unter dem Begriff „Anodisierung" ist dabei in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen die Umwandlung einer metallischen Oberflächenschicht in eine oxidische Deckschicht durch anodische Oxidation zu verstehen.

Die durch Anodisierung erzeugte elektrisch isolierende Isolationsschicht aus Aluminiumoxid haftet fest an dem Grundkörper an und weist auch bei der hohen Betriebstemperatur einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit eine ausreichende elektrische Isolationswirkung auf.

Das Material der elektrisch isolierenden Isolationsschicht weist vorzugsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens ungefähr 2.000 Ω·cm (bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, beispielsweise ungefähr 800°C) auf.

Besonders günstig ist es, wenn die Isolationsschicht durch Hartanodisierung einer an dem Grundkörper angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt ist.

Bei der „Hartanodisation" oder auch „anodischen Harteloxierung" wird die elektrolytische Oxidation von Aluminium-Oberflächen in stark unterkühlten Elektrolyten und vorzugsweise bei erhöhten Stromdichten erzeugt. Als Elektrolyten können insbesondere Schwefelsäure oder ein Gemisch aus Schwefelsäure und Oxalsäure bei Temperaturen von ungefähr 0°C bis ungefähr 10°C verwendet werden. Geeignete Stromdichten liegen bei ungefähr 2 A/dm² bis ungefähr 20 A/dm², geeignete Spannungen beim Anodisieren bei ungefähr 20 V bis ungefähr 60 V, wobei mit zunehmender Dicke der Oxidschicht die Spannung erhöht werden kann.

Geeignete Hartanodisationsverfahren sind unter den Bezeichnungen M. N. C., Alumilite 225/226 oder Hardas bekannt.

Eine durch Hartanodisierung erzeugte Schicht zeichnet sich durch hohe Verschleiß-, Hitze-, Korrosions- und elektrische Widerstandsfähigkeit aus.

Ferner lassen sich durch Hartanodisation besonders verschleißfeste Oxid-Schichten bis zu Dicken von 150 μm und mehr erzeugen.

Um einen für eine feste Haftung der Isolationsschicht an dem Grundkörper und für eine ausreichende elektrische Isolationswirkung ausreichenden Anteil an Aluminiumoxid in der Isolationsschicht zu erhalten, ist es günstig, wenn die Isolationsschicht durch Anodisierung einer Schicht, die Aluminium in einem Anteil von mindestens ungefähr 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise von mindestens ungefähr 90 Gewichtsprozent, insbesondere von mindestens ungefähr 95 Gewichtsprozent, enthält, erzeugt ist.

Für die Anordnung der aluminiumhaltigen Schicht an dem Grundkörper kommt jedes geeignete Aluminier-Verfahren in Betracht.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die aluminiumhaltige Schicht durch Plattierung mit dem Grundkörper verbunden worden ist.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, daß die aluminiumhaltige Schicht durch galvanische Abscheidung von Aluminium an dem Grundkörper erzeugt worden ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Grundkörper eine metallische Legierung enthält.

Um eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit des Bauelements auch bei der hohen Betriebstemperatur einer SOFC (Solid Oxid Fuel Cell)-Brennstoffzelleneinheit zu erzielen, ist es günstig, wenn die metallische Legierung ein hochkorrosionsfester Stahl ist.

Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die metallische Legierung Eisen, Chrom, Aluminium, Silizium, Mangan, Titan und/oder Lanthan enthält.

Grundsätzlich reicht es aus, wenn der Grundkörper des Bauelements an nur einer seiner Oberflächen mit der Isolationsschicht versehen ist.

Wenn der Grundkörper an nur einer seiner Oberflächen mit der Isolationsschicht versehen ist, so kann der Grundkörper an der der Isolationsschicht entgegengesetzten Oberfläche durch Verlöten und/oder Verschweißen mit einem anderen Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit verbunden werden.

Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, daß der Grundkörper an zwei einander entgegengesetzten Oberflächen mit jeweils einer Isolationsschicht versehen ist.

Für den Einsatz in einer SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Bauelement, wenn es bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 1.000°C eine elektrische Isolationswirkung aufweist.

Das Bauelement kann als ein von den Gehäuseteilen der Brennstoffteilen verschiedenes, separates Teil der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet sein.

Wenn das Bauelement vorteilhafterweise einen ringförmigen Bereich umfaßt, so kann dieses Bauelement zusätzlich zu seiner elektrischen Isolationswirkung dazu genutzt werden, einen ersten Gasraum im Ring-Innenraum des Bauelements von einem zweiten Gasraum im Ring-Außenraum des Bauelements gasdicht zu trennen.

Insbesondere kann auf diese Weise ein Brenngas- oder Abgaskanal, der den Ring-Innenraum des ringförmigen Bereichs des Bauelements durchsetzt, von einem den ringförmigen Bereich umgebenden Oxidationsmittelraum getrennt werden.

Umgekehrt kann ein solches Bauelement auch dazu verwendet werden, einen von dem ringförmigen Bereich umschlossenen Oxidationsmittelkanal von einem den ringförmigen Bereich umgebenden Brenngasraum gasdicht zu trennen.

Um zusätzlich zu der elektrischen Isolationswirkung des Bauelements eine Dichtfunktion ausüben zu können, sind der Grundkörper und die Isolationsschicht des Bauelements vorzugsweise gasdicht ausgebildet.

Anspruch 13 ist auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet, welcher mehrere Brennstoffzelleneinheiten, die längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgen, und mindestens ein erfindungsgemäßes Bauelement umfaßt, wobei das Bauelement einen Bestandteil einer der Brennstoffzelleneinheiten bilden kann.

Um eine funktionelle Einheit zu schaffen, welche in dem Brennstoffzellenstapel zugleich eine Abdichtfunktion und auch eine elektrische Isolierungsfunktion wahrnimmt, ist vorzugsweise vorgesehen, daß zwischen dem Bauelement mit der elektrischen Isolationswirkung und mindestens einem weiteren Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels ein im wesentlichen gasdichtes Dichtelement angeordnet ist.

Dieses im wesentlichen gasdichte Dichtelement kann insbesondere als ein ringförmiges Dichtelement ausgebildet sein.

Ein solches Dichtelement kann ein keramisches Dichtmaterial und/oder ein Glaslot enthalten.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Dichtelement aus einem Material gebildet ist, welches bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels keine ausreichende elektrische Isolationswirkung aufweist, da die elektrische Isolationsfunktion ja von dem erfindungsgemäßen Bauelement wahrgenommen wird.

Die Betriebssicherheit und Handhabbarkeit des Brennstoffzellenstapels wird erhöht, wenn das Bauelement, insbesondere der Grundkörper des Bauelements, an mindestens einem weiteren Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels festgelegt ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Bauelement an dem mindestens einem weiteren Bauteil durch Verlötung und/oder Verschweißung festgelegt ist.

Um zu verhindern, daß im Betrieb des Brennstoffzellenstapels mechanische Spannungen aufgrund zu unterschiedlicher Wärmedehnungen auftreten, ist es günstig, wenn das Bauelement und das mindestens eine weitere Bauteil Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche um höchstens ungefähr 50 Prozent, vorzugsweise um höchstens ungefähr 20 Prozent, voneinander abweichen. Dabei soll als Bezugsgröße zur Ermittlung der prozentualen Abweichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der jeweils kleinere Wärmeausdehnungskoeffizient verwendet werden.

Damit das elektrisch isolierende Bauelement zugleich auch eine Abdichtfunktion zwischen verschiedenen Gasräumen des Brennstoffzellenstapels wahrnehmen kann, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Bauelement an mindestens einen Fluidkanal des Brennstoffzellenstapels angrenzt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Bauelement den mindestens einen Fluidkanal ringförmig umgibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements einer Brennstoffzelleneinheit, das bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit eine elektrische Isolationswirkung aufweist, zu schaffen, durch welches ein Bauelement herstellbar ist, das auch bei hoher Betriebstemperatur eine ausreichende elektrische Isolationswirkung und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Anordnen einer aluminiumhaltigen Schicht an einem Grundkörper;
– Bildung einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht durch Anodisieren der aluminiumhaltigen Schicht.

Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 22 bis 32, deren Vorteile bereits vorstehend im Zusammenhang mit besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelements erläutert worden sind.

Die Ansprüche 33 bis 40 sind auf ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere Brennstoffzelleneinheiten umfaßt, gerichtet, bei dem mindestens ein Bauelement, das bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Isolationswirkung aufweist, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und mehrere Brennstoffzelleneinheiten längs einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten umfaßt, von denen in 1 zwei dargestellt sind;
2 einen schematischen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel;
3 einen schematischen Schnitt durch ein Isolationselement und zwei Dichtelemente des Brennstoffzellenstapels; und
4 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Isolationselements und ein Dichtelement.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in den 1 bis 3 dargestellter, als Ganzes mit 100 bezeichneter Brennstoffzellenstapelumfaßt mehrere Brennstoffzelleneinheiten 102 von jeweils gleichem Aufbau, welche längs einer vertikalen Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelt sind.
Jede der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfaßt ein Gehäuse 106, das aus einem Gehäuseunterteil 108 und einem Gehäuseoberteil 110 zusammengesetzt ist.
Das Gehäuseunterteil 108 ist als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 112, welche an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 104 umgebogenen Randflansch 114 übergeht.
Das Gehäuseoberteil 110 ist ebenfalls als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 116, die an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 104 umgebogenen, zu dem Gehäuseunterteil 108 weisenden und den Randflansch 114 des Gehäuseunterteils 108 übergreifenden Randflansch 118 übergeht.
Der Randflansch 118 des Gehäuseoberteils 110 ist längs einer umlaufenden Schweißnaht 120 gasdicht mit dem Randflansch 114 des Gehäuseunterteils 108 verbunden.
Das Gehäuseoberteil 110 und das Gehäuseunterteil 108 sind vorzugsweise aus einem hoch korrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Legierung Crofer 22, hergestellt.
Der Werkstoff Crofer 22 hat die folgende Zusammensetzung: 22 Gewichtsprozent Chrom, 0,6 Gewichtsprozent Aluminium, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,45 Gewichtsprozent Mangan, 0,08 Gewichtsprozent Titan, 0,08 Gewichtsprozent Lanthan, Rest Eisen.
Dieser Werkstoff wird von der Firma Thyssen Krupp VDM GmbH, Plettenbergerstr. 2,58791 Werdohl, Deutschland, vertrieben.
Das Gehäuseoberteil 110 weist eine im wesentlichen rechteckige Durchtrittsöffnung 122 auf, in welcher ein im wesentlichen quaderförmiges Substrat 124 aufgenommen ist, das an seiner Oberseite eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 126 trägt.
Die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 126 umfaßt eine direkt an der Oberseite des Substrats 124 angeordnete Anode 128, einen über der Anode 128 angeordneten Elektrolyten 130 und eine über dem Elektrolyten 130 angeordnete Kathode 132.
Die Anode 128 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (von ungefähr 800°C bis ungefähr 900°C) elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus ZrO₂ oder aus einem NiZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), gebildet, welches porös ist, um einem durch das Substrat 124 hindurch gelangenden Brenngas den Durchtritt durch die Anode 128 zu dem an die Anoden 128 angrenzenden Elektrolyten 130 zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 130 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Kathode 132 ist aus einem bei der Betriebstemperatur elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und weist eine Porosität auf, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 132 angrenzenden Oxidationsmittelraum 134 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 130 zu ermöglichen.
Der gasdichte Elektrolyt 130 erstreckt sich über den Rand der gasdurchlässigen Anode 128 und über den Rand der gasdurchlässigen Kathode 132 hinaus und liegt mit seiner Unterseite direkt auf der Oberseite eines Randbereichs des Substrats 124 auf. Der Randbereich des Substrats 124 ist gasdicht mit dem Gehäuseoberteil 110 verschweißt, wobei durch den Schweißvorgang in dem Randbereich des Substrats 124 eine gasdichte Zone 133 gebildet wird, welche sich über die gesamte Höhe des Randbereichs des Substrats 124 hindurch erstreckt. Diese gasdichte Zone 133 wird von dem Elektrolyten 130 überdeckt, so daß der von dem Innenbereich des Substrats 124 und dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuseunterteil 108 und dem Gehäuseoberteil 110 gebildete Brenngasraum 136 der Brennstoffzelleneinheit 102 gasdicht von dem über dem Elektrolyten 130 liegenden Oxidationsmittelraum 134 getrennt ist.
Das Substrat 124 kann beispielsweise als ein Metallgestrick, Metallgewebe, Metallgeflecht, Metallvlies und/oder als ein aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln bestehender poröser Körper ausgebildet sein.
Da das Substrat 124 mit der Anode 128 in elektrisch leitendem Kontakt steht, wird das Substrat 124 auch als Anodenkontaktkörper 138 bezeichnet.
An seiner der Anode abgewandten Unterseite ist der Anodenkontaktkörper 138 mit einem Kontaktfeld 140, das mittig an dem Gehäuseunterteil 108 angeordnet ist, verlötet.
Das Kontaktfeld 140 kann beispielsweise wellblechförmig ausgebildet sein.
Die Kathode 132 ist in elektrisch leitender Weise mit einem oberhalb der KEA-Einheit 126 angeordneten (in der Explosionsdarstellung der 1 nicht dargestellten) Kathodenkontaktkörper 142 verbunden, dessen der Kathode 132 abgewandte Oberseite mit der Unterseite des Gehäuseunterteils 108 einer in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden weiteren Brennstoffzelleneinheit 102 verlötet ist.
Über den Kathodenkontaktkörper 142, das Gehäuseunterteil 108 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 und den Anodenkontaktkörper 138 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 ist also die Kathode 132 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 elektrisch leitend mit der Anode 128 der in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 verbunden.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 weist die KEA-Einheit 126 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 850°C auf, bei welcher der Elektrolyt 130 für Sauerstoffionen leitfähig ist. Das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 134 nimmt an der Kathode 132 Elektronen auf und gibt zweiwertige Sauerstoffionen an den Elektrolyten 130 ab, welche durch den Elektrolyten 130 zur Anode 128 wandern. An der Anode 128 wird das Brenngas aus dem Brenngasraum 136 durch die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten 130 oxidiert und gibt dabei Elektronen an die Anode 120 ab.
Die bei der Reaktion an der Anode 132 frei werdenden Elektronen werden von der Anode 128 über den Anodenkontaktkörper 138, das Gehäuseunterteil 108 und den Kathodenkontaktkörper 142 der Kathode 132 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 zugeführt und ermöglichen so die Kathodenreaktion.
Um den Brenngasräumen 136 der Brennstoffzelleneinheiten 102 Brenngas zuführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Brenngasdurchgangsöffnungen 144 und die Gehäuseoberteile 110 mit Brenngasdurchgangsöffnungen 146 versehen, welche miteinander fluchten, so daß die Brenngasdurchgangsöffnungen 144, 146 durchsetzende vertikale Brenngaskanäle 148 gebildet werden.
Um Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 abführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Abgasdurchgangsöffnungen 150 und die Gehäuseoberteile 110 mit Abgasdurchgangsöffnungen 152 versehen, welche miteinander fluchten, so daß ein oder mehrere vertikale, die Abgasdurchgangsöffnungen 150, 152 durchsetzende Abgaskanäle 154 gebildet werden.
Um den Oxidationsmittelräumen 134 der Brennstoffzelleneinheiten 102 Oxidationsmittel zuführen zu können und überschüssiges Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 100 abführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 156 und die Gehäuseoberteile 110 mit Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 158 versehen, welche miteinander fluchten, so daß die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 156, 158 durchsetzende vertikale Oxidationsmittelkanäle gebildet werden.
Um die mechanische Stabilität der Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 zu erhöhen, können zwischen dem Gehäuseunterteil 108 und dem Gehäuseoberteil 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 jeweils die Brenngaskanäle 148 bzw. die Abgaskanäle 154 ringförmig umgebende Distanzhalterelemente 160 angeordnet sein, welche radiale Durchtrittskanäle 162 aufweisen, um den Durchtritt von Brenngas aus den Brenngaskanälen 148 in die Brenngasräume 136 bzw. den Austritt von Abgas aus den Brenngasräumen 136 in die Abgaskanäle 154 zu ermöglichen. Diese Distanzhalterelemente 160 können beispielsweise aus metallischem oder keramischem Material gebildet sein und müssen keine elektrische Isolationswirkung aufweisen.
Um einen elektrischen Kurzschluß zu verhindern, müssen jedoch die Gehäuse 106 längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 102 elektrisch voneinander isoliert werden. Um diese elektrische Isolationswirkung zu erzielen, sind zwischen der Oberseite des Gehäuseoberteils 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 und der Unterseite des Gehäuseunterteils 108 der darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 Bauelemente angeordnet, welche bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 eine elektrische Isolationswirkung aufweisen und im folgenden als Isolationselemente 164 bezeichnet werden.
Jedes der Isolationselemente 164 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, mit parallel zur Stapelrichtung 104 ausgerichteter Ringachse, und umgibt ringförmig jeweils einen der Brenngaskanäle 148 oder einen der Abgaskanäle 154.
Eines dieser ringförmigen Isolationselemente 164 ist in 3 detaillierter dargestellt.
Wie aus 3 zu ersehen ist, umfaßt das Isolationselement 164 einen ringförmigen Grundkörper 166 aus einem metallischen Material.
Insbesondere kann der Grundkörper 166 aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Legierung Crofer 22, gebildet sein, deren Zusammensetzung bereits vorstehend angegeben worden ist.
An den beiden einander entgegengesetzten Stirnseiten des ringförmigen Grundkörpers 166 ist jeweils eine bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektrisch isolierende Isolationsschicht 170 angeordnet, welche durch Anodisieren einer an den Grundkörper 166 anhaftenden aluminiumhaltigen Schicht erzeugt worden ist und somit elektrisch nicht leitendes Aluminiumoxid enthält.
Da das Isolationselement 164 einen Brenngaskanal 148 umgibt und der Brenngaskanal 148 gasdicht von dem das Isolationselement 164 umgebenden Oxidationsmittelraum 134 getrennt werden muß, ist zwischen den Isolationsschichten 170 des Isolationselements 164 und der Unterseite des benachbarten Gehäuseunterteils 108 bzw. der Oberseite des benachbarten Gehäuseoberteils 110 jeweils ein ringförmiges Dichtelement 172 angeordnet, welches aus einem gasdichten Material, beispielsweise aus einer keramischen Dichtmasse, gebildet ist.
Beispiele hierfür verwendbarer keramischer Dichtmassen sind insbesondere aus der DE 102 06 863 A1 bekannt.
Ein Beispiel einer solchen aus der DE 102 06 863 A1 bekannten, geeigneten Dichtmasse wird dadurch hergestellt, daß zu 68 Gewichtsteilen Wasserglas 20 Gewichtsteile Kaolin und 12 Gewichtsteile Bornitrid (α-BN, hexagonales graphitanaloges BN, mittlere Korngröße 4 μm) gegeben werden.
Ein weiteres Beispiel einer aus der DE 102 06 863 A1 bekannten, geeigneten Dichtmasse wird erhalten, in dem zu einem kommerziell erhältlichen Kalkkleber auf Wasserglasbasis, nämlich Canol 460 der Firma Segliwa GmbH, Wiesbaden, Deutschland, Bornitrid (Spezifikationen wie oben) hinzugegeben wird, so daß die Mischung 17 Prozent Bornitrid beinhaltet.
Durch das Dichtelement 172 aus der keramischen Dichtmasse ist das Isolationselement 164 mit dem benachbarten Gehäuseunterteil 108 verklebt, wobei zugleich der von dem Isolationselement 164 umschlossene Gaskanal gasdicht von dem Außenraum des Isolationselements 164 getrennt wird.
Um die Isolationselemente 164, die jeweils zwischen den Gehäusen 106 zweier Brennstoffzelleneinheiten 102 angeordnet sind, in einfacher Weise als Einheit handhaben zu können, kann vorgesehen sein, daß diese ringförmigen Isolationselemente 164 über jeweils einen Steg 174 mit einem im wesentlichen rechteckigen Rahmen 176 verbunden sind, wobei der Rahmen 176 und die Stege 174 ebenso wie die ringförmigen Isolationselemente 164 selbst aus einem Grundkörper aus einem metallischen Material und an dessen Oberflächen erzeugten Aluminiumoxidschichten gebildet sind (siehe 1).
Zur Herstellung und Montage der vorstehend beschriebenen Isolationselemente 164 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden Isolationselement-Vorkörper in der gewünschten Gestalt, insbesondere ringförmig, aus einem beidseitig mit Aluminium plattierten Blech des für den Grundkörper 166 ausgewählten metallischen Materials (beispielsweise Crofer 22) mit der gewünschten Dicke (beispielsweise im Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 400 μm) herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten oder ausgestanzt.
Anschließend werden diese Isolationselement-Vorkörper einer elektrolytischen Hartanodisation unterzogen, in deren Verlauf das auf den Grundkörper 166 aufplattierte Aluminium durchoxidiert wird, so daß auf jeder Stirnseite des Grundkörpers 166 jeweils eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid entsteht.
Nach der Erzeugung der Isolationsschichten 170 an den Grundkörpern 166 wird die keramische Dichtungsmasse auf die dem Grundkörper 166 jeweils abgewandte freie Oberseite der Isolationsschichten 170 und/oder auf die Unterseite der jeweils zugeordneten Gehäuseunterteile 108 bzw. auf die Oberseite der jeweils zugeordneten Gehäuseoberteile 110 aufgetragen.
Anschließend werden die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 des Brennstoffzellenstapels 100 mit den jeweils dazwischen angeordneten Isolationselementen 164 aufeinander gestapelt, und der Brennstoffzellenstapel 100 wird bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 70°C bis ungefähr 80°C getrocknet.
Eine Aushärtung der Dichtelemente 172 aus der keramischen Dichtmasse erfolgt beim ersten Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 100 auf dessen Betriebstemperatur.
Die Verschweißung der Gehäuseoberteile 110 mit den jeweiligen Gehäuseunterteilen 108 längs der Schweißnähte 120 kann vor oder nach dem Aufkleben der Isolationselemente 164 auf die Gehäuseoberteile 110 bzw. die Gehäuseunterteile 108 erfolgen.
Statt die Isolationselement-Vorkörper aus einem Blech eines Aluminium plattierten metallischen Materials herauszutrennen, kann auch so verfahren werden, daß die Grundkörper 166 der Isolationselemente 164 in der gewünschten Gestalt, insbesondere ringförmig, aus einem Blech aus dem gewünschten metallischen Material mit der gewünschten Dicke (beispielsweise im Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 400 μm) herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten oder ausgestanzt werden, und anschließend auf die Stirnseiten der Grundkörper 166 jeweils eine Aluminiumschicht durch galvanisches Abscheiden von Aluminium in nichtprotischer Lösung erzeugt wird.
Nach dem Erzeugen der Aluminiumschichten an den Grundkörpern 166 werden dann, wie vorstehend beschrieben, die Isolationsschichten 170 durch Hartanodisation der Aluminiumschichten erzeugt, und die Montage der so hergestellten Isolationselemente 164 erfolgt wie vorstehend beschrieben.
Statt aus Crofer 22 können die Grundkörper 166 der Isolationselemente 164 insbesondere auch aus der Stahllegierung mit der Werkstoff-Nr. 1.4310 gebildet sein.
Eine in 4 dargestellte zweite Ausführungsform eines Isolationselements 164 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß der ringförmige Grundkörper 166 nur an einer seiner Stirnseiten, nämlich auf der dem Gehäuseunterteil 108 zugewandten Oberseite, mit einer Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid versehen ist.
Die der Isolationsschicht 170 entgegengesetzte Stirnseite des ringförmigen Grundkörpers 166 ist über eine Lotschicht 168 mit der Oberseite des Gehäuseoberteils 110 verbunden.
Auch wenn bei dieser Ausführungsform nur eine einzige Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid vorhanden ist, so reicht diese eine Schicht doch aus, um bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 eine ausreichende elektrische Isolationswirkung zu erzielen.
Die elektrisch isolierende Isolationsschicht 170 des Isolationselements 164 ist über ein ringförmiges Dichtelement 172, welches aus einer der vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläuterten keramischen Dichtmassen gebildet sein kann und einen der Gaskanäle des Brennstoffzellenstapels 100 ringförmig umgibt, mit der Unterseite des Gehäuseunterteils 108 der darüber angeordneten Brennstoffzelleneinheit 102 gasdicht verbunden.
Zur Herstellung und Montage der zweiten Ausführungsform des Isolationselements 164 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden Isolationselement-Vorkörper in der gewünschten Gestalt, insbesondere ringförmig, aus einem einseitig mit Aluminium plattierten Blech aus der für den Grundkörper 166 ausgewählten metallischen Legierung mit der gewünschten Dicke (beispielsweise im Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 400 μm) herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten oder ausgestanzt.
Anschließend wird durch Hartanodisation der Isolationselement-Vorkörper die Aluminiumschicht durchoxidiert, wodurch die Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid gebildet wird.
Nach der Erzeugung der Isolationsschichten 170 an den Grundkörpern 166 wird jeder Grundkörper 166 auf die Oberseite des jeweils zugeordneten Gehäuseoberteils 110 aufgelötet.
Anschließend wird die keramische Dichtungsmasse auf die freie Oberseite der Isolationsschichten 170 und/oder auf die Unterseite der jeweils zugeordneten Gehäuseunterteile 108 aufgetragen.
Anschließend werden die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 des Brennstoffzellenstapels 100 mit den jeweils dazwischen angeordneten Isolationselementen 164 aufeinander gestapelt, und der Brennstoffzellenstapel 100 wird bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 70°C bis ungefähr 80°C getrocknet.
Eine Aushärtung der Dichtelemente 172 aus der keramischen Dichtmasse erfolgt beim ersten Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 100 auf dessen Betriebstemperatur.
Auch in diesem Fall kann die Verschweißung der Gehäuseoberteile 110 mit den jeweiligen Gehäuseunterteilen 108 längs der Schweißnähte 120 vor oder nach dem Auflöten der Grundkörper 166 auf die Gehäuseoberteile 110 erfolgen.
Alternativ zur Verwendung von Isolationselement-Vorkörpern aus einseitig aluminiumplattierten metallischen Material kann auch vorgesehen sein, daß die Grundkörper 166 in der gewünschten Form, insbesondere ringförmig, aus einem Blech aus dem gewünschten metallischen Material mit der gewünschten Dicke (beispielsweise im Bereich von ungefähr 200 μm bis ungefähr 400 μm) herausgetrennt, insbesondere ausgeschnitten oder ausgestanzt, werden und anschließend auf dem jeweiligen Grundkörper 166 einseitig eine Aluminiumschicht durch galvanisches Abscheiden von Aluminium in nichtprotischer Lösung erzeugt wird, wobei die gegenüberliegende Stirnseite des jeweiligen Grundkörpers 166 maskiert wird, um eine beidseitige Abscheidung von Aluminium zu verhindern.
Anschließend wird aus der abgeschiedenen Aluminiumschicht durch Hartanodisation die elektrisch isolierende Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid gebildet.
Das so erzeugte Isolationselement 164 wird in der vorstehend bereits beschriebenen Weise auf die Oberseite des jeweils zugeordneten Gehäuseoberteils 110 aufgelötet, und die weiteren Montageschritte erfolgen so wie vorstehend beschrieben.

Claims

Bauelement einer Brennstoffzelleneinheit, das bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (102) eine elektrische Isolationswirkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) einen Grundkörper (166) und mindestens eine an dem Grundkörper (166) angeordnete elektrisch isolierende Isolationsschicht (170), die Aluminiumoxid enthält, umfaßt, wobei die Isolationsschicht (170) durch Anodisierung einer an dem Grundkörper (166) angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (170) durch Hartanodisierung einer an dem Grundkörper (166) angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (170) durch Anodisierung einer Schicht, die Aluminium in einem Anteil von mindestens ungefähr 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise von mindestens ungefähr 90 Gewichtsprozent, insbesondere von mindestens ungefähr 95 Gewichtsprozent, enthält, erzeugt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumhaltige Schicht durch Plattierung mit dem Grundkörper verbunden worden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumhaltige Schicht durch galvanische Abscheidung von Aluminium an dem Grundkörper (166) erzeugt worden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (166) eine metallische Legierung enthält.
Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Legierung ein hochkorrosionsfester Stahl ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Legierung Eisen, Chrom, Aluminium, Silizium, Mangan, Titan und/oder Lanthan enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (166) an nur einer seiner Oberflächen mit einer Isolationsschicht (170) versehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (166) an zwei einander entgegengesetzten Oberflächen mit jeweils einer Isolationsschicht (170) versehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 1.000°C eine elektrische Isolationswirkung aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) einen ringförmigen Bereich umfaßt.
Brennstoffzellenstapel, umfassend mehrere Brennstoffzelleneinheiten (102), die längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander folgen, und mindestens ein Bauelement (164) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bauelement (164) und mindestens einem weiteren Bauteil (108, 110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) ein im wesentlichen gasdichtes Dichtelement (172) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (172) ein keramische Dichtmaterial und/oder ein Glaslot enthält.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) an mindestens einem weiteren Bauteil (110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) festgelegt ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) an dem mindestens einen weiteren Bauteil (110) durch Verlötung und/oder Verschweißung festgelegt ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) und das mindestens eine weitere Bauteil (110) Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche um höchstens ungefähr 50 Prozent, vorzugsweise um höchstens ungefähr 20 Prozent, voneinander abweichen.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) an mindestens einen Fluidkanal (148; 154) des Brennstoffzellenstapels (100) angrenzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) den mindestens einen Fluidkanal (148; 154) ringförmig umgibt.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements (164) einer Brennstoffzelleneinheit (102), das bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (102) eine elektrische Isolationswirkung aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Anordnen einer aluminiumhaltigen Schicht an einem Grundkörper (164); – Bildung einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht (170) durch Anodisieren der aluminiumhaltigen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (170) durch Hartanodisieren der an dem Grundkörper (166) angeordneten aluminiumhaltigen Schicht erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (170) durch Anodisieren einer Schicht erzeugt wird, die Aluminium in einem Anteil von mindestens ungefähr 80 Gewichtsprozent, vorzugsweise von mindestens ungefähr 90 Gewichtsprozent, insbesondere von mindestens ungefähr 95 Gewichtsprozent, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumhaltige Schicht durch Plattieren an dem Grundkörper (166) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die aluminiumhaltige Schicht durch galvanisches Abscheiden von Aluminium an dem Grundkörper (166) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (166) eine metallische Legierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisches Legierung ein hochkorrosionsfester Stahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Legierung Eisen, Chrom, Aluminium, Silizium, Mangan, Titan und/oder Lanthan enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Oberfläche des Grundkörpers (166) mit einer aluminiumhaltigen Schicht versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzte Oberflächen des Grundkörpers (166) mit jeweils einer aluminiumhaltigen Schicht versehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (170) erzeugt wird, die bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 700°C bis ungefähr 1.000°C eine elektrische Isolationswirkung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (166) verwendet wird, der einen ringförmigen Bereich umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (100), der mehrere Brennstoffzelleneinheiten (102) umfaßt, bei dem mindestens ein Bauelement (164), das bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (100) eine elektrische Isolationswirkung aufweist, nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 32 hergestellt wird und mehrere Brennstoffzelleneinheiten (102) längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Bauelement (164) und mindestens einem weiteren Bauteil (108, 110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) ein im wesentlichen gasdichtes Dichtelement (172) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (172) aus einem keramischen Dichtmaterial und/oder aus einem Glaslot gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) an mindestens einem weiteren Bauteil (110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) an dem mindestens einen weiteren Bauteil (110) durch Verlötung und/oder Verschweißung festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) und das mindestens eine weitere Bauteil (110) Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche um höchstens ungefähr 50 Prozent, vorzugsweise um höchstens ungefähr 20 Prozent, voneinander abweichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) so angeordnet wird, daß es an mindestens einen Fluidkanal (148; 154) des Brennstoffzellenstapels (100) angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (164) so angeordnet wird, daß es den mindestens einen Fluidkanal (148; 154) ringförmig umgibt.