DE19650903C2 - Brennstoffzellenmodul mit einer Gasversorgungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul mit einer Gasversorgungseinrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein Brennstoffzellenstapel, der in einem Brennstoffzellenmodul angeordnet ist, weist als wesentliche Bestandteile mehrere Brennstoffzellen auf. Eine Brennstoffzelle wiederum ist aus einer Ka­ thode, einem Elektrolyten sowie einer Anode zusammengesetzt. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt. Brennstoff sowie Oxidations­ mittel werden im folgenden allgemein Betriebsmittel genannt.

Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, z. B. die SOFC-Brennstoff­ zelle, die auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt wird, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt.

An der Kathode einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffio­ nen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anoden­ seite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und so elektri­ sche Energie erzeugt.

Eine SOFC-Brennstoffzelle weist einen Feststoffelektrolyt auf, der O^2-- Ionen, aber keine Elektronen leitet. Dabei wird üblicherweise Ytrium stabilisiertes Zirkoniumoxid, YSZ, als Material für den Feststoffelektrolyten verwendet.

Bei einer ersten herkömmlichen Bauweise besteht der Elektrolyt aus einer ca. 100-200 µm starken YSZ-Folie, die mit einer jeweils 50 µm dicken Anode und Kathode beschichtet ist. Die Mindestdicke des Elek­ trolyten ist dabei aus Stabilitätsgründen erforderlich, da ansonsten eine Handhabung und Weiterverarbeitung des Elektrolyten ohne Beschädi­ gungen des Elektrolyten nicht möglich wäre. Für den Betrieb einer sol­ chen Brennstoffzellenanordnung werden wegen der Dicke des Elektro­ lyten Temperaturen im Bereich von ca. 1000°C benötigt, um eine aus­ reichende Leitfähigkeit des Elektrolyten zu gewährleisten.

Ein anderes Konzept des Aufbaus einer Brennstoffzelle besteht darin, z. B. die Anode oder Kathode in Form eines ca. 2000 µm starken Sub­ strats auszugestalten, das mit dem Material des Elektrolyten beschichtet ist. Dabei liegt die Dicke des Elektrolyten im Bereich von unter 20 µm, so daß eine Betriebstemperatur von lediglich 700-800°C für eine aus­ reichende O^2--Leitfähigkeit genügt. Dabei ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die gesamte Zelle mechanisch stabil ist. Statt der Anode oder Kathode kann auch ein Träger mit einer Dicke von 2000 µm ver­ wendet werden, auf den als dünne Schichten die Anode, der Elektrolyt und die Kathode aufgebracht werden.

Zur Erzielung großer Leistungen werden mehrere Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und elektrisch seriell miteinander verbunden. Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Be­ zeichnung Interkonnektor bekannt. Es bewirkt die elektrische sowie die mechanische Kopplung zweier Brennstoffzellen. Ferner dient das verbindende Element der Bildung von Kathoden- oder Anodenräu­ men. In einem Kathodenraum befindet sich eine Kathode. In einem Anodenraum befindet sich eine Anode. Derart gestapelte Brennstoff­ zellen werden Brennstoffzellenstapel genannt.

An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind ebenfalls verbin­ dende Elemente angeordnet, die jedoch nur einseitig für die Führung eines Betriebsmittelstromes ausgestaltet sind. Diese Elemente werden Endplatten bezeichnet und werden von Deckplatten eingefaßt, die Teile eines Gehäuses des Brennstoffzellenstapels darstellen. Sofern die Deckplatten und andere Teile des Gehäuses elektrisch leitend sind, ist in der Regel das Anbringen einer elektrischen Isolierung zwischen den Endplatten und den Deckplatten notwendig.

Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise im Kreuzstrom betrie­ ben. Dabei dienen bei bspw. einem viereckigen Grundriß des Brenn­ stoffzellenstapels jeweils zwei sich gegenüberliegende Seiten einen Ein- und Auslaß eines Betriebsmittels, während die beiden übrigen Seiten den Ein- und Auslaß des anderen Betriebsmittels darstellen. Somit kreuzen sich die beiden Betriebsmittelströme innerhalb des Brennstoffzellenstapels, ohne jedoch in direktem Kontakt miteinander zu stehen. Das verbindende Element dient dabei als die beiden Be­ triebsmittel voneinander trennendes und gleichzeitig führendes Ele­ ment.

Aus dem Stand der Technik ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt, die einen ersten, Brenngaszuführungskasten genannten so­ wie einen zweiten, Nachbrennkammer genannten Gasversorgungska­ sten aufweist. Diese beiden Gasversorgungskästen, die hier mit dem Oberbegriff Betriebsmittelräume bezeichnet werden, dienen der Zu- und Ableitung von Betriebsmitteln in die Brennstoffzellen bzw. aus ihnen heraus. In der Nachbrennkammer können Wärmetauscher un­ tergebracht sein.

Unter Betriebsmittelraum ist nachfolgend jeder Raum zu verstehen, der an einen Brennstoffzellenstapel unmittelbar angrenzt und der der Zu- oder Abführung von Betriebsmitteln dient. Ein derartiger Be­ triebsmittelraum muß dicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbun­ den sein. Insbesondere bei den hohen Betriebstemperaturen treten je­ doch Dichtigkeitsprobleme auf.

Die oben beschriebene Art von Gasversorungseinrichtung wird als ex­ terne Gasversorgungseinrichtung bzw. als externes Manifold bezeich­ net, da die Gasversorgungskästen nach dem Zusammenbau des Brenn­ stoffzellenstapels seitlich an diesem angebracht werden. Dazu müssen die Gasversorgungskästen sowohl elektrisch isoliert mit dem Brenn­ stoffzellenstapel verbunden als auch im thermischen Ausdehnungs­ verhalten an den Brennstoffzellenstapel angepaßt sein. Zudem müs­ sen die Gasversorgungskästen eine ausreichende Hochtemperaturbe­ ständigkeit aufweisen. Daher sind die aus dem Stand der Technik be­ kannten externen Gasversorgungskästen aus einem keramischen Ma­ terial hergestellt.

Die externen Gasversorgungseinrichtungen weisen hohe Herstel­ lungskosten auf, da sowohl das Material als auch dessen Bearbeitung aufwendig sind. Dieser Nachteil macht sich gerade bei praxisrelevan­ ten, größeren Brennstoffzellenstapeln bemerkbar.

Aus dem Stand der Technik ist darüber hinaus eine interne Gasver­ sorgungseinrichtung bekannt, die auch als internes Manifold bezeich­ net wird, bei der die Betriebsmittelversorgung durch Schlitze erfolgt, die in den verbindenden Elementen eingebracht sind. Dafür ist eine flächige Vergrößerung der verbindenden Elemente über die Ausmaße der Brennstoffzellen hinaus erforderlich, so daß das teure keramische Material des verbindenden Elementes nur zu einem relativ geringen Anteil für die Funktion des verbindenden Elementes genutzt wird. Darüber hinaus sind zusätzliche Isolierschichten erforderlich, um einen Kurzschluß zwischen den verbindenden Elementen zu verhin­ dern. Schließlich ist von Nachteil, daß die Abdichtung der einzelnen Brennstoffzellen nach dem Fügen des Stapels nicht nachgebessert wer­ den kann.

Die DE 195 17 042 C1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, offenbart eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Anzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen. Der Brennstoffzellenstapel ist von einer gasdichten Umhüllung umgeben und gegen die Oberseite und die Unterseite der Umhüllung abgestützt. Zwischen der Umhüllung und dem Brennstoffzellenstapel sind Dichtungsvorrichtungen zur gegenseitigen Abdichtung der Einlaß- und Auslaßräume vorgesehen, wobei die Dichtungsvorrichtungen zum Ausgleich thermischer Dehnungen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Umhüllung ausgebildet sind. Dazu sind an den Ecken der Brennstoffzellen jeweils Aussparungen vorgesehen, in denen Dichtungseckleisten eingesetzt sind, die aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial bestehen. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Umhüllung durch Ecklager gelagert, die zwischen den Dichtungseckleisten und entsprechenden, gegenüberliegenden Bereichen der Umhüllung wirksam sind. Die Dichtungseckleisten und die Ecklager bilden somit eine Einheit, die gleichermaßen als Lagerung, wie auch als Dichtungsvorrichtung wirkt. Nachteilig bei diesem Aufbau ist, daß einerseits Aussparungen im Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein müssen, die die effektive Fläche der Brennstoffzellen und somit die gesamte Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verringern. Andererseits ist die Umhüllung über die Ecklager nicht starr mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, so daß die oberen und unteren Verschlußplatten der Umhüllung ebenfalls keine starre Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel aufweisen. Daher sind separate Deckplatten des Brennstoffzellenstapels erforderlich, so daß insgesamt ein aufwendiger Aufbau des Brennstoffzellenmoduls vorliegt.

Aus der DE 42 36 441 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum Dichten von Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt, bei dem die Dichtflächen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und den umgebenden Bauteilen des Brennstoffzellenmoduls aus einem starren Glaslot bestehen. Das dabei verwendete Glaslot ist auch noch bei einer Betriebstemperatur von über 1.100°C starr, so daß erhebliche mechanischen Spannungen, die durch während des Betriebes entstehende große Temperaturdifferenzen auftreten, auf die Dichtfläche übertragen werden. Daher besteht die Gefahr eines Zerbrechen des Glaslotes, so daß Undichtigkeiten entstehen könnten.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Brennstoffzellenmodul mit einer Gasversorgungseinrichtung anzugeben, das einen einfachen und somit kostengünstigen Aufbau aufweist und zugleich eine zuverlässige Versorgung der Brennstoffzellen mit Betriebsmitteln gewährleistet. Dabei besteht weiterhin das technische Problem der sicheren Abdichtung der Betriebsmittelwege innerhalb der Gasversorgungseinrichtung.

Das erstgenannte technische Problem wird durch eine Gasversor­ gungseinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel gelöst, der Stege und eine an den äußeren Enden der Stege befestigte Außenwand auf­ weist. Die inneren Längskanten der Stege sind mit dem Brennstoffzel­ lenstapel und entlang jeweils einer Querkante mit Deckplatten ver­ bunden. Die Deckplatten wiederum schließen den Brennstoffzellen­ stapel in Längsrichtung ab.

Erfindungsgemäß ist also erkannt worden, daß durch Anbringen von Stegen an den Ecken eines Brennstoffzellenstapels und einer Außen­ wand, die an den Längskanten der Stege, vorzugsweise umlaufend, be­ festigt ist, erhebliche Materialkosten eingespart werden. Denn die Stege und die Außenwand unterliegen unterschiedlichen Materialanforde­ rungen, so daß durch geeignete Wahl der Materialien und der Geome­ trie des Aufbaus neben Material- auch Bearbeitungskosten eingespart werden. Gleichzeitig werden durch den erfindungsgemäßen Aufbau und durch eine geeignete Wahl der verwendeten Materialien zuver­ lässig abgedichtete und elektrisch isolierende Gasversorgungskästen geschaffen, die auch den hohen thermischen Belastungen beim Betrieb eines Brennstoffzellenstapels standhalten.

Die Stege sind bei einem bevorzugten Aufbau zunächst entlang der inneren Längskanten mit dem Brennstoffzellenstapel jeweils mit einer Dichtfläche abgedichtet verbunden. In gleicher Weise sind die Stege an den Querkanten mit den Deckplatten abdichtend verbunden. Weiter­ hin erstreckt sich die Außenwand über die gesamte Länge des Brenn­ stoffzellenstapels und zusätzlich über die Kanten der Deckplatten, wo­ bei die Außenwand gegenüber den Längskanten der Stege und gegen­ über den Deckplatten mit entsprechenden Dichtflächen abgedichtet ist. Somit werden durch den Brennstoffzellenstapel, die Deckplatten, die Stege und die Außenwand die Betriebsmittelräume der erfindungsge­ mäßen Gasversorgungseinrichtung gebildet.

In bevorzugter Weise besteht die Außenwand aus einer hochtempera­ turbeständigen Metallfolie, deren Temperaturausdehnungsverhalten relativ gut an den Brennstoffzellenstapel angepaßt ist. Bestehende Un­ terschiede in der Temperaturausdehnung werden durch die geringe Dicke der Folie ausgeglichen. Denn die Betriebstemperaturen liegen oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalls der Folie, so daß die Folie kriechfähig ist und nur geringe mechanische Kräfte in Längs­ richtung des Brennstoffzellenstapels erzeugt.

Wird die erfindungsgemäße Gasversorgungseinrichtung für einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel mit Betriebstemperaturen im Bereich von 1000°C verwendet, so bestehen die Stege aus einer nicht leitenden und im thermischen Ausdehnungsverhalten angepaßten Oxidkeramik. Daher bestehen keine Probleme mit der elektrischen Iso­ lierung der Stege gegenüber den einzelnen Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels.

Die Außenwand wird an den Außenkanten der Stege angelegt und an­ schließend mittels Andrückleisten und Spannringen an die Stege an­ gedrückt, so daß die zwischen Außenwand und Stegen angeordneten Dichtflächen keine mechanischen Kräfte kompensieren müssen, die durch unterschiedliche Temperaturausdehnungen der beteiligten Bau­ teile hervorgerufen werden.

Bei einem Brennstoffzellenstapel, der nach dem Substratkonzept her­ gestellt ist und nur eine niedrigere Betriebstemperatur benötigt, ist es möglich, für die Stege und auch für die Deckplatten statt einer im Temperaturausdehnungsverhalten angepaßten Oxidkeramik einen Stahl bzw. eine Legierung zu verwenden, die im thermischen Aus­ dehnungsverhalten angepaßt sind. Dieses wird gerade durch die Redu­ zierung der Betriebstemperatur von 1000°C auf 700-800°C ermöglicht.

Dadurch werden wiederum die Material- wie auch die Produktionsko­ sten reduziert, da preiswert herzustellende Bauteile aus herkömmli­ chen Materialien verwendet werden. Durch die Verwendung einer Le­ gierung ist jedoch eine zusätzliche elektrische Isolierung der Stege wie auch der Deckplatte gegenüber dem Brennstoffzellenstapel zur Ver­ hinderung eines elektrischen Kurzschlusses notwendig. Dieses ist je­ doch dann unproblematisch, wenn für die Dichtflächen ein elektrisch isolierendes Material wie bspw. eine Glaskeramik verwendet wird.

Auch bei der Verwendung von metallischen Stegen ist eine Befesti­ gung der Außenwand mit Hilfe von Andrückleisten und Spannringen - wie zuvor beschrieben - möglich. Jedoch kann in vorteilhafter Weise die metallische Außenwand an den metallischen Stegen durch eine stoffschlüssige Fügeverbindung, wie bspw. Löten oder Schweißen, be­ festigt werden. Dadurch wird gleichfalls die Montage vereinfacht, wo­ bei auch die Zuverlässigkeit der Gasversorgungseinrichtung wegen der erhöhten mechanischen Festigkeit der Verbindung verbessert wird.

Schließlich ist durch Anbringen einer durchgehenden Schweißnaht auch eine geeignete Abdichtung zwischen den Stegen und der Au­ ßenwand möglich. Eine Dichtfläche aus Glaslot bzw. Glaskeramik ist dann in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.

Durch die Verwendung einer Legierung für Stege und Deckplatten wird in vorteilhafter Weise die Verbindung der Stege mit den Deck­ platten mittels stoffschlüssiger Fügeverbindungen ermöglicht, ohne daß eine separate Dichtfläche notwendig ist. Ebenso wird die Befesti­ gung von Anschlußflanschen für die Versorgung der Betriebsmittel­ räume der Gasversorgungseinrichtung mit Betriebsmitteln verein­ facht, da auch hier stoffschlüssige Fügeverbindungen angewendet werden können. Die Deckplatten müssen dann jedoch jeweils von den Endplatten elektrisch isoliert befestigt werden.

Es zeigt sich also, daß bei der bevorzugten Ausgestaltung der Gasver­ sorgungseinrichtung die Verwendung von Metallen möglich ist, so daß bei den niedrigen Betriebstemperaturen von 700-800°C neben der Außenwand weitere Bauteile der Brennstoffzellenstapelanordnung aus Legierungen hergestellt werden können. Dadurch können diese Bauteile in einfacherer und zuverlässigerer Weise zu einer Brenn­ stoffzellenstapelanordnung verbunden werden, als es im Stand der Technik bisher möglich gewesen ist.

In bevorzugter Weise werden die Dichtflächen zwischen den verschie­ denen Bauteilen der Gasversorgungseinrichtung aus einem Glaslot bzw. einer Glaskeramik hergestellt, die sowohl eine gasdichte Verbin­ dung als auch eine elektrisch isolierende Schicht bildet. Somit werden alle Anforderungen an die Dichtfläche, die zuvor aufgezeigt worden sind, erfüllt. Darüber hinaus ist die Glaskeramik bei den hohen Tem­ peraturen kriechfähig, so daß die Dichtflächen auftretende mechani­ sche Spannungen ausgleichen und abbauen können, da die Dichtflä­ chen keine tragende Funktion besitzen.

Die Herstellung der Dichtflächen sowie der Zusammenbau des Brenn­ stoffzellenstapels und der Gasversorgungseinrichtung sowie wird er­ findungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 13 bis 15 durchgeführt. Dadurch wird das oben aufgeführte technische Problem der sicheren Abdichtung der Betriebsmittelwege innerhalb der Gasver­ sorgungseinrichtung gelöst.

Ein Vorteil besteht dabei in der getrennten Herstellung von Stapel und Gasversorgungseinrichtung. Denn dadurch können im Brennstoffzel­ lenstapel vor dem Zusammenbau mit der Gasversorungseinrichtung zunächst die Abdichtungen im Stapel überprüft und ggfs. nachgebes­ sert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine erfindungsgemäße Gasversorgungs­ einrichtung,

Fig. 2 in einer Draufsicht die in Fig. 1 dargestellte Gasversor­ gungseinrichtung und

Fig. 3 in einer Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 2 die Anord­ nung der Einfüllöffnungen und der Versorgungskanäle.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul mit einer Gasversorgungseinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt, der aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 und verbindenden Elementen 3, den sog. Interkonnektoren, zusammengesetzt ist. Die Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit den Betriebsmitteln erfolgt über Betriebsmittelräume 4 und 5 bzw. 6 und 7, wobei die Brennstoffzellen 2 im sog. Kreuzstrom betrieben werden. Beispielsweise wird der Brennstoff über den Betriebsmittelraum 4 zu- und über den Betriebsmittelraum 5 abgeführt, während das Oxidationsmittel über die Betriebsmittelräume 6 und 7 zu- und abgeführt wird.

Erfindungsgemäß werden die Betriebsmittelräume 4 bis 7 der Gasver­ sorgungseinrichtung durch den Brennstoffzellenstapel 1, Stege 8, eine umlaufende Außenwand 9 und Deckplatten 10 und 11 gebildet.

Zunächst sind die Stege 8 entlang der vier Ecken des Brennstoffzellen­ stapels 1 mit ihren inneren Längskanten verbunden, so daß sich im wesentlichen eine Kreuzform ergibt. Die Stege 8 stehen dabei radial von der Mitte des Brennstoffzellenstapels 1 nach außen gerichtet vom Brennstoffzellenstapel 1 ab. Weiterhin sind die Stege 8 mit Deckplatten 10 und 11 verbunden, die den Brennstoffzellenstapel 1 in Längsrich­ tung, also in vertikaler Richtung in Fig. 1 abschließen. Im in Fig. 1 dar­ gestellten Ausführungsbeispiel sind die Stege 8 an der unteren Deck­ platte 10 befestigt, während die obere Deckplatte 11 Aussparungen auf­ weist, die mit den Positionen der Stege 8 korrespondieren und durch die sich die Stege 8 im zusammengebauten Zustand erstrecken.

Weiterhin entspricht die Länge der Außenwand 9 mindestens der Höhe des Brennstoffzellenstapels 1 zuzüglich der Dicken der beiden Deckplatten 10 und 11, so daß die Außenwand an der gesamten Länge der Stege 8 und entlang der gesamten umlaufenden Kanten der Deck­ platten 10 und 11 anliegt.

Damit die Betriebsmittelwege in geeigneter Weise voneinander ge­ trennt sind und keine Verbindungen zwischen den einzelnen Be­ triebsmittelräumen - außer über die Brennstoffzellen selbst - bestehen, sind zunächst die Stege 8 gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 1 so­ wie gegenüber den Deckplatten 10 und 11 abgedichtet, wobei entlang der Berührungsflächen der Bauteile Dichtflächen 12 und 13 ausgebildet sind.

Auch die Außenwand 9 ist gegenüber den Stegen 8 und den Deckplat­ ten 10 und 11 abgedichtet, wobei Dichtflächen 14 und 15 zwischen den Bauteilen ausgebildet sind. Die Herstellung der Dichtflächen wird wei­ ter unten genauer beschrieben.

Erfindungsgemäß besteht die Außenwand 9 aus einer hochtempera­ turbeständigen Metallschicht, die auch bei Temperaturen von bis zu 1000°C formstabil ist. Werden nun für die Stege 8 keramische Materia­ lien verwendet, so besteht die Metallschicht vorzugsweise aus einer Metallfolie, deren Dicke dabei beispielsweise 50 µm beträgt. Es sind je­ doch auch andere Dicken möglich. Es ist jedenfalls notwendig, daß durch die Metallfolie bei den während des Betriebes auftretenden Temperaturzyklen nur geringe mechanische Spannungen erzeugt werden, die nicht zu einer Belastung des Brennstoffzellenstapels füh­ ren. Dabei ist es von Vorteil, daß sich die Metallschicht im Tempera­ turbereich von 700-1000°C oberhalb des Rekristallisationspunktes be­ findet und somit kriechfähig ist. Temperaturausdehnungen des Brennstoffzellenstapels 1 und der Stege 8 können somit innerhalb der Metallfolie kompensiert werden.

Wie oben beschrieben worden ist, bestehen die Stege 8 und die Deck­ platten 10 und 11 entweder aus einer nicht leitenden und im thermi­ schen Ausdehnungsverhalten angepaßten Oxidkeramik oder aus ei­ nem im thermischen Ausdehnungsverhalten angepaßten ferritischen Stahl bzw. einer Legierung. Dabei können die letztgenannten Materia­ lien nur bei Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels 1 im Be­ reich von 700-800°C für Stege und Deckplatten angewendet werden, da nur für diese Temperaturen ein ausreichend angepaßtes Tempera­ turausdehnungsverhalten erzielt werden kann. In diesem Fall kann die Außenwand auch aus einem Metallblech hergestellt werden. Denn wegen des ähnlichen Temperaturausdehnungsverhaltens von Stegen und Außenwand kann die Außenwand selbst nur geringe mechani­ sche Spannungen aufgrund des eigenen Temperaturausdehnungsver­ haltens auf die Verbindung zwischen den Stegen und der Außenwand ausüben.

Als Oxidkeramik steht dabei eine nicht leitende und im Temperatur­ ausdehnungsverhalten angepaßte Hochtemperaturoxidkeramik wie bspw. Aluminiummagnesiumspinell (MgO . Al₂O₃) zur Verfügung. Als Legierung wird dagegen eine Hochtemperaturlegierung mit den Hauptbestandteilen Chrom und Eisen wie bspw. hitzebeständiger ferri­ tischer Stahl verwendet.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Außenwand 9 an den Stegen mit Hilfe von Andrückleisten 16 und Spannringen 17 befestigt. Diese kraftschlüssige Verbindung ist insbe­ sondere dann anzuwenden, wenn die Stege 8 aus keramischem Mate­ rial und die Außenwand 9 aus einer Metallfolie bestehen. Sind dage­ gen die Stege ebenfalls aus einem Stahl oder sonstigen Legierung her­ gestellt, so kann die Außenwand 9 auch durch eine stoffschlüssige Fü­ geverbindung, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, mit den Stegen verbunden sein. Die stoffschlüssige Befestigung stellt dabei eine sicherere Verbindung der Außenwand 9 und der Stege 8 dar.

Die Dichtflächen 12 bis 15 bestehen aus einer im thermischen Ausdeh­ nungsverhalten angepaßten Glaslot- bzw. Glaskeramikschicht, die nach dem Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels 1 aufgebracht werden. Dabei wird eine Glaskeramikschicht bevorzugt, da sie wegen des Temperaturausdehnungsverhaltens und wegen des geringen elek­ trischen Widerstandes besonders gut für die Dichtfläche geeignet ist. Dafür sind zunächst an den Stegen 8 an der innen liegenden Längs­ kante Nuten 18 und an der außen liegenden Längskante Nuten 19 aus­ gebildet, die der Aufnahme einer aus Glaskeramikpulver und einem Binder bestehenden Glaskeramikpaste dienen. Weiterhin sind an den Deckplatten Nuten 20 für den gleichen Zweck ausgebildet.

Wie in Fig. 3 im Ausschnitt dargestellt ist, sind zum Einfüllen der Glaskeramikpaste an der Deckplatte 10 Einfüllöffnungen 21 in Form von Stutzen angebracht. Weiterhin sind in der Deckplatte 10 Versor­ gungskanäle 22 und 23 angeordnet, die in Verbindung mit den Nuten 18 und 19 stehen. Dabei ist beispielsweise der Versorgungskanal 22 in­ nerhalb des Steges 8 als Versorgungskanal 24 verlängert ausgebildet. Weiterhin sind in der Zeichnung nicht dargestellte Versorgungskanäle vorgesehen, die innerhalb der Deckplatte 10 radial nach außen verlau­ fen, um die umlaufende Nut 20 mit Glaskeramikpaste zu versorgen.

Das Verfahren zu Herstellung eines Brennstoffzellenmoduls mit einer Gasversorgungeinrichtung wird im folgenden beschrieben. Zunächst werden entlang der späteren Anlageflächen der verschiedenen Bauteile zumindest in einem der Bauteile Nuten 18, 19 und 20 vorgesehen, die die Glaskeramik aufnehmen und führen werden. Dabei werden die Nuten 18, 19 und 20 vorzugsweise entweder an den Kanten der Stege 8 oder der Deckplatten 10 bzw. 11 angebracht. Weiterhin sind an der Deckplatte 10 zum Aufbringen der Glaskeramik Einfüllöffnungen 21 und in der Deckplatte 10 Versorgungskanäle 22 und 23 vorgesehen, durch die eine Glaskeramikpaste, wie im folgenden beschrieben wird, zu den Dichtflächen 12 bis 15 geführt wird.

Als nächstes werden an der unteren Deckplatte 10 Stege 8 befestigt, die im Abstand der äußeren Abmessungen der Ecken der anzuordnenden Brennstoffzellen angeordnet sind. In den von den Stegen 8 mit den inneren Kanten aufgespannten Raum werden anschließend die Brennstoffzellen 2 und die verbindenden Elemente 3 in ihrer vorgese­ henen Ausrichtung übereinander gestapelt. Die Anzahl der Brenn­ stoffzellen 2 ist dabei durch die Länge des Brennstoffzellenstapels 1 im fertigen, d. h. zusammengedrückten Zustand, vorgegeben, wobei die Höhe des Brennstoffzellenstapel 1 geringer als die Länge der Stege ist.

Danach wird die obere Deckplatte 11 auf den Brennstoffzellenstapel 1 aufgesetzt, wobei sich die Stege 8 durch entsprechende Aussparungen in der oberen Deckplatte 11 erstrecken. Auf die obere Deckplatte 11 werden dann Gewichte aufgesetzt, um den gesamten Brennstoffzellen­ stapel 1 zusammenzudrücken und um einen ausreichenden mechani­ schen und elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Schichten zu gewährleisten.

Weiterhin wird die Außenwand 9 der Gasversorgungseinrichtung um die Stege 8 und die Außenkante der unteren und oberen Deckplatten 10 und 11 herum angeordnet, so daß die für die Versorgung des Brenn­ stoffzellenstapels 1 mit Betriebsmitteln notwendigen Betriebsmittel­ räume 4 bis 7 gebildet werden. Dabei ist es erforderlich, daß sich einer­ seits die Außenkanten der Stege 8 bis an die umlaufende Außenkante der Deckplatten 10 und 11 erstrecken und daß andererseits die Höhe der Außenwand 9 mindestens der Länge des Brennstoffzellenstapels 1 und der beiden Deckplatten 10 und 11 entspricht. Die Außenwand wird danach mittels Andrückleisten 16 und Spannringen 17 fixiert.

Anschließend werden die Dichtflächen 12 bis 15 zwischen den ver­ schiedenen Bauteilen der Gasversorgungseinrichtung hergestellt. Dazu wird eine aus Glaskeramikpulver und einem Binder bestehende Paste in die Einfüllöffnungen 21, die an der Deckplatte 10 angeordnet sind, eingeführt.

Über die Versorgungskanäle 22 bis 24 sowie über nicht dargestellte Versorgungskanäle, die mit den herzustellenden Dichtflächen 12 bis 15 durchgehend verbunden sind und in der Deckplatte 10 und ggfs. in den Stegen 8 ausgebildet sind, wird dann mittels Anwendung eines Überdruckes von bis zu 20 bar die Paste zunächst entlang der abzu­ dichtenden Kontaktflächen zwischen den Bauteilen verteilt. Anschlie­ ßend wird die Glaskeramik unter Anwendung einer hohen Tempera­ tur gesintert. Die somit entstehende Glaskeramikschicht bildet dann eine zuverlässige Abdichtung, die zudem elektrisch isolierend ist.

Claims (15)

1. Brennstoffzellenmodul mit einer Gasversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgungseinrichtung

• 1. Stege (8) aufweist, die entlang der inneren Längskante mit dem Brennstoffzellenstapel (1) und entlang jeweils einer Querkante mit Deckplatten (10, 11) verbunden sind, die den Brennstoffzellenstapel (1) in Längsrichtung abschließen, und
• 2. wobei die Stege (8) mit ihren äußeren Enden an der das Brennstoffzellenmodul umgebenden Außenwand (9) befestigt sind.

2. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Außenwand (9) mindestens über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels (1) und der Deckplatten (10, 11) erstreckt.

3. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Andrückleisten (16) und Spannringe (17) die Au­ ßenwand (9) an den Stegen (8) und den Deckplatten (10, 11) befestigen.

4. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (9) aus einer hochtempera­ turbeständigen Metallschicht, vorzugsweise aus einer Metallfolie be­ steht.

5. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (8) aus einer nicht leitenden und im thermischen Ausdehnungsverhalten angepaßten Oxidkeramik be­ stehen.

6. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (8) aus einem im thermischen Ausdehnungsverhalten angepaßten ferritischen Stahl oder Legierung bestehen und am Brennstoffzellenstapel (1) elektrisch isoliert befestigt sind.

7. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (9) an den Stegen (8) und an den Deckplatten (10, 11) mit einer stoffschlüssigen Fügeverbindung befestigt ist.

8. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (8) gegenüber dem Brennstoffzel­ lenstapel (1) und gegenüber den Deckplatten (10, 11) mit Dichtflächen (12, 13) abgedichtet sind.

9. Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (9) gegenüber den Stegen (8) und den Deckplatten (10, 11) mit Dichtflächen (14, 15) abgedichtet ist.

10. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtflächen (12, 13, 14, 15) aus einer Glaslot­ schicht, vorzugsweise aus einer Glaskeramikschicht bestehen.

11. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Aufbringung der Dichtflächen (12, 13, 14, 15) ent­ lang der abzudichtenden Flächen Nuten (18, 19) in den Stegen (8) bzw. den Deckplatten (10, 11) vorgesehen sind.

12. Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für ein Aufbringen der Glaslot- bzw. Glaskeramik­ schichten in zumindest einer der Deckplatten (10, 11) Einfüllöffnungen (21) und Versorgungskanäle (22, 23, 24) vorgesehen sind.

13. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenmoduls mit einer Gasversorgungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Vorrichtungsansprüche,

• 1. bei dem zumindest in einen in einer der Deckplatten angeordneten Versorgungskanal eine aus Glaslot- oder Glaskeramikpulver und ei­ nem Binder bestehende Paste eingefüllt wird, wobei der Versorgungs­ kanal mit der herzustellenden Dichtungsfläche durchgehend verbun­ den ist,
• 2. bei dem unter Anwendung eines Überdruckes die Paste entlang der Dichtfläche verteilt wird und
• 3. bei dem die Paste anschließend unter Anwendung einer hohen Temperatur ausgehärtet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Paste entlang der abzu­ dichtenden Fläche durch zumindest eine Nut geführt wird, die in ei­ nem der die Dichtfläche umgebenden Bauteile ausgebildet worden ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem zunächst der Brenn­ stoffzellenstapel ohne Dichtflächen an den Stegen, den Deckplatten oder der Außenwand zusammengebaut wird und anschließend die Dichtflächen zwischen den Bauteilen hergestellt werden.