EP2115804A1 - Brennstoffzellenstapel und dichtung für einen brennstoffzellenstapel sowie deren herstellungsverfahren - Google Patents

Brennstoffzellenstapel und dichtung für einen brennstoffzellenstapel sowie deren herstellungsverfahren

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EP2115804A1
EP2115804A1 EP07817774A EP07817774A EP2115804A1 EP 2115804 A1 EP2115804 A1 EP 2115804A1 EP 07817774 A EP07817774 A EP 07817774A EP 07817774 A EP07817774 A EP 07817774A EP 2115804 A1 EP2115804 A1 EP 2115804A1
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EP
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component
solder
fuel cell
cell stack
spacer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817774A
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English (en)
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Inventor
Christian Wunderlich
Andreas Reinert
Karl-Hermann Bucher
Ralf Otterstedt
Hans-Peter Baldus
Michael Stelter
Axel Rost
Mihails Kusnezoff
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HC Starck GmbH
Original Assignee
Staxera GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a gasket for gas-tight connection of two elements of a fuel cell stack, with an electrically non-conductive spacer component and at least one solid at the operating temperature of the Brennstoffzellen- stapeis over its entire extent or viscous solder component, the gas-tight distance component with at least one of the elements to be connected of the fuel cell stack coupled.
  • the invention further relates to a fuel cell stack having a plurality of repeating units stacked in the axial direction, and having at least one gasket for gas-tightly connecting two elements of the fuel cell stack, the gasket having an electrically non-conductive spacer component and at least one solder component comprising at least one spacer component the elements to be connected of the fuel cell stack coupled.
  • the invention further relates to a method for producing a gasket which is suitable for the gas-tight connection of two elements of a fuel cell stack, the gasket having an electrically nonconductive spacer component and at least one solder component which is solid or viscous over its entire extent at the operating temperature of the fuel cell stack, which gas-tightly couples the distance component with at least one of the elements of the fuel cell stack to be connected
  • the invention also relates to a method for producing a fuel cell stack having a plurality of repeating units stacked in the axial direction, and having at least one gasket for gas-tightly connecting two elements of the fuel cell stack, wherein the gasket has an electrically non-conductive spacer component and at least one Operating temperature of the fuel cell stack ü over its entire extent solid or viscous Lotkompo- component has that gas-tightly couples the distance component with at least one of the elements to be connected to the fuel cell stack.
  • the invention also relates to methods for producing a fuel cell stack having a plurality of repeating units stacked in the axial direction, and having at least one gasket for gas-tightly connecting two elements of the fuel cell stack, the gasket having an electrically non-conductive spacer component and at least one solder component the distance component couples with at least one of the elements of the fuel cell stack to be connected.
  • Planar high temperature fuel cells are known for converting chemically bound energy into electrical energy.
  • oxygen ions pass through a solid electrolyte permeable only to them and react with hydrogen ions on the other side of the solid electrolyte to form water. Since electrons can not overcome the solid electrolyte, an electrical potential difference arises, which can be used to perform electrical work when electrodes are attached to the solid electrolyte and these are connected to an electrical load.
  • the composite of the two electrodes and The electrolyte is referred to as MEA ("Membrane Electrolyte Assembly").
  • MEA Membrane Electrolyte Assembly
  • the breakthroughs in the bipolar plates must be sealed so that the fluids within the stack do not mix.
  • the functioning of high-temperature fuel cells results in numerous requirements for the seals.
  • the seals must be at pressures up to around 0.5 bar gas-tight, in the range from - 30 0 C to be usable to 1000 0 C, be thermally zyklisierbar and its long-term stability for a service life of about 40,000 hours. Since the seals separate the fuel gas space from the air space, they must be made of a material that is stable on the one hand and stable on the other side oxidation stable. If the seals are inserted between two repeating units, they must also be electrically insulated from each other, since leakage currents in the stack reduce its performance.
  • the seals are also in the direct mechanical load path of the fuel cell stack, which is loaded with a compressive clamping force, and thus have to conduct the applied clamping force from one repeat unit to the next.
  • This bracing force which can be realized, for example, via an external bracing of the fuel cell stack or weights above the stack, is of crucial importance for a good internal, electrical contacting of the individual components and thus for the performance of the overall system.
  • the seals between the repeating units and the electrolytes do not have to be made electrically insulating, since both components are at the same electrical potential. However, these gaskets must achieve a gastight connection between two different materials, often between the two different classes of metal and ceramic materials.
  • the repeating units or bipolar plates are often made of high-temperature ferritic steels, oxide dispersion-strengthened alloys (ODS alloys), chromium-base alloys or other high-temperature-resistant materials, and in some embodiments can be provided with protective layers.
  • the electrolyte usually consists of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), but may also consist of other materials such as scandium, ytterbium, or cerstabilized zirconium oxide.
  • mica seals as they are known for example from WO 2005/024280 Al.
  • mica has the advantage of enabling compressible seals in which the joining partners are not rigidly connected to one another.
  • the coefficient of expansion does not have to be adapted exactly, the mica seals permitting low relative rotational movements of the parts to be joined to one another.
  • pure mica gaskets have high to very high levels - -
  • the crystallization of components of the molten glass can counteract this process only partially and therefore only insufficiently, so that glass solders always have the problem that they become too soft for use in SOFCs under high mechanical loads and / or high temperatures.
  • the partially crystallized glass has a thermal expansion coefficient of about 9-10 "6 K -1 , which is significantly lower than that of the metal of the bipolar plate (about 12.5 l (r 6 K -1 )
  • Connecting the electrolyte of the cell to the metal of the bipolar plate advantageously results in the electrolyte remaining under compressive stress has a detrimental effect on the strength of the connection between two bipolar plates and the limitation to about 300 mm in height, because the weight force to be applied during joining forces the viscous glass flat, and a sealing member whose insulation resistance is larger than that of the joining glass used hitherto is desirable.
  • the settling can be counteracted with the introduction of spacer elements, as proposed for example in DE 101 16 046 Al.
  • the glass solder is added to a preferably ceramic powder whose powder grains are as large as the gap to be sealed and thus can absorb the load.
  • the powder grains must be distributed very evenly in the glass solder to absorb the load evenly. With pulverulent spacer elements of this size, another problem occurs, namely the particle size distribution.
  • a powder with the nominal particle diameter of, for example, 100 microns will always have particles that are greater than 100 microns and those whose diameter is 100 microns, so that not the total introduced powder, but only a small part of the load to Available. This reduces the effectively used part of the powder preferably added to the glass solder with a proportion of 10%.
  • the round particles proposed in DE 101 16 046 A1 conduct the load pointwise.
  • solder feasible.
  • the joining takes place at high temperatures, above the melting temperature of the metal solder, by wetting the joint surface with the liquid metal solder, the filling of the joint gap by capillary forces and the erosion. stare of the metal plumb bob.
  • a big advantage over glass solders is the shorter joining times, which can be realized with metal solders.
  • the heating and soldering time as well as the total residence time of the components in the furnace can be reduced by more than 60%. By using modern joining methods such as resistance soldering or induction soldering, even shorter joining times are possible.
  • This shortening of the joining time can be achieved by a number of favorable parameters. For one thing, one can
  • Increasing the heating rate can be used, which can be up to 10 K / min in furnace soldering and with inductive heating up to 300 K / min.
  • solder foils additionally shortens the joining process. Films of the metallic solders contain no binder, because they are either alloys or laminated individual foils. Therefore, the holding time for the debindering can be dispensed with in comparison to glass solder foils.
  • metal solders are used for mechanically rigid and electrically conductive connections, as proposed, for example, in DE 198 41 919 A1 for the contacting and fastening of connection elements with an anode. If two bipolar plates are to be joined with metal solder, electrical insulation of the components can only be achieved by using insulating intermediate layers.
  • Such an electrically nonconductive intermediate layer of ceramic material is known from DE 101 25 776 A1 in connection with metal alloys. which are liquid at the operating temperature of the fuel cell stack.
  • a sealing arrangement which has a ceramic carrier coated with ceramic insulating.
  • the thus-available component having a ceramic surface is coupled to the elements to be connected by soldering or welding methods.
  • the brazing of ceramic materials differs from the brazing of metallic materials.
  • Conventional solders are not able to wet ceramic materials.
  • One approach is to metallize ceramic components and join them using a conventional soldering process.
  • the metallization is carried out for example by the molybdenum-manganese process.
  • a paste of eg molybdenum oxide and manganese is applied to the ceramic surface and sintered at high temperatures (> 1000 0 C) in forming gas on the ceramic surface.
  • the metallized ceramic is additionally provided with a nickel or copper coating. The thus metallized ceramic can now be soldered in a subsequent step with conventional metal solders.
  • the invention has for its object to provide a seal and a fuel cell stack available, so that improvements and simplifications are to be recorded in terms of tightness, stability and the use of manufacturing processes.
  • the invention builds on the generic seal in that the spacer component is made of ceramic. If, for example, two bipolar plates of a fuel cell arrangement are to be connected to one another in a gastight manner with the gasket according to the invention, the result is a dense, electrically well insulating, stable, thermally stable and at the same time simple structure. Compared to a construction in which the spacer component is made of ceramic coated metal, fewer process steps are required in the manufacture of the gasket. Furthermore, the thermal behavior of the spacer component is determined solely by the thermal properties of the ceramic. For example, it can be provided that the at least one solder component has a glass solder.
  • the at least one solder component has a metal solder.
  • the at least one solder component has an active solder.
  • the spacer component has at least one recess which is filled by the solder component.
  • the recesses are adapted to receive solder before the coupling of the seal is made to the elements to be connected.
  • the seal is therefore easy to handle as a spacer component with solder introduced in recesses. Since the solder can be located in the region of the recesses in this way, other areas of the surfaces facing the elements to be connected in the fuel cell stack may be free of solder. Consequently, the distance between the elements to be connected is determined by the distance component, since the solder-free surfaces of the distance component contact the elements to be connected directly, that is to say without solder interlayer.
  • the solder component has a larger volume than the recess.
  • the solder can protrude beyond the surface in the direction of the elements to be connected.
  • the solder is thus under load during the joining phase, so that the isotropic sintering shrinkage of the solder is converted into a pure vertical shrinkage.
  • the solder flows viscous until the bipolar plates rest on the spacer element. Consequently, the spacer carries the main part of the load.
  • the recess extends along an edge of the spacer component.
  • the solder has the possibility of flowing away from the contact surface of the spacer component.
  • the recess is arranged in a surface facing a member to be connected and is limited perpendicular to the extension of the solder component of the surface.
  • Such a structure may be advantageous in view of the fact that the solder components are fixed on both sides by the spacer component.
  • the coupling of the spacer component with at least one of the elements to be connected takes place by means of a plurality of solder seams, wherein each of these solder seams provides a gastight connection when intact.
  • cracks may occur at temperature changes below the transition temperature, that is, in the state in which the glass is almost completely solid. Cracks that occur in this temperature range, immediately migrate through the entire cross section. If the fuel cell is then connected to the hydrogen and oxygen-containing gases applied, it comes at these locations to a fire. As a result of the resulting local overheating even adjacent areas are damaged, so that the entire fuel cell system can fail.
  • the glass solder Due to the use of glass solder with several solder seams, usually only one of the solder seams fails under mechanical stress.
  • the crack can penetrate into a second solder seam only if there is a weak point of the second solder seam in the vicinity of the crack of the first solder seam. This is very unlikely, so that overall a dense connection persists.
  • the glass may anneal the crack by viscous flow when the fuel cell is brought to operating temperature, especially when the operating temperature is above the transition temperature of the glass.
  • the arrangement of two or more solder seams which is particularly advantageous in the case of glass solder, can also be advantageous when using metal solder.
  • solder component extends over the entire surface facing a member to be connected. After coupling of the solder component with the elements to be joined then results in a Lot, slaughter plant, or the solder component is urged by the Verspannkraft to the outside, so that even in this case with a solder component over the entire surface ultimately at the edges extending solder seams result. Remains a Lot aside harsh, so there is a very secure connection in terms of tightness, which is comparable to a solution using multiple juxtaposed solder seams.
  • the spacer component on a surface facing a member to be connected to a MetallIotkomponente and on the opposite surface carries a Glaslotkomponente.
  • the joining of the distance component with the elements to be connected takes place in two steps due to the two different soldering systems.
  • the previously metallized spacer is soldered to a metal solder or directly by an active soldering process on one of the elements to be connected.
  • the spacer element is already positioned on the one hand.
  • the tightness of the already existing connection can be checked. If the seal is soldered to a bipolar plate and the membrane electrode assembly is already attached to the bipolar plate, it is possible to check the entire repeat unit for leaks in this state. This makes it possible to ensure that only intact components are joined together to form a fuel cell stack. Only after the leakproofness has been successfully checked does the repeating units be joined via the glass solder joints.
  • the spacer component is sintered gas-tight.
  • the spacer component has an axial thickness between 0.1 and 0.2 mm.
  • the spacer component has an axial thickness between 0.3 and 0.8 mm.
  • the solder component has an axial thickness between 0.02 and 0.2 mm.
  • the solder component bearing surface of the spacer component is roughened.
  • the distance component has a coefficient of thermal expansion in the range from 10.5 to 13.5 ⁇ T 6 K -1 , which ensures that the coefficient of thermal expansion better matches the thermal expansion coefficient of ferritic steel than conventionally used joining glasses
  • Ferritic steel has a thermal expansion coefficient of 12 to 13 -10 "6 K " 1.
  • a typical joining glass solder has a thermal expansion coefficient of 9,6-lCr 6 K "1 .
  • the spacer component has at least one of the following materials: barium disilicate, calcium disilicate, barium calcium orthosilicate. These ceramics all have a coefficient of thermal expansion in the range of 12-10 " 5K " 1 and are thus particularly suitable for use in the context of the present invention.
  • the spacer component prefferably has partially stabilized zirconium oxide.
  • Partially stabilized zirconium oxide is zirconium oxide containing 2.8 to 5 mol% of rare earth metal oxide, namely Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MgO or CaO.
  • rare earth metal oxide namely Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , MgO or CaO.
  • Such systems have a thermal expansion coefficient of about 10, 8 -ICT 6 K '1 .
  • alumina is added to the partially stabilized zirconia.
  • the Solder component of at least one of the following materials: gold, silver, copper.
  • the invention further relates to a fuel cell stack with a seal according to the invention.
  • the invention is based on a generic fuel cell stack in that a force flow compressing the fuel cell stack in the axial direction transitions from the distance component directly to at least one of the elements to be connected. In this way, the distance between the adjacent elements to be connected can be accurately adjusted by the spacer element.
  • the rigid spacer receives the load during operation of the fuel cell without the interposition of solder components. The load path thus no longer leads through the soldering components applying the sealing effect, but through the rigid element. This prevents the elements to be connected from coming into contact by squeezing the solder, which would lead to a short-circuit in the case of bipolar plates to be connected.
  • the spacer component is made of ceramic. Even if, in connection with the direct contacting of the elements to be connected with the spacer element, any non-conductive spacer elements can be used, it is particularly advantageous to produce the spacer component from ceramic. This leads to the peculiarities and advantages which have already been mentioned in connection with the gasket according to the invention. This also applies to the following particularly advantageous embodiments of the fuel cell stack according to the invention. This may for example be designed so that the at least one solder component has a glass solder.
  • the at least one solder component has a metal solder.
  • the at least one solder component has an active solder.
  • the spacer component has at least one recess which is filled by the solder component.
  • solder component has a larger volume than the recess.
  • the recess extends along an edge of the spacer component.
  • the recess may be arranged in a surface facing an element to be connected and to be bounded perpendicular to the extension of the solder component from the surface.
  • the coupling of the spacer component is carried out with at least one of the elements to be connected by means of multiple solder seams, each of these solder seams in the intact state provides a gas-tight connection.
  • a reliable seal can also be provided by the fact that the solder component extends over the entire surface facing a member to be connected.
  • the distance component on a surface facing an element to be connected a MetallIotkomponente and on the opposite surface carries a glass solder component.
  • the spacer component may be gas-tight sintered.
  • the spacer component has an axial thickness between 0.1 and 0.2 mm.
  • the spacer component has an axial thickness between 0.3 and 0.8 mm.
  • the solder component has an axial thickness between 0.02 and 0.2 mm.
  • the fuel cell stack can be provided with a stable and dense structure in such a way that the surface of the spacer component carrying the solder component is roughened.
  • the distance component has a coefficient of thermal expansion in the range of 10.5 to 13. 5 ICT 6 K -1 .
  • the spacer component comprising at least one of the following materials: barium disilicate, calcium disilicate, barium calcium orthosilicate.
  • the spacer component has partially stabilized zirconium oxide.
  • solder component comprises at least one of the following materials: gold, silver, copper.
  • the invention furthermore relates to a seal for a fuel cell stack according to the invention, that is to say a seal with a total of non-conductive spacer element and solder components arranged thereon.
  • the invention is based on the generic method for producing a seal in that the spacer component is made of ceramic material. This results in the advantages and special features that have already been mentioned in connection with the gasket according to the invention.
  • the spacer component may be prepared by dry pressing of ceramic powder.
  • the spacer component is produced by film casting, lamination and stamping. On the basis of such a distance component it can be provided that a glass solder in the form of a stamped film is applied to the spacer component.
  • an adhesive layer may be applied to the spacer component before the metal solder is applied.
  • the distance component is roughened before the application of a solder.
  • the invention is based on the generic method for the manufacturer of the fuel cell stack in that a spacer component made of ceramic material is used.
  • Fuel cell stack and gaskets are stacked with solder components of glass solder and the elements to be connected are then connected to each other simultaneously via the seals. So it's a manufacturing process possible, in which there is a parallel joining of all coupling areas associated with the sealing components.
  • seals are used whose distance components on a surface facing a member to be joined a metal solder component and wear on the opposite surface a Glaslotkomponente that the distance components first on the metal solder components with elements of the
  • Fuel cell stack are connected to the repeating units are completed, the repeating units are stacked and that the repeating units are connected to each other via the glass solder components.
  • Such fabrication based on a seal having different solder systems is particularly useful in that the repeat units are inspected for leaks after joining the spacer components to the metal solder components with elements of the fuel cell stack.
  • the invention is based on arranging the solder components on the spacer components in such a way that a force flow compressing the fuel cell stack in the axial direction transitions directly from the distance component to at least one of the elements to be connected.
  • this manufacturing process can basically different distance components are used, as long as they are electrically insulating.
  • the use of ceramic is of particular advantage, it is not necessarily intended.
  • elements of the fuel cell stack and seals are brazed with solder components made of glass solder and the elements to be connected are then connected to one another simultaneously via the seals.
  • seals whose spacer components carry a metal solder component on a surface facing a member to be bonded and a glass solder component on the opposite surface, that first connect the spacer components to elements of the fuel cell stack via the metal solder components that the repeating units are finished, that the repeating units are stacked and that the repeating units are connected to each other via the glass lot components.
  • FIG. 1 shows an axial section through part of a fuel cell stack according to the invention
  • FIG. 2 different plan views of seals
  • FIG. 3 shows different axial sections for the description of a seal according to the invention and of a manufacturing method according to the invention for manufacturing a seal and a fuel cell stack;
  • Figure 4 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing process for the production of inventive
  • Figure 5 shows various axial sections for describing a further embodiment of an inventive
  • Figure 6 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing method for the production of inventive Seals and fuel cell stacks according to the invention
  • Figure 7 shows various axial sections for describing a further embodiment of an inventive
  • Figure 8 shows various axial sections for describing a further embodiment of a gasket according to the invention and for explaining manufacturing processes for the production of gaskets and fuel cell stacks according to the invention.
  • FIG. 1 shows an axial section through part of a fuel cell stack according to the invention.
  • Two repeat units 28 of a fuel cell stack are shown.
  • Each of these repeating units 28 comprises a bipolar plate 12.
  • This defines a main plane 30 and a side plane 32 axially offset therefrom.
  • the plate sections lying in the main plane 30 and in the secondary plane 32 extend in the radial direction and are connected to one another via axial sections 34 , In this way results in a cassette-like structure, which is a total e- lektrisch compromisingd.
  • At the lying in the main plane 30 part of the bipolar plate 12 includes a first gas guide region 36 at. This gas routing area is for it provided to guide the gases reacting in the fuel cell stack.
  • first electrode 38 of a membrane-electrode assembly 38, 40, 42 available.
  • first electrode 38 Above the first electrode 38 is a solid electrolyte 40.
  • second electrode 42 On this solid electrolyte 40 is in turn a second electrode 42.
  • the second electrode 42 is followed by another gas guide region 44.
  • the first electrode 38 is a cathode
  • the lower gas guide region 36 serves to guide air
  • the upper gas guide region 44 conducts hydrogen, which is supplied to the adjacent anode 42.
  • axial air channels 46 are provided.
  • seals 10, 10 'prevent the air from flowing into the region of the upper gas-guiding regions 44 and thus the anodes 42.
  • the seals 10 prevent leakage of air from the fuel cell stack. Another picture results from another cut through the fuel cell stack. In such an axial channels would be recognizable, which supply hydrogen to then supply the upper gas guide portions 44 and thus the anodes 42, while the lower gas guide portions 36 and the cathodes are protected by seals from the hydrogen.
  • the seals 10, which connect the bipolar plates 12 together, must be made of electrically non-conductive material, since the mutually facing sides of two adjacent bipolar plates 12 are at opposite potential.
  • the seal 10 described in the context of the present invention is intended primarily for this connection of the bipolar plates 12. However, other gaskets that are needed in the fuel cell stack can be constructed in the same way, for example example, the seals 10 'between the solid electrolyte 40 and the bipolar plates 12th
  • Figure 2 shows various plan views of seals.
  • the viewing direction is perpendicular to the viewing direction in FIG. 1.
  • Various forms of seals which, for example, are arranged circumferentially around the entire fuel cell stack, are shown. So you can see a rectangular ( Figure 2a), a round ( Figure 2b), an ellipti- see ( Figure 2c) and a partially concave (Figure 2d) seal shape.
  • the seals may also have openings, for example, on both sides to seal an axial passage provided for fluid guidance, that is to say in particular against the atmosphere and against the gas guidance area which is not to be reached by the gases guided in the fluid guidance.
  • FIG. 3 shows various axial sections for the description of a seal according to the invention and of a manufacturing method according to the invention for manufacturing a seal and a fuel cell stack.
  • FIG. 3 a shows a spacer component 16 of a seal 10 according to the invention. At its edges 24, the spacer component 16 has recesses 20 which are suitable for receiving a solder component 18.
  • FIG. 3b shows the seal 10 in the sealing state between two bipolar plates 12.
  • the solder component for example glass solder
  • the solder component 18 projects beyond the spacer element 16.
  • the solder component 18 is thereby under load. So the isotropic sintering shrinkage are converted into a pure Honenschwindung.
  • the glass flows viscously until the bipolar plates 12 rest on the spacer element 16.
  • a tensioning force applied to the fuel cell stack is then transmitted substantially via the spacer component 16. Since each bipolar plate 12 faces a plurality of solder seams 18, in the illustrated case by way of example two solder seams, the defect of one of the solder seams 18 does not yet lead to the leakiness of the system.
  • FIG. 4 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing methods for producing seals according to the invention and fuel cell stacks according to the invention.
  • the spacer element 16 according to FIG. 4 a has recesses 22 which lie in the surface 26 of the spacer component 16, which is coupled to the bipolar plate 12.
  • the coupled state is shown in FIG. 4 d, the solder component 18 also being additionally introduced into the recesses 22 here.
  • the solder component 18 that is, in particular the glass solder, completely surrounded by the spacer element, so that it is fixed in the joining and sealing area.
  • FIG. 5 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing methods for producing seals according to the invention and fuel cell stacks according to the invention.
  • the solder component 18 is applied over the entire surface of the spacer component 16.
  • the distance component 16 is shaped in such a way that, during the transition from the state shown in FIG. 5 a to the state according to FIG. men in which the solder component 18 can be displaced.
  • the solder component 18 is applied over the entire surface of the spacer component 16.
  • the distance component 16 is shaped in such a way that, during the transition from the state shown in FIG. 5 a to the state according to FIG. men in which the solder component 18 can be displaced.
  • FIG. 6 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining production methods for producing seals according to the invention and fuel cell stacks according to the invention.
  • solder component 18 glass solder is provided.
  • the embodiment is comparable to the embodiment according to FIG. 5, but here the spacer component 16 is given no special shape with regard to the reception of the solder component 18.
  • the solder component 18 lies completely on the spacer component 16.
  • part of the solder component 18 remains between the spacer component 16 and the bipolar plates 12. The remainder is displaced into the edge regions.
  • the amount of solder forming the intermediate layer may be so small that the force flow between the bipolar plate 12 and the spacer component 16 is practically less direct than in the case when the spacer component 16 directly contacts the bipolar plate 12.
  • FIG. 7 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing methods for producing seals according to the invention and fuel cell stacks according to the invention.
  • solder component 18 metal solder is provided.
  • the embodiment according to FIG. 7 is identical to the embodiment according to FIG. 6.
  • the soldering process can either be a two-stage process take place, wherein first a metallization of the spacer element 16 is made, whereupon then soldered with conventional metal solder. It is also possible to carry out a one-stage active soldering process.
  • FIG. 8 shows various axial sections for describing a further embodiment of a seal according to the invention and for explaining manufacturing methods for producing seals according to the invention and fuel cell stacks according to the invention.
  • a hybrid pilot system is shown.
  • FIG. 8 a Before the state shown in FIG. 8 a, there is a spacer component 16 with recesses 20 provided on one side at the edges of the spacer component 16. This is then provided with a metal solder component 18 'on the side opposite the recesses 20. The partial seal thus present can then be soldered onto a bipolar plate 12. In this state, the tightness test of the connection between the spacer component 16 and the bipolar plate 12 can already take place via the metal component 18 '.
  • the bipolar plates thus equipped with the partial seals are prefabricated for the entire fuel cell stack, in order then to introduce into the recesses 20 of the spacer component 16 a glass solder component 18.
  • the fuel cell stack may then be assembled, and the connections of the spacer components 16 via the glass solder components 18 to the bipolar plates 12 may then be coupled in parallel for the entire stack.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtung (10) zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) eines Brennstoffzellenstapels, mit einer elektrisch nicht leitenden Distanzkomponente (16) und mindestens einer bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels über ihre gesamte Ausdehnung festen oder viskosen Lotkomponente (18), die die Distanzkomponente (16) mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Distanzkomponente (16) aus Keramik besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein den Brennstoffzellenstapel in axiale Richtung komprimierender Kraftfluss von der Distanzkomponente (16) direkt auf zumindest eines der zu verbindenden Elemente (12) übergeht. Ferner betrifft die Erfindung Herstellungsverfahren für Dichtungen (10) und Brennstoffzellenstapel.

Description

Brennstoffzellenstapel und Dichtung für einen Brennstoffzellenstapel sowie deren Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Dichtung zum gasdichten Verbinden zweier Elemente eines Brennstoffzellenstapels, mit einer elektrisch nicht leitenden Distanzkomponente und mindestens einer bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellen- stapeis über ihre gesamte Ausdehnung festen oder viskosen Lotkomponente, die die Distanzkomponente mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Wiederholeinheiten, die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindestens einer Dichtung zum gasdichten Verbinden zweier Elemente des Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung eine elektrisch nicht leitende Distanzkomponente und mindestens eine Lotkomponente aufweist, die die Distanzkomponente mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels koppelt.
J Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung, die zum gasdichten Verbinden zweier Elemente eines Brennstoffzellenstapels geeignet ist, wobei die Dichtung eine elektrisch nicht leitende Distanzkomponente und mindestens eine bei Betriebstemperatur des Brennstoff- zellenstapels über ihre gesamte Ausdehnung feste oder viskose Lotkomponente aufweist, die die Distanzkomponente mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Wiederholeinheiten, die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindes- tens einer Dichtung zum gasdichten Verbinden zweier Elemente des Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung eine e- lektrisch nicht leitende Distanzkomponente und mindestens eine bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels ü- ber ihre gesamte Ausdehnung festen oder viskosen Lotkompo- nente aufweist, die die Distanzkomponente mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt.
Ebenfalls betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Wiederholeinheiten, die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindestens einer Dichtung zum gasdichten Verbinden zweier Elemente des Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung eine e- lektrisch nicht leitende Distanzkomponente und mindestens eine Lotkomponente aufweist, die die Distanzkomponente mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels koppelt.
Es sind planare Hochtemperaturbrennstoffzellen (pSOFC) zur Umwandlung chemisch gebundener Energie in elektrische Energie bekannt. In diesen Systemen treten Sauerstoffionen durch ein nur für diese durchlässigen Festelektrolyten und reagieren auf der anderen Seite des Festelektrolyten mit Wasserstoffionen zu Wasser. Da Elektronen den Festelektro- lyt nicht überwinden können, entsteht eine elektrische Potentialdifferenz, welche zur Verrichtung elektrischer Arbeit genutzt werden kann, wenn an dem Festelektrolyten E- lektroden angebracht und diese mit einer elektrischen Last verbunden werden. Der Verbund aus den beiden Elektroden und dem Elektrolyten wird als MEA ("Membrane Electrolyte As- sembly" ) bezeichnet. Für technologische Anwendungen werden mehrere Wiederholeinheiten, bestehend aus MEA, Fluidfüh- rungsStrukturen und elektrischer Kontaktierung zu einem Stapel (Stack) zusammengefügt. Die Wiederholeinheiten enthalten Durchbrüche, durch die die Fluide zu angrenzenden Wiederholeinheiten gelangen. Die Begrenzungen der Wiederholeinheiten werden Bipolarplatten genannt.
Die Durchbrüche in den Bipolarplatten müssen mit Dichtungen versehen werden, damit sich die Fluide innerhalb des Stacks nicht vermischen. Aus der Funktionsweise von Hochtemperaturbrennstoffzellen ergeben sich für die Dichtungen zahlreiche Anforderungen. Die Dichtungen müssen bei Überdrücken bis rund 0,5 bar gasdicht sein, im Bereich von - 30 0C bis 1000 0C einsetzbar sein, thermisch zyklisierbar sein und für eine Betriebsdauer von ca. 40000 Stunden langzeitstabil sein. Da die Dichtungen den Brenngasraum vom Luftraum trennen, müssen sie aus einem Werkstoff hergestellt werden, der auf der einen Seite reduktionsstabil und auf der anderen Seite oxidationstabil ist. Werden die Dichtungen zwischen zwei Wiederholeinheiten eingesetzt, müssen sie diese zudem elektrisch voneinander isolieren, da Kriechströme im Stack dessen Leistung mindern. Meist befinden sich die Dichtungen außerdem im direkten mechanischen Lastpfad des mit einer komprimierenden Verspannkraft belasteten Brennstoffzel- lenstacks und müssen somit die aufgebrachte Verspannkraft von einer Wiederholeinheit in die nächste leiten. Diese Verspannkraft, welche z.B. über eine äußere Verspannung des BrennstoffZeilenstacks, oder Gewichte über dem Stack realisiert werden kann, ist für eine gute innere, elektrischs Kontaktierung der einzelnen Bauteile und somit für die Leistung des Gesamtsystems von entscheidender Bedeutung. Die Dichtungen zwischen den Wiederholeinheiten und den E- lektrolyten müssen nicht elektrisch isolierend ausgeführt werden, da beide Bauteile auf demselben elektrischen Potential liegen. Dafür müssen diese Dichtungen aber eine gas- dichte Verbindung zwischen zwei verschiedenen Werkstoffen, oft zwischen den zwei verschiedenen Werkstoffklassen Metall und Keramik realisieren. Das bedeutet, sie müssen die mechanischen Spannungen, welche durch die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Wärmekapazitäten der Werk- Stoffe entstehen, aufnehmen beziehungsweise ausgleichen können. Die Wiederholeinheiten oder Bipolarplatten sind oft aus ferritischen Hochtemperaturstählen, Oxiddispersionsver- festigten Legierungen (ODS-Legierungen) , Chrombasislegierungen oder anderen hochtemperaturfesten Werkstoffen gefer- tigt und können in einigen Ausführungen mit Schutzschichten versehen werden. Der Elektrolyt besteht meist aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) , kann aber auch aus anderen Werkstoffen wie z.B. scandium- , ytterbium- , oder cerstabilisiertem Zirkoniumoxid bestehen. Ein Angleichen der thermischen Eigenschaften von MEA und Bipolarplatte konnte bisher nicht befriedigend realisiert werden, so dass die Fügung die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften auszugleichen hat.
Für diese Fügeverbindungen kommen aufgrund des komplexen
Anforderungsprofils nur sehr wenige Werkstoffe in Frage. Möglich sind Glimmerdichtungen, wie sie z.B. aus der WO 2005/024280 Al bekannt sind. Prinzipiell hat Glimmer den Vorteil, kompressible Dichtungen zu ermöglichen, bei denen die Fügepartner nicht starr miteinander verbunden sind. Dadurch muss der Ausdehnungskoeffizient nicht genau angepasst werden, wobei die Glimmerdichtungen geringe Reltativbewe- gungen der zu fügenden Teile untereinander erlauben. Allerdings haben reine Glimmerdichtungen hohe bis sehr hohe - -
Leckraten, weil für die Fluide zwei Leckpfade existieren, der eine zwischen Glimmer und den jeweiligen Fügepartnern und der andere zwischen den einzelnen Glimmerplättchen hindurch. Für die Abdichtung beider Leckpfade existieren ver- schiedene Vorschläge, welche die kompressiblen Glimmerdichtungen aber immer fester und starrer werden lassen, so dass die gewünschten kompressiblen Eigenschaften verloren gehen. Ein zweites Problem bei Glimmerdichtungen ist die Temperaturwechselbeständigkeit. Untersuchungen haben ergeben, dass gut dichtende Glimmerverbindungen nach wenigen Thermozyklen sehr hohe Leckraten aufweisen. Ursache dafür ist das Zerbrechen der einzelnen Glimmerplättchen bei Thermozyklen, wodurch der Leckpfad durch den Glimmer hindurch vergrößert wird und damit die Dichtungseigenschaften stark verschlech- tert werden.
Eine andere Dichtmöglichkeit für Hochtemperaturbrennstoffzellen besteht in der Verwendung von Glas bzw. Glaskeramiken auf Basis von SiO2 mit Hauptzugaben von Bariumoxid (BaO) und Calciumoxid (CaO) , man sprich dann von Bariumbzw. Calcium-Silikatgläsern. Diese Gläser sind zum einen chemisch sehr stabil und elektrisch isolierend. Dichtungen aus Glaslot sind kostengünstig zu produzieren und lassen sich leicht mit verschiedenen Techniken auf die Bipo- larplatten aufbringen. Außerdem besitzen Gläser ein gutes
Ausgleichsvermögen bei schwankenden Fügehöhen. Damit lassen sich Schwankungen des Fügespaltes bis 50 μm problemlos ausgleichen. Um den thermischen Ausdehnungskoeffizient dieser Gläser dem der anderen Werkstoffe einer SOFC anzupassen, bedient man sich der teilweisen oder vollständigen Auskristallisation der Zuschläge von Ba und/ oder Ca. Damit kann der niedrige Ausdehnungskoeffizient der reinen Gläser an die Werte der anderen Werkstoffe der SOFCs angepasst werden. Da es sich bei Gläsern um unterkühlte Schmelzen han- delt, erweichen sie mit zunehmender Temperatur, ohne einen definierten Punkt zu besitzen, bei dem sich die Viskosität plötzlich ändert, wie es von kristallinen Festkörpern bekannt ist. Daraus resultiert der Nachteil, dass eine Glas- dichtung im Lastfluss eines Brennstoffzellenstacks mit der Zeit immer weiter zusammengedrückt werden kann bis sich zwei benachbarte Bipolarplatten berühren und kurzschließen. Die Auskristallisation von Komponenten der Glasschmelze kann diesem Prozess jedoch nur teilweise und daher nur un- genügend entgegenwirken, so dass bei Glasloten immer das Problem bestehen wird, dass diese bei hohen mechanischen Lasten und/oder hohen Temperaturen zu weich für den Einsatz in SOFCs werden. Das teilkristallisierte Glas weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 9-10"6 K"1 auf, was deutlich geringer ist, als der des Metalls der Bipolarplatte (ca. 12,5-l(r6 K"1). Während dies beim Verbinden des Elektrolyten der Zelle mit dem Metall der Bipolarplatte vorteilhaft dazu führt, dass der Elektrolyt unter Druckspannung verbleibt, wirkt sich dies nachteilhaft auf die Belastbarkeit der Verbindung zwischen zwei Bipolarplatten aus. Weiterhin nachteilhaft ist die Neigung des Glases zur Blasenbildung, die Undichtigkeiten nach sich zieht und die Beschränkung auf ca. 300 mm Höhe, weil die beim Fügen einzusetzende Gewichtskraft das viskose Glas flach drückt. Ferner ist ein Dichtungselement wünschenswert, dessen Isolationswiderstand größer als der des bisher verwendeten Fügeglases ist .
Dem Absetzen kann mit dem Einbringen von Distanzelementen entgegengewirkt werden, wie es z.B. in der DE 101 16 046 Al vorgeschlagen wird. Dabei wird dem Glaslot ein vorzugsweise keramisches Pulver zugesetzt dessen Pulverkörner so groß sind, wie der abzudichtende Spalt und damit Last aufnehmen können. Das funktioniert aber gemäß der DE 101 16 046 Al nur bei kleinen Spaltmaßen bis rund 100 μm. Außerdem müssen die Pulverkörner sehr gleichmäßig im Glaslot verteilt werden, um die Last gleichmäßig aufzunehmen. Bei pulverförmi- gen Distanzelementen dieser Größenordnung tritt ein weite- res Problem auf, nämlich die Teilchengrößenverteilung. D.h. ein Pulver mit dem Nennteilchendurchmesser von z.B. 100 μm wird immer Teilchen besitzen, die größer als 100 μm sind und auch solche, deren Durchmesser die 100 μm stark unterschreitet, so dass nicht das gesamt eingebrachte Pulver, sondern nur ein kleiner Teil dessen zur Lastaufnahme zur Verfügung steht. Dadurch reduziert sich der effektiv genutzte Teil des vorzugsweise dem Glaslot mit einem Anteil von 10% zugesetzten Pulvers. Andererseits ist es nicht möglich eine definierte Spaltbreite von 100 μm einzustellen, wenn einige Pulverteile 110 bzw. 120 μm groß sind. Möglich ist die Verwendung von Pulvern mit einer sehr engen Teilchengrößenverteilung. Diese sind aber sehr kostenintensiv und scheinen daher für die Serienfertigung ungeeignet. Außerdem leiten die in der DE 101 16 046 Al vorgeschlagenen, runden Partikel die Last punktförmig weiter. Wird solch eine Dichtungsvariante für die MEA-Abdichtung angewendet, bedeutet dies lokal hohe mechanische Spannungsspitzen in der MEA, wodurch diese brechen könnte. Im Bereich der Bipolarplatten könnte es vorkommen, dass sich die Pulverparti- kel in das Metall drücken, da dessen Festigkeit mit steigender Temperatur abnimmt und auch das Metall durch die wenigen Pulverpartikel lokal hohen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist.
Die Abdichtung der Durchbrüche ist auch mit metallischen
Loten realisierbar. Die Fügung erfolgt dabei bei hohen Temperaturen, oberhalb der Schmelztemperatur des Metalllots, durch Benetzung der Fügefläche mit dem flüssigen Metalllot, das Füllen des Fügespalts durch Kapillarkräfte und das Er- starren des Metalllots. Ein großer Vorteil gegenüber Glasloten sind die kürzeren Fügezeiten, die mit Metallloten realisiert werden können. Bei Fügungen im Ofen kann die Auf- heiz- und Lötzeit, sowie die gesamte Verweildauer der Bau- teile im Ofen um mehr als 60% reduziert werden. Durch den Einsatz moderner Fügeverfahren wie Widerstandslöten oder Induktionslöten sind noch kürzere Fügezeiten möglich.
Diese Verkürzung der Fügezeit kann durch eine Reihe von günstigen Parametern erreicht werden. Zum einen kann eine
Erhöhung der Aufheizrate genutzt werden, die bei Ofenlötun- gen bis zu 10 K/min und bei induktiver Erwärmung bis zu 300 K/min betragen kann. Zum anderen kann nach Ende der Lötzeit sofort abgekühlt werden, während sich bei Glasloten ein Zeitintervall für die teilweise oder vollständige Auskristallisation anschließen muss. Nur so kann eine Lastaufnahme der Glaslote erreicht werden. Die Anwendung von Lotfolien verkürzt den Fügeprozess zusätzlich. Folien der metallischen Lote enthalten keinen Binder, denn sie sind entweder Legierungen oder laminierte Einzelfolien. Deswegen kann im Vergleich zu Glaslotfolien auf die Haltezeit für die Ent- binderung verzichtet werden.
Im Allgemeinen werden Metalllote für mechanisch steife und elektrisch leitfähige Verbindungen verwendet, wie sie beispielsweise in der DE 198 41 919 Al für die Kontaktierung und Befestigung von Verbindungselementen mit einer Anode vorgeschlagen werden. Sollen zwei Bipolarplatten mit Metalllot gefügt werden, ist eine elektrische Isolierung der Bauteile nur durch den Einsatz von isolierenden Zwischenschichten realisierbar. Solch eine elektrisch nichtleitende Zwischenschicht aus keramischem Material ist aus der DE 101 25 776 Al in Verbindung mit Metallotelegierungen bekannt, die bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels flüssig sind.
Aus der DE 10 2004 047 539 Al ist eine Dichtungsanordnung bekannt, die einen keramisch isolierend beschichteten Metallträger aufweist. Die so zur Verfügung stehende, eine keramische Oberfläche aufweisende Komponente wird über Lötoder Schweißverfahren an die zu verbindenden Elemente gekoppelt .
Das Löten von keramischen Materialien unterscheidet sich vom Löten metallischer Werkstoffe. Konventionelle Lote sind nicht in der Lage keramische Materialien zu benetzen. Ein Lösungsansatz besteht in der Metallisierung keramischer Bauteile und dem Verbinden über einen konventionellen Löt- prozess. Die Metallisierung erfolgt beispielsweise durch das Molybdän-Mangan-Verfahren. Eine Paste aus z.B. Molybdänoxid und Mangan wird auf die Keramikfügefläche aufgebracht und bei hohen Temperaturen (> 10000C) in Formiergas auf die keramische Oberfläche aufgesintert . Zur Verbesserung der Benetzbarkeit wird die metallisierte Keramik zusätzlich mit einem Nickel- oder Kupferüberzug versehen. Die so metallisierte Keramik kann nun in einem folgenden Schritt mit herkömmlichen Metallloten gelötet werden.
Eine weitere Möglichkeit keramische Werkstoffe zu fügen, stellt die Aktivlottechnik dar. Bei diesem einstufigen Fü- geprozess wird die Benetzung der Keramikoberfläche durch den Einsatz spezieller "aktivierter" Lotwerkstoffe er- reicht. Diese metallischen Legierungen enthalten geringe
Mengen grenzflächenaktiver Elemente wie Titan, Hafnium oder Zirkonium und sind dadurch in der Lage keramische Oberflächen zu benetzen. Mit den beschriebenen Techniken sind mechanisch stabile und gasdichte Fügungen zwischen Keramik und Keramik bzw. Keramik und Metall darstellbar. Generell ist beim Löten der Kombination Keramik und Metall auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Fügepartner zu achten. Das Metalllot kann durch seine Duktilität auftretende Scherspannungen im Fügespalt in Abhängigkeit von der Lotdicke abfangen. In den meisten Fällen ist außerdem der Ausdehnungskoeffizient der Metalle größer als der Ausdeh- nungskoeffizient der Keramik. Dies hat zur Folge, dass die Keramik bei erfolgreicher Keramik-Metall-Lötung nicht unter Zugspannung sondern unter Druckspannung steht . Ein Versagen der Keramik durch Zugspannungen ist somit ausgeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung und einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen, so dass im Hinblick auf die Dichtigkeit, die Stabilität und die zum Einsatz kommenden Herstellungsverfahren Verbesserungen und Vereinfachungen zu verzeichnen sind.
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Dichtung dadurch auf, dass die Distanzkomponente aus Keramik besteht. Sollen mit der erfindungsgemäßen Dichtung beispielsweise zwei Bipolarplatten einer BrennstoffZeilenanordnung miteinander gasdicht verbunden werden, so ergibt sich ein dichter, e- lektrisch gut isolierender, stabiler, thermisch belastbarer und gleichzeitig einfacher Aufbau. Im Vergleich zu einem Aufbau, bei dem die Distanzkomponente aus keramisch beschichtetem Metall besteht, sind weniger Verfahrensschritte bei der Herstellung der Dichtung erforderlich. Ferner wird das thermische Verhalten der Distanzkomponente allein durch die thermischen Eigenschaften der Keramik bestimmt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lotkomponente ein Glaslot aufweist.
Ebenfalls ist es möglich, dass die mindestens eine Lotkom- ponente ein Metalllot aufweist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lotkomponente ein Aktivlot aufweist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Distanzkomponente mindestens eine Ausnehmung aufweist, die von der Lot- komponente ausgefüllt ist. Die Ausnehmungen sind dazu geeignet, Lot aufzunehmen, bevor die Kopplung der Dichtung an die zu verbindenden Elemente erfolgt. Die Dichtung ist daher als Distanzkomponente mit in Ausnehmungen eingebrachtem Lot gut handhabbar. Da sich das Lot auf diese Weise in dem Bereich der Ausnehmungen lokalisieren lässt, können andere Bereiche der Oberflächen, die den zu verbindenden Elementen im Brennstoffzellenstapel zugewandt sind, frei von Lot sein. Folglich wird der Abstand zwischen den zu verbindenden Elementen durch die Distanzkomponente bestimmt, da die lotfreien Oberflächen der Distanzkomponente die zu verbindenden Elemente direkt, das heißt ohne LotZwischenschicht, kontaktieren.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Lotkomponente ein größeres Volumen hat als die Ausnehmung. Hierdurch kann das Lot über die Oberfläche in Richtung auf die zu verbindenden Elemente hinausragen. Das Lot steht somit während der Fügephase unter Last, so dass die isotrope Sinterschwindung des Lots in eine reine Höhenschwindung umgewandelt wird. Nach der Sinterphase fließt das Lot viskos, bis die Bipolarplatten auf dem Distanzelement aufliegen. Folglich über- trägt das Distanzelement den Hauptteil der Last. Während bei Aufbauten, bei denen die Verbindung der Bipolarplatten vollständig durch Glaslot erfolgt, die Gefahr eines Kurzschlusses benachbarter Bipolarplatten aufgrund eines Zusam- mendrückens des Glaslotes besteht, ist dies beim vorliegenden Aufbau mit Distanzkomponente und Lotkomponente ausgeschlossen, denn die starren Distanzkomponenten schließen es vollständig aus, dass sich benachbarte Bipolarplatten berühren könnten.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sich die Ausnehmung entlang einer Kante der Distanzkomponente erstreckt. Hierdurch hat das Lot während der Fügephase die Möglichkeit, von der Kontaktoberfläche der Distanzkomponente weg- zufließen.
Ebenfalls ist möglich, dass die Ausnehmung in einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche angeordnet ist und senkrecht zu der Erstreckung der Lotkomponente von der Fläche begrenzt ist. Ein solcher Aufbau kann im Hinblick darauf vorteilhaft sein, dass die Lotkomponenten beidseitig durch die Distanzkomponente fixiert sind.
Es ist besonders nützlich, dass die Kopplung der Distanz- komponente mit zumindest einem der zu verbindenden Elemente mittels mehrerer Lotnähte erfolgt, wobei jede dieser Lot- nähte im intakten Zustand eine gasdichte Verbindung zur Verfügung stellt. Hierdurch wird das Ausfallrisiko der Dichtung gesenkt. In einem Glaslot können Risse bei Tempe- raturänderungen unterhalb der Übergangstemperatur entstehen, das heißt in dem Zustand, in dem das Glas praktisch vollständig fest ist. Risse, die in diesem Temperaturbereich entstehen, wandern sofort durch den gesamten Lotquerschnitt. Wird die Brennstoffzelle dann mit den Wasserstoff- und sauerstoffhaltigen Gasen beaufschlagt, kommt es an diesen Stellen zu einem Brand. In Folge der hierdurch entstehenden lokalen Überhitzungen werden dann auch noch angrenzende Bereiche geschädigt, so dass das gesamte Brennstoff- zellensystem versagen kann. Durch die Verwendung von Glas- lot mit mehreren Lotnähten, versagt unter mechanischer Spannung in der Regel nur eine der Lotnähte. Der Riss kann nur dann in eine zweite Lotnaht eindringen, wenn in der Nähe des Risses der ersten Lotnaht eine Schwachstelle der zweiten Lotnaht vorliegt. Dies ist sehr unwahrscheinlich, so dass insgesamt eine dichte Verbindung bestehen bleibt. Zusätzlich kann das Glas den Riss durch viskoses Fließen wieder ausheilen, wenn die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur gebracht wird, insbesondere dann wenn die Betriebs- temperatur oberhalb der Übergangstemperatur des Glases liegt. Die im Falle von Glaslot besonders vorteilhafte Anordnung von zwei oder mehr Lotnähten kann auch bei der Verwendung von Metalllot vorteilhaft sein.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich die Lotkomponente über die gesamte einem zu verbindenden Element zugewandte Fläche erstreckt . Nach Kopplung der Lotkomponente mit den zu verbindenden Elementen ergibt sich dann eine Lotzwischenschicht, oder die Lotkomponente wird durch die Verspannkraft nach Außen gedrängt, so dass sich auch in diesem Fall bei einer Lotkomponente über der gesamten Fläche letztlich an den Kanten verlaufende Lotnähte ergeben. Verbleibt eine Lotzwischenschicht, so liegt eine sehr sichere Verbindung im Hinblick auf die Dichtigkeit vor, die vergleichbar mit einer Lösung unter Verwendung mehrerer nebeneinander liegender Lotnähte ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Distanzkomponente auf einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche eine MetallIotkomponente und auf der gegenüberliegenden Fläche eine Glaslotkomponente trägt. Die Fügung der Distanzkomponente mit den zu verbindenden Elementen erfolgt aufgrund der zwei unterschiedlichen Lotsysteme in zwei Schritten. Zuerst wird das zuvor metallisierte Distanzelement mit einem Metalllot oder direkt durch einen Aktivlotprozess an einem der zu verbindenden Elemente angelötet. Hierdurch ist das Distanzelement zum einen bereits positioniert. Zum anderen kann die Dichtigkeit der nun bereits bestehenden Ver- bindung überprüft werden. Ist die Dichtung an eine Bipolarplatte angelötet und wird auch bereits die Membranelektrodenanordnung an die Bipolarplatte angefügt, so ist es möglich, in diesem Zustand die gesamte Wiederholeinheit auf Dichtigkeit zu überprüfen. Somit kann sichergestellt wer- den, dass nur intakte Komponenten zu einem Brennstoffzel- lenstapel zusammengefügt werden. Erst nach erfolgreicher Dichtigkeitsüberprüfung erfolgt die Fügung der Wiederhol- einheiten über die Glaslotverbindungen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Distanzkomponente gasdicht gesintert ist.
Auf der Grundlage einer derart oder auf andere Weise gefertigten Keramik ist es möglich, dass die Distanzkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,1 und 0,2 mm aufweist.
Besonders nützlich ist es, dass die Distanzkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm aufweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Lotkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,02 und 0,2 mm aufweist.
Zur Verbesserung der Verbindung zwischen Distanzkomponente und Lotkomponente ist nützlicherweise vorgesehen, dass die die Lotkomponente tragende Oberfläche der Distanzkomponente aufgeraut ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Distanzkompo- nente einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10,5 bis 13, 5 -ICT6 K"1 aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient besser an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ferritischem Stahl als herkömmlich eingesetzte Fügegläser ange- passt ist. Ferritischer Stahl hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12 bis 13 -10"6 K"1. Ein typisches Fü- geglaslot hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 9,6-lCr6 K"1.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Distanzkompo- nente mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Barium-Disilikat , Calcium-Disilikat , Barium-Calcium- Orthosilikat . Diese Keramiken haben alle einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 12-10"5 K"1 und sind insofern für den Einsatz im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders geeignet.
Ebenfalls ist es möglich, dass die Distanzkomponente teil- stabilisiertes Zirkonoxid aufweist. Bei teilstabilisiertem Zirkonoxid handelt es sich um Zirkonoxid mit 2,8 bis 5 mol% Seltenerdmetalloxid, nämlich Y2O3, Sc2O3, MgO oder CaO. Derartige Systeme haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 10, 8 -ICT6 K'1.
Es ist möglich, dass dem teilstabilisierten Zirkonoxid Aluminiumoxid zugesetzt ist.
Im Falle eines Metalllots zum Koppeln des Distanzelementes mit den zu verbindenden Elementen ist vorgesehen, dass die Lotkomponente mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Gold, Silber, Kupfer.
Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einer erfindungsgemäßen Dichtung.
Die Erfindung baut auf einem gattungsgemäßen Brennstoffzellenstapel dadurch auf, dass ein den Brennstoffzellenstapel in axiale Richtung komprimierender Kraftfluss von der Dis- tanzkomponente direkt auf zumindest eines der zu verbindenden Elemente übergeht. Auf diese Weise kann durch das Distanzelement der Abstand zwischen den benachbarten zu verbindenden Elementen genau eingestellt werden. Das starre Distanzelement nimmt während des Betriebs der Brennstoff- zelle die Last ohne die Zwischenschaltung von Lotkomponenten auf . Der Lastpfad führt somit nicht mehr durch die die Dichtwirkung aufbringenden Lotkomponenten, sondern durch das starre Element. Dadurch wird verhindert, dass durch ein Zusammendrücken des Lotes die zu verbindenden Elemente Kon- takt aufnehmen, was bei zu verbindenden Bipolarplatten zu einem Kurzschluss führen würde.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Distanzkomponente aus Keramik besteht. Auch wenn im Zusammenhang mit der di- rekten Kontaktierung der zu verbindenden Elemente mit dem Distanzelement beliebige insgesamt nicht leitende Distanz- elemente zum Einsatz kommen können, ist es von besonderem Vorteil, die Distanzkomponente aus Keramik herzustellen. Dies führt zu den Besonderheiten und Vorzügen, die im Zu- sammenhang mit der erfindungsgemäßen Dichtung bereits erwähnt wurden. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels . Dieser kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass die mindestens eine Lotkomponente ein Glaslot aufweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Lotkomponente ein Metalllot aufweist.
Es ist ebenfalls möglich, dass die mindestens eine Lotkomponente ein Aktivlot aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist dieser so ausgebildet, dass die Distanzkomponente mindestens eine Ausnehmung aufweist, die von der Lotkomponente ausgefüllt ist.
In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, dass die Lotkomponente ein größeres Volumen hat als die Ausnehmung.
Es ist bevorzugt, dass sich die Ausnehmung entlang einer Kante der Distanzkomponente erstreckt.
Weiterhin kann nützlich sein, dass die Ausnehmung in einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche angeordnet ist und senkrecht zu der Erstreckung der Lotkomponente von der Fläche begrenzt ist.
Im Hinblick auf eine zuverlässige Abdichtung des Brennstoffzellenstapels ist vorgesehen, dass die Kopplung der Distanzkomponente mit zumindest einem der zu verbindenden Elemente mittels mehrerer Lotnähte erfolgt, wobei jede dieser Lotnähte im intakten Zustand eine gasdichte Verbindung zur Verfügung stellt. Eine zuverlässige Abdichtung kann auch dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass sich die Lotkomponente über die gesamte einem zu verbindenden Element zugewandte Fläche erstreckt .
Im Zusammenhang mit einer seriellen Fertigung des Brennstoffzellenstapels, bei der zunächst die Wiederholeinheiten gefertigt und auf Dichtigkeit überprüft werden und erst danach der Stapel aufgebaut wird, kann nützlich sein, dass die Distanzkomponente auf einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche eine MetallIotkomponente und auf der gegenüberliegenden Fläche eine Glaslotkomponente trägt.
Es kann nützlich sein, dass die Distanzkomponente gasdicht gesintert ist.
Dabei ist bevorzugt, dass die Distanzkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,1 und 0,2 mm aufweist.
Besonders bevorzugt ist, dass die Distanzkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm aufweist.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Lotkomponente eine axiale Dicke zwischen 0,02 und 0,2 mm aufweist.
Dem Brennstoffzellenstapel ist dadurch ein stabiler und dichter Aufbau vermittelbar, dass die die Lotkomponente tragende Oberfläche der Distanzkomponente aufgeraut ist.
Von weiterem Vorteil ist, dass die Distanzkomponente einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10,5 bis 13, 5- ICT6 K"1 aufweist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Distanzkomponente mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Barium-Disilikat , Calcium-Disilikat, Barium-Calcium- Orthosilikat .
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Distanzkomponente teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist.
Es ist ebenfalls möglich, dass dem teilstabilisierten Zir- konoxid Aluminiumoxid zugesetzt ist.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Lotkomponente mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Gold, Silber, Kupfer.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dichtung für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, das heißt eine Dichtung mit insgesamt nicht leitendem Distanzelement und daran angeordneten Lotkomponenten.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Dichtung dadurch auf, dass die Distanzkomponente aus keramischem Material hergestellt wird. Hierdurch ergeben sich die Vorteile und Besonderheiten, die be- reits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Dichtung erwähnt wurden .
Im Hinblick auf das Herstellungsverfahren kann es nützlich sein, dass die Distanzkomponente durch Trockenpressen von keramischem Pulver hergestellt wird.
Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Distanzkomponente durch Foliengießen, Laminieren und Stanzen hergestellt wird. Auf der Grundlage einer solchen Distanzkomponente kann vorgesehen sein, dass auf die Distanzkomponente ein Glaslot in Form einer gestanzten Folie aufgebracht wird.
Es ist ebenfalls möglich, dass auf die Distanzkomponente ein Glaslot oder ein Metalllot in Form einer Paste aufgebracht wird.
Zur Verbesserung der Verbindung zwischen Metalllotkomponente und Distanzkomponente kann vorgesehen sein, dass vor dem Aufbringen des Metalllots eine Haftschicht auf die Distanzkomponente aufgebracht wird.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin nützlich sein, dass die Distanzkomponente vor dem Aufbringen eines Lots aufge- raut wird.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren zum Hersteller des Brennstoffzellenstapels dadurch auf, dass ein eine Distanzkomponente aus keramischem Material verwendet wird.
Die Vorteile und Besonderheiten, die bereits im Zusammen- hang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel erwähnt wurden, werden somit auch im Rahmen eines Herstellungsverfahrens für einen solchen Brennstoffzellenstapel realisiert .
Dieses kann so weitergebildet sein, dass Elemente des
Brennstoffzellenstapels und Dichtungen mit Lotkomponenten aus Glaslot gestapelt werden und die zu verbindenden Elemente anschließend gleichzeitig über die Dichtungen miteinander verbunden werden. Es ist also ein Herstellungsverfah- ren möglich, bei dem eine parallele Fügung aller mit den Dichtungskomponenten in Verbindung stehenden Kopplungsbereiche erfolgt .
Ebenfalls ist aber auch eine serielle Fertigung möglich, insbesondere in dem Fall, dass Wiederholeinheiten und Dichtungen mit Lotkomponenten aus Metalllot nacheinander sukzessive miteinander verbunden werden.
Weiterhin kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass Dichtungen verwendet werden deren Distanzkomponenten auf einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche eine Metalllotkomponente und auf der gegenüberliegenden Fläche eine Glaslotkomponente tragen, dass die Distanzkomponenten zunächst über die Metalllotkomponenten mit Elementen des
Brennstoffzellenstapels verbunden werden, dass die Wiederholeinheiten fertig gestellt werden, dass die Wiederholeinheiten gestapelt werden und dass die Wiederholeinheiten ü- ber die Glaslotkomponenten miteinander verbunden werden.
Eine solche Fertigung auf der Grundlage einer Dichtung mit verschiedenen Lotsystemen ist besonders im Hinblick darauf nützlich, dass die Wiederholeinheiten nach dem Verbinden der Distanzkomponenten über die Metalllotkomponenten mit Elementen des Brennstoffzellenstapels auf Dichtigkeit überprüft werden.
Auf einem weiteren gattungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels baut die Erfindung dadurch auf, dass die Lotkomponenten so an den Distanzkomponenten angeordnet werden, dass ein den Brennstoffzellenstapel in axiale Richtung komprimierender Kraftfluss von der Distanz- komponente direkt auf zumindest eines der zu verbindenden Elemente übergeht. Bei diesem Herstellungsverfahren können grundsätzlich verschiedene Distanzkomponenten eingesetzt werden, solange diese elektrisch isolierend sind. Auch wenn die Verwendung von Keramik von besonderem Vorteil ist, ist dies nicht notwendigerweise vorgesehen.
Wie im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auf der Grundlage einer keramischen Distanzkomponente kann auch hier vorgesehen sein, dass Elemente des Brennstoffzellenstapels und Dichtungen mit Lotkomponenten aus Glaslot gestapelt werden und die zu verbindenden Elemente anschließend gleichzeitig über die Dichtungen miteinander verbunden werden.
Weiterhin ist es nützlich, dass Wiederholeinheiten und Dichtungen mit Lotkomponenten aus Metalllot nacheinander sukzessive miteinander verbunden werden.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass Dichtungen verwendet werden deren Distanzkomponenten auf einer einem zu ver- bindenden Element zugewandten Fläche eine Metalllotkomponente und auf der gegenüberliegenden Fläche eine Glaslotkomponente tragen, dass die Distanzkomponenten zunächst ü- ber die Metalllotkomponenten mit Elementen des Brennstoff- zellenstapels verbunden werden, dass die Wiederholeinheiten fertig gestellt werden, dass die Wiederholeinheiten gestapelt werden und dass die Wiederholeinheiten über die Glas- lotkomponenten miteinander verbunden werden.
Dies hat dann wiederum in dem Zusammenhang Vorteile, dass die Wiederholeinheiten nach dem Verbinden der Distanzkomponenten über die Metalllotkomponenten mit Elementen des Brennstoffzellenstapels und vor dem Stapeln der Wiederhol- einheiten auf Dichtigkeit geprüft werden. Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ;
Figur 2 verschiedene Draufsichten auf Dichtungen;
Figur 3 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie von erfindungs- gemäßen Herstellungsverfahren zum Fertigen einer Dichtung und eines Brennstoffzellenstapels;
Figur 4 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungs- verfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen
Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapeln;
Figur 5 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapeln;
Figur 6 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapeln,-
Figur 7 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapeln und
Figur 8 verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzel- lenstapeln.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels . Es sind zwei Wiederholeinheiten 28 eines Brennstoffzellenstapels darge- stellt. Jede dieser Wiederholeinheiten 28 umfasst eine Bipolarplatte 12. Diese definiert eine Hauptebene 30 und eine dazu axial versetzte Nebenebene 32. Die in der Hauptebene 30 und in der Nebenebene 32 liegenden Plattenabschnitte erstrecken sich in radiale Richtung, und sie sind über Axi- alabschnitte 34 miteinander verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine kassettenartige Struktur, die insgesamt e- lektrisch leitend ist. An dem in der Hauptebene 30 liegenden Teil der Bipolarplatte 12 schließt ein erster Gasführungsbereich 36 an. Dieser Gasführungsbereich ist dafür vorgesehen, die in dem Brennstoffzellenstapel reagierenden Gase zu führen. Weiterhin stellt er einen elektrischen Kontakt zwischen der Bipolarplatte 12 und einer ersten Elektrode 38 einer Membran-Elektroden-Anordnung 38, 40, 42 zur Verfügung. Oberhalb der ersten Elektrode 38 liegt ein Fest- elektrolyt 40. Auf diesem Festelektrolyten 40 liegt wiederum eine zweite Elektrode 42. An die zweite Elektrode 42 schließt ein weiterer Gasführungsbereich 44 an. Handelt es sich bei der ersten Elektrode 38 um eine Kathode, so dient der untere Gasführungsbereich 36 zur Führung von Luft, während der obere Gasführungsbereich 44 Wasserstoff leitet, der der benachbarten Anode 42 zugeführt wird. Um Luft in die unteren Gasführungsbereiche 36 einzubringen, sind axiale Luftkanäle 46 vorgesehen. Dichtungen 10, 10' verhindern einerseits, dass die Luft in den Bereich der oberen Gasführungsbereiche 44 und damit der Anoden 42 einströmen kann. Ebenfalls verhindern die Dichtungen 10 ein Ausströmen von Luft aus dem Brennstoffzellenstapel . Ein anderes Bild ergibt sich bei einem anderen Schnitt durch den Brennstoff- zellenstapel. Bei einem solchen wären Axialkanäle erkennbar, die Wasserstoff zuführen, um diesen dann den oberen Gasführungsbereichen 44 und damit den Anoden 42 zuzuleiten, während die unteren Gasführungsbereiche 36 sowie die Kathoden durch Dichtungen vor dem Wasserstoff geschützt werden. Die Dichtungen 10, die die Bipolarplatten 12 miteinander verbinden, müssen insgesamt aus elektrisch nicht leitendem Material gefertigt sein, da die einander zugewandten Seiten zweier benachbarter Bipolarplatten 12 auf entgegensetztem Potential liegen. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebene Dichtung 10 ist in erster Linie für diese Verbindung der Bipolarplatten 12 vorgesehen. Jedoch können auch andere Dichtungen, die im Brennstoffzellenstapel benötigt werden, in gleicher Weise aufgebaut sein, beispiels- weise die Dichtungen 10' zwischen den Festelektrolyten 40 und den Bipolarplatten 12.
Figur 2 zeigt verschiedene Draufsichten auf Dichtungen. Die Blickrichtung ist senkrecht zu der Blickrichtung in Figur 1. Es sind verschiedene Formen von Dichtungen, die beispielsweise umlaufend um den gesamten Brennstoffzellensta- pel angeordnet werden, dargestellt. So erkennt man eine rechteckige (Figur 2a) , eine runde (Figur 2b) , eine elipti- sehe (Figur 2c) und eine teilweise konkave (Figur 2d) Dichtungsform. Die Dichtungen können auch Durchbrüche aufweisen, beispielsweise um einen zur Fluidführung vorgesehenen Axialkanal beidseitig abzudichten, das heißt insbesondere gegen die Atmosphäre und gegen den Gasführungsbereich, der von den in der Fluidführung geführten Gasen nicht erreicht werden soll.
Figur 3 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie von erfindungsgemä- ßen Herstellungsverfahren zum Fertigen einer Dichtung und eines Brennstoffzellenstapels . In Figur 3a ist eine Distanzkomponente 16 einer erfindungsgemäßen Dichtung 10 dargestellt. An ihren Kanten 24 hat die Distanzkomponente 16 Ausnehmungen 20, die zur Aufnahme einer Lotkomponente 18 geeignet sind. Eine Distanzkomponente 16 mit eingebrachter
Lotkomponente 18 ist in Figur 3b dargestellt. Die Distanz- komponente 16 und die Lotkomponenten 18 bilden dann insgesamt die Dichtung 10. Figur 3c zeigt die Dichtung 10 im abdichtenden Zustand zwischen zwei Bipolarplatten 12. Anhand von Figur 3b ist erkennbar, dass die Lotkomponente, beispielsweise Glaslot, über das Distanzelement 16 hinausragt. Während der Fügephase, das heißt während des Übergangs zu dem in Figur 3c dargestellten Zustand, steht die Lotkomponente 18 dadurch unter Last. So kann die isotrope Sinter- schwindung in eine reine Honenschwindung umgewandelt werden. Nach der Sinterphase fließt das Glas viskos, bis die Bipolarplatten 12 auf dem Distanzelement 16 aufliegen. Eine auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübte Verspannkraft wird dann im Wesentlichen über die Distanzkomponente 16 übertragen. Da jeder Bipolarplatte 12 mehrere Lotnähte 18, im dargestellten Fall beispielhaft zwei Lotnähte, zugewandt sind, führt der Defekt einer der Lotnähte 18 noch nicht zur Undichtigkeit des Systems.
Figur 4 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln. Das Distanzelement 16 gemäß Figur 4a hat Ausnehmungen 22, die in der Fläche 26 der Distanzkomponente 16 liegen, welche mit der Bipolarplatte 12 gekoppelt wird. Der gekoppelte Zustand ist in Figur 4d dargestellt, wobei hier auch zusätzlich die Lot- komponente 18 in die Ausnehmungen 22 eingebracht ist. Bei dieser Variante ist die Lotkomponente 18, das heißt insbesondere das Glaslot, vollständig von dem Distanzelement umgeben, so dass sie im Füge- und Dichtungsbereich fixiert ist.
Figur 5 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln. Hier ist die Lotkomponente 18 vollflächig auf der Distanzkomponente 16 aufgebracht. Die Distanzkomponente 16 ist dabei so geformt, um beim Übergang von dem in Figur 5a dargestellten Zustand zu dem Zustand gemäß Figur 5b, das heißt beim Fügen, ein VoIu- men zur Verfügung zu stellen, in das die Lotkomponente 18 verdrängt werden kann. Hierdurch gelingt es, trotz vollflächiger Anordnung der Lotkomponente auf der Distanzkomponente, dass im gefügten Zustand die Distanzkomponente 16 di- rekt die Bipolarplatten 12 kontaktiert.
Figur 6 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln. Als Lotkomponente 18 ist Glaslot vorgesehen. Die Ausführungsform ist vergleichbar mit der Ausführungsform gemäß Figur 5, wobei jedoch hier der Distanzkomponente 16 keine spezielle Form im Hin- blick auf die Aufnahme der Lotkomponente 18 gegeben ist. Gemäß Figur 6a liegt die Lotkomponente 18 vollflächig auf der Distanzkomponente 16 auf. Nach dem Fügen, wie in Figur 6b erkennbar ist, verbleibt ein Teil der Lotkomponente 18 zwischen der Distanzkomponente 16 und den Bipolarplatten 12. Der Rest wird in die Randbereiche verdrängt. Die Menge an Lot, das die Zwischenschicht bildet, kann so gering sein, dass der Kraftfluss zwischen Bipolarplatte 12 und Distanzkomponente 16 praktisch kaum weniger direkt ist, als in dem Fall, wenn die Distanzkomponente 16 direkt mit der Bipolarplatte 12 in Kontakt tritt.
Figur 7 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln. Als Lotkomponente 18' ist Metalllot vorgesehen. Ansonsten ist die Ausführungsform gemäß Figur 7 identisch zu der Ausführungsform gemäß Figur 6. Der Lötprozess kann entweder als zweistufiger Prozess erfolgen, wobei zunächst eine Metallisierung des Distanzelements 16 vorgenommen wird, woraufhin dann mit konventionellem Metalllot gelötet wird. Ebenfalls ist es möglich, einen einstufigen Aktivlotprozess auszuführen.
Figur 8 zeigt verschiedene Axialschnitte zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung sowie zur Erläuterung von Herstellungsverfahren zur Fertigung von erfindungsgemäßen Dichtungen und erfin- dungsgemäßen Brennstoffzellenstapeln. Hier ist ein Hybridlotsystem dargestellt. Vor dem in Figur 8a dargestellten Zustand, liegt eine Distanzkomponente 16 mit einseitig an den Kanten der Distanzkomponente 16 vorgesehenen Ausnehmungen 20 vor. Diese wird dann auf der den Ausnehmungen 20 ge- genüberliegenden Seite mit einer Metalllotkomponente 18 ' versehen. Die so vorliegende Teildichtung kann dann auf eine Bipolarplatte 12 aufgelötet werden. In diesem Zustand kann bereits die Dichtigkeitsprüfung der Verbindung zwischen der Distanzkomponente 16 mit der Bipolarplatte 12 ü- ber die Metallkomponente 18' erfolgen. Vorzugsweise werden die so mit den Teildichtungen bestückten Bipolarplatten für den gesamten Brennstoffzellenstapel vorgefertigt, um dann in die Ausnehmungen 20 der Distanzkomponente 16 eine Glas- lotkomponente 18 einzubringen. Der Brennstoffzellenstapel kann dann aufgebaut werden, und die Verbindungen der Distanzkomponenten 16 über die Glaslotkomponenten 18 mit den Bipolarplatten 12 können daraufhin parallel für den gesamten Stapel gekoppelt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste :
10 Dichtung
10' Dichtung
12 Bipolarplatte
16 Distanzkomponente
18 Lotkomponente
18' Lotkomponente
20 Ausnehmung
22 Ausnehmung
24 Kante
26 Fläche
28 Wiederholeinheit
30 Hauptebene
32 Nebenebene
34 Axialabschnitte
36 Gasführungsbereich
38 Elektrode
40 Festelektrolyt
42 Elektrode
44 Gasführungsbereich
46 Luftkanal

Claims

ANSPRUCHE
1. Dichtung (10) zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) eines Brennstoffzellenstapels, mit einer elektrisch nicht leitenden Distanzkomponente (16) und mindestens einer bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels über ih- re gesamte Ausdehnung festen oder viskosen Lotkomponente (18), die die Distanzkomponente (16) mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz- komponente (16) aus Keramik besteht.
2. Dichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lotkomponente (18) ein Glaslot aufweist .
3. Dichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lotkomponente (18) ein Metalllot aufweist.
4. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lotkomponente (18) ein Aktivlot aufweist.
5. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) mindestens eine Ausnehmung (20, 22) aufweist, die von der Lotkomponente (18) ausgefüllt ist.
6. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) ein größeres Volumen hat als die Ausnehmung (20, 22) .
7. Dichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (20) entlang einer Kante (24) der Distanzkomponente (16) erstreckt.
8. Dichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (22) in einer einem zu verbindenden Element zugewandten Fläche (26) angeordnet ist und senkrecht zu der Erstreckung der Lotkomponente (18) von der Fläche (26) begrenzt ist.
9. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Distanzkompo- nente (16) mit zumindest einem der zu verbindenden Elemente (12) mittels mehrerer Lotnähte erfolgt, wobei jede dieser Lotnähte im intakten Zustand eine gasdichte Verbindung zur Verfügung stellt.
10. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lotkomponente (18) über die gesamte einem zu verbindenden Element (12) zugewandte Fläche erstreckt.
11. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) auf einer einem zu verbindenden Element (12) zugewandten Fläche (26) eine Metalllotkomponente (18 ') und auf der gegenüberliegenden Fläche (26) eine Glaslotkomponente (18) trägt.
12. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) gasdicht gesintert ist.
13. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) eine axiale Dicke zwischen 0,1 und 0,2 mm aufweist.
14. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) eine axiale Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm aufweist.
15. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) eine axiale Dicke zwischen 0,02 und 0,2 mm aufweist.
16. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lotkomponente (18) tragende Oberfläche der Distanzkomponente (16) aufgeraut ist.
17. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) ei- nen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10,5 bis 13, 5- ICT6 K"1 aufweist.
18. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Bari- um-Disilikat , Calcium-Disilikat , Barium-Calcium- Orthosilikat .
19. Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist.
20. Dichtung (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem teilstabilisierten Zirkonoxid Aluminiumoxid zugesetzt ist.
21. Dichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 20, da- durch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Gold, Silber, Kupfer.
22. Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Dichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
23. Brennstoffzellenstapel mit mehreren Wiederholeinheiten (28), die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindestens einer Dichtung (10) zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) des Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung (10) eine elektrisch nicht leitende Distanzkomponente (16) und mindestens eine Lotkomponente (18) aufweist, die die Distanzkomponente (16) mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels koppelt, da- durch gekennzeichnet, dass ein den Brennstoffzellenstapel in axiale Richtung komprimierender Kraftfluss von der Distanzkomponente (16) direkt auf zumindest eines der zu verbindenden Elemente (12) übergeht.
24. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) aus Keramik besteht.
25. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lotkomponente (18) ein Glaslot aufweist.
26. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lot- komponente (18) ein Metalllot aufweist.
27. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lot- komponente (18) ein Aktivlot aufweist.
28. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
27, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) mindestens eine Ausnehmung (20, 22) aufweist, die von der
Lotkomponente (18) ausgefüllt ist.
29. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
28, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) ein größeres Volumen hat als die Ausnehmung (20, 22) .
30. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (20) entlang einer Kante (24) der Distanzkomponente (16) erstreckt.
31. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (22) in einer einem zu verbindenden Element (12) zugewandten Fläche (26) angeordnet ist und senkrecht zu der Erstreckung der Lotkom- ponente (18) von der Fläche (26) begrenzt ist.
32. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung der Distanz- komponente (16) mit zumindest einem der zu verbindenden E- lemente (12) mittels mehrerer Lotnähte erfolgt, wobei jede dieser Lotnähte im intakten Zustand eine gasdichte Verbindung zur Verfügung stellt.
33. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
32, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lotkomponente (18) über die gesamte einem zu verbindenden Element (12) zugewandte Fläche (26) erstreckt.
34. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
33, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) auf einer einem zu verbindenden Element (12) zugewandten Fläche (26) eine Metalllotkomponente (18') und auf der gegenüberliegenden Fläche (26) eine Glaslotkomponente (18) trägt.
35. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
34, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) gasdicht gesintert ist.
36. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
35, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) eine axiale Dicke zwischen 0,1 und 0,2 mm aufweist.
37. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis
36, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) eine axiale Dicke zwischen 0,3 und 0,8 mm aufweist.
38. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) eine axiale Dicke zwischen 0,02 und 0,2 mm aufweist.
39. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lotkomponente (18) tragende Oberfläche der Distanzkomponente (16) aufgeraut ist.
40. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10,5 bis 13, 5 -ICT6 K"1 aufweist.
41. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Bari- um-Disilikat , Calcium-Disilikat , Barium-Calcium- Orthosilikat .
42. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist.
43. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 42, dadurch ge- kennzeichnet, dass dem teilstabilisierten Zirkonoxid Aluminiumoxid zugesetzt ist.
44. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 26 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponente (18) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist: Gold, Silber, Kupfer.
45. Dichtung (10) für einen Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 23 bis 44.
46. Verfahren zum Herstellen einer Dichtung (10), die zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) eines Brennstoff- zellenstapels geeignet ist, wobei die Dichtung (10) eine elektrisch nicht leitenden Distanzkomponente (16) und min- destens eine bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellen- stapels über ihre gesamte Ausdehnung feste oder viskose Lotkomponente (18) aufweist, die die Distanzkomponente (16) mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) aus keramischem Material hergestellt wird.
47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) durch Trockenpressen von keramischem Pulver hergestellt wird.
48. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) durch Foliengießen, Lami- nieren und Stanzen hergestellt wird.
49. Verfahren nach den Ansprüchen 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Distanzkomponente (16) ein Glas- lot in Form einer gestanzten Folie aufgebracht wird.
50. Verfahren nach den Ansprüchen 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Distanzkomponente (16) ein Glas- lot oder ein Metalllot in Form einer Paste aufgebracht wird.
51. Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Metalllots eine Haftschicht auf die Distanzkomponente (16) aufgebracht wird.
52. Verfahren nach den Ansprüchen 46 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzkomponente (16) vor dem Aufbringen eines Lots aufgeraut wird.
53. Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Wiederholeinheiten (28), die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindestens einer Dichtung (10) zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) des Brenn- Stoffzellenstapels, wobei die Dichtung (10) eine elektrisch nicht leitende Distanzkomponente (16) und mindestens eine bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels über ihre gesamte Ausdehnung festen oder viskosen Lotkomponente (18) aufweist, die die Distanzkomponente (16) mit mindes- tens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels gasdicht koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Distanzkomponente (16) aus keramischem Material verwendet wird.
54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (12) des Brennstoffzellenstapels und Dichtungen (10) mit Lotkomponenten (18) aus Glaslot gestapelt werden und die zu verbindenden Elemente anschließend gleichzeitig über die Dichtungen (10) miteinander verbunden wer- den.
55. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass Wiederholeinheiten (28) und Dichtungen (10) mit Lotkomponenten (18) aus Metalllot nacheinander sukzessive mit- einander verbunden werden.
56. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet,
dass Dichtungen (10) verwendet werden deren Distanz- komponenten (16) auf einer einem zu verbindenden E- lement (12) zugewandten Fläche (26) eine Metalllot- komponente (18') und auf der gegenüberliegenden Fläche (26) eine Glaslotkomponente (18) tragen, dass die Distanzkomponenten (16) zunächst über die MetallIotkomponenten (18 ') mit Elementen des Brennstoffzellenstapels verbunden werden,
- dass die Wiederholeinheiten (28) fertig gestellt werden,
dass die Wiederholeinheiten (28) gestapelt werden und
dass die Wiederholeinheiten (28) über die Glaslotkomponenten (18) miteinander verbunden werden.
57. Verfahren nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholeinheiten (28) nach dem Verbinden der
Distanzkomponenten (16) über die Metalllotkomponenten (18 ') mit Elementen des Brennstoffzellenstapels auf Dichtigkeit geprüft werden.
58. Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Wiederholeinheiten (28) , die in axiale Richtung gestapelt sind, und mit mindestens einer Dichtung (10) zum gasdichten Verbinden zweier Elemente (12) des Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung (10) eine elektrisch nicht leitende Distanzkomponente (16) und mindestens eine Lotkomponente (18) aufweist, die die Distanzkomponente (16) mit mindestens einem der zu verbindenden Elemente des Brennstoffzellenstapels koppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotkomponenten (18) so an den Distanzkomponenten (16) angeordnet werden, dass ein den Brennstoffzellenstapel in axiale Richtung komprimierender Kraftfluss von der Distanzkomponente (16) direkt auf zumindest eines der zu verbindenden Elemente (12) übergeht.
59. Verfahren nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass eine Distanzkomponente (16) aus keramischem Material verwendet wird .
60. Verfahren nach Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (12) des Brennstoffzellenstapels und Dichtungen (10) mit Lotkomponenten (18) aus Glaslot gestapelt werden und die zu verbindenden Elemente anschließend gleichzeitig über die Dichtungen (10) miteinander ver- bunden werden.
61. Verfahren nach Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, dass Wiederholeinheiten (28) und Dichtungen (10) mit Lotkomponenten (18) aus Metalllot nacheinander sukzes- sive miteinander verbunden werden.
62. Verfahren nach Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet,
- dass Dichtungen (10) verwendet werden deren Distanzkomponenten (16) auf einer einem zu verbindenden E- lement zugewandten Fläche (26) eine Metalllotkompo- nente (18') und auf der gegenüberliegenden Fläche (26) eine Glaslotkomponente (18) tragen,
dass die Distanzkomponenten (16) zunächst über die Metalllotkomponenten (18') mit Elementen des Brennstoffzellenstapels verbunden werden,
- dass die Wiederholeinheiten (28) fertig gestellt werden,
dass die Wiederholeinheiten (28) gestapelt werden und dass die Wiederholeinheiten (28) über die Glaslot- komponenten (18) miteinander verbunden werden.
63. Verfahren nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholeinheiten (28) nach dem Verbinden der Distanzkomponenten (16) über die Metalllotkomponenten mit Elementen (12) des Brennstoffzellenstapels und vor dem Stapeln der Wiederholeinheiten (28) auf Dichtigkeit geprüft werden.
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