WO2004021487A2 - Brennstoff-zelle mit einer das brenngas über der elektroden-oberfläche verteilenden perforierten folie - Google Patents

Brennstoff-zelle mit einer das brenngas über der elektroden-oberfläche verteilenden perforierten folie Download PDF

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Franz-Josef Wetzel
Thomas Hoefler
Olav Finkenwirth
Bernd Kuhn
Andreas Oswald Stoermer
Xiaofeng Yan
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell which, in addition to a cathode-electrolyte-anode unit, has a structure which distributes the fuel gas over its electrode surface and whose surface facing the electrode is formed by a perforated film.
  • a fuel cell which, in addition to a cathode-electrolyte-anode unit, has a structure which distributes the fuel gas over its electrode surface and whose surface facing the electrode is formed by a perforated film.
  • the cited document shows a solid oxide fuel cell (SOFC) in which, in addition to an independently prefabricated cathode-electrolyte-anode unit, an independent intermediate layer between the electrodes and the bipolar plates (known to the person skilled in the art) or partition plates is provided.
  • This independent intermediate layer is designed as an electrically conductive, elastic and gas-permeable contact cushion with a deformable surface structure, the so-called cushion filling being a highly elastic metal fabric and the so-called cushion cover, for example, a perforated sheet.
  • this so-called contact pad is to achieve optimal electrical contact between the electrodes, while at the same time a less exact surface quality, for example of the anodes and cathodes, can be accepted without there being any disadvantages in the (electrical) contacting within the fuel cell or a fuel cell stack or stack made up of a plurality of individual fuel cells.
  • An essential criterion for an optimal fuel cell function is not only sufficient electrical contact between the individual cell elements, but almost equally important is a good flow against the fuel cell electrodes, in particular with the so-called fuel gas or working gas, but also with Oxygen or ambient air.
  • an object of the present invention is to show an improvement in a fuel cell which, in addition to a cathode-electrolyte-anode unit, has a structure which distributes the fuel gas over its electrode surface and whose surface facing the electrode is formed by a perforated film ,
  • the solution to this problem is characterized in that the longitudinal axes of at least some of the holes or passage openings forming the perforation are inclined with respect to the film surface.
  • the flow direction of the fuel gas or air-oxygen to the respective electrode is at least partially oblique to the respective electrode surface in order to ensure a good supply of material to the affected electrode .
  • the longitudinal axes of holes or through-openings which form the (known) perforation in said film, on the surface of which an electrode of the fuel cell rests, are inclined with respect to the film surface.
  • the longitudinal axes of at least some of the holes or through openings forming the perforation can be inclined differently with respect to the film surface, depending on the location of the holes or through openings with respect to the fuel cell or the fuel gas flow conducted therein. So on the side of the fuel gas inlet or the fuel gas supply into the fuel cell, the electrode facing outlet openings of the holes should be at least slightly directed towards the side of the fuel gas outlet from the fuel cell, so that a targeted fuel gas flow also divides itself along the electrode surface and the fuel gas is consequently distributed relatively evenly over the electrode surface.
  • the gas can optimally enter these through openings.
  • the word "primarily" used above means that not all of the holes in the area mentioned need to be inclined in the manner described, rather only some of the holes can be inclined in this way and other holes in this area have a different or no inclination to the Have film surface.
  • Holes or through-openings which are inclined with their longitudinal axes, which can also be referred to as bores, but also on the side of the fuel gas inlet (or the fuel gas supply) into the fuel cell are advantageous " if the inlet openings of these inlet-side holes (again In the same sense, on the side of the fuel gas outlet from the fuel cell, the outlet openings of these outlet-side holes (again primarily) can be at least slightly toward the fuel gas outlet (or on the side of the fuel gas) An optimal fuel gas flow is also achieved in this way, since the fresh fuel gas can both enter the respective passage openings well and the burned gas or the corresponding reaction products can pass well from the respective passage openings to the fuel gas outlet (to the fuel gas Discharge) emerges from the fuel cell If the respective passage openings have straight longitudinal axes, the respective passage openings can advantageously meet both the conditions described in this paragraph and the conditions described in the previous paragraph.
  • holes whose inlet opening facing away from the electrode are directed at least slightly to the side of the fuel gas supply, and holes whose outlet opening facing away from the electrode is directed at least slightly towards the side of the fuel gas outlet of the fuel cell are substantially alternately provided side by side in the film.
  • holes or passage openings in a film of a fuel cell against which an electrode of the fuel cell rests have a further advantage, with regard to a special fuel cell production process.
  • the ceramic layers of the solid oxide fuel cell are produced individually, for example by sintering green compacts of the respective layers (namely cathode, electrolyte and anode), the individual electrode layers can be sequential, in particular metallic or ceramic Substrates are sprayed on.
  • Suitable thermal spraying methods are suitable for this application by spraying, for example vacuum plasma spraying (also called vacuum plasma spraying), atmospheric plasma spraying, flame spraying, or others.
  • the so-called substrate can form the load-bearing structure of the fuel cell, with porous and thus gas-permeable and at the same time current-conducting (and therefore mostly metallic), particularly for vacuum plasma-sprayed fuel cells, for this substrate. Materials are used to ensure the best possible supply of starting material, product removal and electrical power supply within the fuel cell.
  • the perforated film now serves as such a carrier substrate for the electrode layers, to which the first electrode layer is consequently applied in powder form by a thermal spray process, then if the holes are made at an angle to the film surface, then one can be at right angles good powder retention can be achieved for the film or substrate surface of the spray coating process, without the diameter of the holes having to be significantly smaller than the diameter of the grains of the electrode powder to be applied.
  • a fundamentally undesirable passage of the powder grains during thermal spraying thereof onto the film through the holes provided therein can be largely avoided due to the longitudinal axes of the holes which are inclined with respect to the film surface.
  • the perforation in the film or the holes or passage openings or bores can be produced, for example, by means of a laser beam or electron beam or nuclear trace.
  • these holes can also be formed by electrochemical processes or by masking and etching, all of the processes mentioned being particularly suitable for large-scale production.
  • these holes preferably be made from the side of the film or the substrate that is not to be coated with the electrode material, because the holes are then on the back and thus on the application side for Elevations of the hole edges that arise from the electrode material are helpful for better interlocking of the ceramic electrode with the film (or a corresponding tape).
  • the foil perforated according to the invention or a corresponding sheet or strip can consist of a suitable metallic material and can be assembled with a further structure to form a so-called cassette which has a cavity, this further structure likewise consisting of a metallic one Material exists, so that this composite structure can ultimately form a or the bipolar plate of the single fuel cell, onto which, more precisely on the perforated film, an electrode layer of the cathode-electrolyte-anode unit can be applied, for example by a thermal spraying process, almost directly can.
  • the fuel gas or atmospheric oxygen can then be led to or away from the respective electrode via said cavity of this so-called cassette.
  • This cassette is therefore a hollow body, which preferably consists of an upper shell and a lower shell, which are preferably welded together along their edges, are generally integrally connected in order to ensure sufficient gas tightness in this area.
  • the previously perforated film as a substrate can preferably be welded into a so-called upper shell of the cassette, which can have a rectangular, square, round or any oval cutout.
  • a corresponding film, tape or sheet is first perforated (in tape form or piece by piece) and then welded into a corresponding cutout in the upper shell of a fuel cell cassette to be produced.
  • Such a weld seam replaces the sealing of the fuel cell in its bipolar plate, which is usually indispensable in the case of a planar solid oxide fuel cell, by means of glass solder or other ceramic or metallic adhesive.
  • the cathode-electrolyte-anode unit can then be welded directly onto the welded-in method according to the manufacturing method according to the invention perforated metal foil are sprayed, the anode preferably being sprayed on using a spray mask up to just below the weld between the perforated foil and the upper shell.
  • the electrolyte layer can then be applied to the anode layer with a larger mask, making it gas-tight and electrically insulated, and additionally the weld seam and a small edge of the sheet around it can be spray-sealed in the same operation using electrolyte material.
  • the cathode layer can then be spray-applied exactly onto the surface of the anode using a mask.
  • the upper shell can serve directly as a carrier substrate for the anode layer to be sprayed on. In this case, it has no recess. Instead, the upper shell itself is perforated in the area of the anode to be applied later by a thermal powder spraying process, so that the cassette upper shell itself is therefore the perforated film according to the invention.
  • the perforation can be either before or after welding the two cassette halves, i.e. the above-mentioned upper shell with the lower shell mentioned.
  • the cathode-electrolyte-anode unit is then applied as described for the first embodiment.
  • the sealing function of the electrolyte is limited to the sealing of the porous anode layer.
  • Attached is a single figure, in which a cross section through a cassette, as already mentioned above as a second embodiment, is shown in highly abstract form.
  • This cassette forms a single solid oxide fuel cell and can therefore be part of a fuel cell stack or stack.
  • the reference numeral 1 denotes a metallic foil, which at the same time represents the so-called upper shell of a so-called cassette 4. As can be seen, this is of course perforated over a certain length dimension perpendicular to the drawing plane, i.e. provided with holes 2, 2 ', the longitudinal axes 2a, 2a' of which are inclined with respect to the surface of the film 1.
  • the upper shell 1 or film 1 forms the aforementioned cassette 4, which encloses a cavity 10.
  • a metallic knitted wire or the like can be introduced into a partial area of this cavity 10, but this is not shown here.
  • the upper shell 1 and the lower shell 3 are welded to one another in their edge regions, that is to say integrally and thus gas-tightly connected to one another via a weld seam 6 running all around.
  • a cathode-electrolyte-anode unit 7 is applied to the outside of the film 1 or upper shell 1 facing away from the cavity 10, essentially in the area of overlap with the through openings or holes 2, 2 ', the layer adjacent to the film 1 being the anode layer 7A is.
  • This is applied in the manufacturing process of a single fuel cell according to the invention as a first layer by means of a thermal powder spraying process (preferably by vacuum plasma spraying). Then, as already explained, an electrolyte layer 7E and a cathode layer 7K can be applied thereon.
  • the fuel gas required for the fuel cell or for the electrochemical conversion process taking place therein is fed into the cavity 10 of the cassette 4, the fuel gas supply 8Z being in the area of the cavity 10 on the left in the drawing, while the fuel gas discharge 8A is in the right-hand section of the cassette cavity 10 lie.
  • this fuel gas is suitably distributed to the individual holes 2, 2 ', so that it can then pass through them to the anode layer 7A and react there accordingly.
  • the reaction products are also removed via holes 2 and 2 'for fuel gas removal 8A.
  • holes 2 ' are aligned or inclined, which can primarily be in the area of the fuel gas discharge 8A or the fuel gas outlet 8A, although in the present exemplary embodiment holes 2 and holes 2' with their different inclinations described are essentially are equally distributed and are arranged next to one another distributed over the surface of the film 1.
  • the longitudinal axes 2a 'of the holes 2' are at least slightly inclined, as shown in the figure, in such a way that they are inclined towards the film surface in such a way that in the area of the fuel gas discharge 8A, ie in the fuel gas outlet area, the fuel gas discharge 8A (and thus The outlet opening 2b 'facing away from the electrode 7A and the holes 2' located near the fuel gas outlet side is directed towards the fuel gas outlet 8A, so there is an improved outflow of burned gas out of these through openings or holes 2 '.
  • a preferred angle of inclination between the longitudinal axes 2a or 2a 'of the holes 2 or 2' and the surface of the film 1 is in the order of 45 ° to 75 °.
  • passage openings or holes 2 the openings 2b of which in the figure below are partially directed towards the supply of fuel gas 8Z, can take precedence provided in the area of this fuel gas supply 8Z, although a few holes 2 with such an inclined longitudinal axis 2a can also be provided in the area on the right-hand side in the figure near the fuel gas discharge 8A.
  • passage openings or holes 2 ' are primarily provided in the area of this fuel gas discharge 8A, although a few holes 2 'with a longitudinal axis 2a' inclined in this way are also provided can be provided in the area on the left in the figure near the fuel gas supply 8B. (Deviating from this is the figurative representation with alternating, essentially equally distributed holes 2, 2 'and sealing openings 2, 2').
  • fuel gas is supplied or removed to the anode layer 7A of the cathode-electrolyte-anode unit 7 via the holes or passage openings 2 or 2 ′, so that the desired electrochemical reaction takes place at the cathode-electrolyte-anode unit 7 can, it is (as is known) additionally required to apply oxygen to the cathode 7K.
  • a certain amount of free space must also be created for this if, as is customary and known, several individual fuel cells in the form of the cassette 4 shown are stacked one above the other. This can be done by providing the outside 3a or, in the figure, the underside 3a of the lower shell 3 with a corresponding embossed structure that creates such free space.
  • a suitable wire mesh 9 or the like can be attached (for example soldered) to the underside 3a of the lower shell 3. Either through the above-mentioned impressions or through this wire mesh 9, air-oxygen can then reach the cathode (7K) of an individual fuel cell or cassette lying in a fuel cell stack, not shown, below the individual fuel cell or cassette 4 shown in the figure.
  • a fuel cell according to the invention is characterized on the basis of the proposed design of the holes 2, 2 'or passage openings by an optimized material transport, which has an advantageous effect on the efficiency of the fuel cell. Simple production is also possible for large series.
  • the greatly improved flatness of the application surface for the anode layer 7A resulting from the use of the proposed film 1 enables the implementation of smaller thicknesses of the ceramic reaction layers (ie the cathode-electrolyte-anode unit 7) and thus both a lower material consumption and lower reaction losses due to fewer and optimized transport routes.
  • the contact layer to the cathode 7K which is realized here by the wire mesh 9, there are then lower ohmic losses and lower transport resistances.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (7) eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode (7A) zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie (1) gebildet ist. Die Längsachsen (2a, 2a') zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher (2, 2') oder Durchtrittsöffnungen sind unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt, derart, dass auf der Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) in die Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Austrittsöffnung (2c) der Löcher (2) vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, während auf der Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Eintrittsöffnung (2c') der Löcher (2') vorrangig zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist. Es können aber auch Löcher (2, 2'), deren der Elektrode (7A) abgewandte Eintrittsöffnung (2b) zur Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) hingerichtet sind, und Löcher (2'), deren der Elektrode (7A) abgewandte Austrittsöffnung (2b') zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) hin gerichtet ist, im wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie vorgesehen (1) sein.

Description

Brennstoff-Zelle mit einer das Brenngas über der Elektroden- Oberfläche verteilenden perforierten Folie
Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden- Elektrolyt-Anoden-Einheit eine das Brenngas über deren Elektroden- Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie gebildet ist. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 43 40 153 C1 verwiesen.
In der genannten Schrift ist eine Festoxid-Brennstoff-Zelle (Solid Oxide Fuell Cell, SOFC) gezeigt, bei der neben einer eigenständig vorgefertigten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eine eigenständige Zwischenlage zwischen den Elektroden und den (dem Fachmann bekannten) Bipolarplat- ten oder Trennplatten vorgesehen ist. Diese eigenständige Zwischenlage ist als ein elektrisch leitendes, elastisches und gasdurchlässiges Kontaktkissen mit einer verformbaren Oberflächenstruktur ausgebildet, wobei die sog. Kissenfüllung ein hochelastisches Metallgewebe und der sog. Kissenbezug bspw. ein perforiertes Blech sein kann. Der Zweck dieses sog. Kontaktkis- sens besteht darin, einen optimalen elektrischen Kontakt der Elektroden zu erreichen, wobei gleichzeitig eine weniger exakte Oberflächengüte bspw. der Anoden und Kathoden in Kauf genommen werden kann, ohne dass es zu Nachteilen in der (elektrischen) Kontaktierung innerhalb der Brennstoff-Zelle oder eines aus mehreren Einzel-Brennstoff-Zellen aufgebauten Brennnstoff- zellen-Stacks oder -Stapels kommt. Ein wesentliches Kriterium für eine optimale Brennstoffzellen-Funktion ist jedoch nicht nur ein ausreichender elektrischer Kontakt der einzelnen Zellen- Elemente, sondern nahezu ebenso wichtig ist auch eine gute Anströmung der Brennstoff-Zellen-Elektroden insbesondere mit dem sog. Brenngas oder Arbeitsgas, aber auch mit Sauerstoff bzw. Umgebungsluft.
Im Hinblick hierauf an einer Brennstoffzelle, die neben einer Kathoden- Elektrolyt-Anoden-Einheit eine das Brenngas über deren Elektroden- Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie gebildet ist, eine Verbesserung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Es wurde erkannt, dass es im Hinblick auf den Betrieb der Brennstoffzelle äußerst vorteilhaft ist, wenn die Anströmrichtung des Brenngases oder des Luft-Sauerstoffs zur jeweiligen Elektrode hin zumindest teilweise schräg zur jeweiligen Elektroden-Oberfläche verläuft, um eine gute Stoffversorgung der betroffenen Elektrode zu gewährleisten. Erfindungsgemäß sind demzufolge die Längsachsen von Löchern oder Durchtrittsöffnungen, die die (bekannte) Perforation in der besagten Folie bilden, an deren Oberfläche eine Elektrode der Brennstoffzelle anliegt, gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt.
Dabei können die Längsachsen zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sein, je nachdem, an welcher Stelle sich bezüglich der Brennstoffzelle bzw. des darin geführten Brenngas-Stromes die Löcher oder Durchtrittsöffnungen befinden. So können auf der Seite des Brenngas- Eintritts oder der Brenngas-Zufuhr in die Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandten Austrittsöffnungen der Löcher vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle hin gerichtet sein, damit sich ein gezielter Brenngas-Strom auch entlang der Elektroden- Oberfläche einsteilt und das Brenngas demzufolge relativ gleichmäßig über der Elektrodenoberfläche verteilt wird. Im gleichen Sinne können dann auf der Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandte Eintrittsöffnungen der das verbrannte Gas bzw. die Reaktionsprodukte von der Elektrode quasi wegführenden Löcher oder Durchtrittsöff- nungen vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Eintritts (= der Brenngas-Zufuhr) in die Brennstoffzelle hin gerichtet sein. Auf diese Weise kann das Gas optimal in diese Durchtrittsöffnungen eintreten. Dabei besagt das oben verwendete Wort „vorrangig", dass nicht sämtliche Löcher im jeweils genannten Bereich in dieser beschriebenen Weise geneigt sein müssen, vielmehr können auch nur einige der Löcher solchermaßen geneigt sein und andere Löcher in diesem Bereich eine andere oder überhaupt keine Neigung gegenüber der Folien-Oberfläche aufweisen.
Vorteilhaft sind mit ihren Längsachsen geneigte Löcher oder Durchtrittsöff- nungeri, die auch als Bohrungen bezeichnet werden können, aber auch auf der Seite des Brenngas-Eintritts (bzw. der Brenngas-Zufuhr) in die Brennstoffzelle," wenn die Eintrittsöffnungen dieser eintrittsseitigen Löcher (abermals vorrangig) zumindest geringfügig zum Brenngas-Eintritt hin gerichtet sind. Im gleichen Sinne können auf der Seite des Brenngas- Austritts aus der Brennstoffzelle die Austrittsöffnungen dieser austrittsseiti- gen Löcher (abermals vorrangig) zumindest geringfügig zum Brenngas- Austritt (bzw. zur Seite der Brenngas-Abfuhr) hin gerichtet sein. Auch hierdurch wird eine optimierte Brenngasführung erreicht, da das frische Brenngas sowohl gut in die jeweiligen Durchtrittsöffnungen eintreten kann als auch das verbrannte Gas bzw. die entsprechenden Reaktionsprodukte gut aus den jeweiligen Durchtrittsöffnungen zum Brenngas-Austritt (zur Brenngas-Abfuhr) aus der Brennstoffzelle austreten kann. Wenn dabei die jeweiligen Durchtrittsöffnungen geradlinig verlaufende Längsachsen aufweisen, so können vorteilhafterweise die jeweiligen Durchtrittsöffnungen sowohl die in diesem Absatz geschilderten Bedingungen als auch gleichzeitig die im vorhergehenden Absatz geschilderten Bedingungen erfüllen.
Es ist jedoch auch möglich, dass Löcher, deren der Elektrode abgewandte Eintrittsöffnung zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr hingerichtet sind, und Löcher, deren der Elektrode abgewandte Austrittsoffnung zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts der Brennstoff- zelle hin gerichtet ist, im wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie vorgesehen sind. Hierdurch können quasi nebeneinander Reaktionsprodukte von der Elektrode abgeführt und neues, frisches Brenngas zur Elektrode hingeführt werden.
Erfindungsgemäß mit ihren Längsachsen über der Folien-Oberfläche geneigte Löcher oder Durchtrittsöffnungen in einer Folie einer Brennstoffzelle, an der eine Elektrode der Brennstoffzelle anliegt, besitzen einen weiteren Vorteil, und zwar im Hinblick auf ein spezielles Brennstoffzellen- Herstellverfahren. Während nämlich bei einer Brennstoffzelle nach der genannten DE 43 40 153 C1 die keramischen Schichten der Festoxidbrenn- stoffzelleri beispielsweise durch Sintern von Grünlingen der jeweiligen Schichten (nämlich Kathode, Elektrolyt und Anode) einzeln erzeugt werden, können die einzelnen Elektrodenschichten aufeinanderfolgend auf insbesondere metallische oder keramische Substrate aufgesprüht werden. Für dieses Applizieren durch Aufsprühen kommen dabei geeignete thermische Sprühverfahren in Frage, wie bspw. das Vakuum-Plasmasprühen (auch Vakuum-Plasmaspritzen genannt), atmosphärisches Plasmaspritzen, Flammspritzen, oder andere. Das sog. Substrat kann dabei die tragende Struktur der Brennstoffzelle bilden, wobei für dieses Substrat insbesondere bei vakuumplasmagespritzten Brennstoff-Zellen poröse und somit gasdurchlässige sowie gleichzeitig stromleitende (und daher zumeist metallische) Materialien verwendet werden, um die Eduktzufuhr, die Produktabfuhr und die elektrische Stromleitung innerhalb der Brennstoffzelle bestmöglich zu gewährleisten.
Wenn nun die perforierte Folie als ein derartiges Träger-Substrat für die Elektrodenschichten dient, auf die folglich die erste Elektroden-Schicht durch ein thermisches Sprühverfahren pulverisiert aufgebracht wird, so kann dann, wenn die Löcher schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche eingebracht sind, bei einem rechtwinkelig zur Folien- bzw. Substrat-Oberfläche erfolgenden sprühtechnischen Beschichtungsprozess ein guter Pulverrückhalt erzielt werden, ohne dass der Durchmesser der Löcher wesentlich geringer als der Durchmesser der Körner des aufzubringenden Elektroden-Pulvers sein muss. Ein grundsätzlich unerwünschter Durchtritt der Pulver-Körner beim thermischen Aufsprühen desselben auf die Folie durch die darin vorgesehe- nen Löcher hindurch kann aufgrund der gegenüber der Folien-Oberfläche geneigten Längsachsen der Löcher weitestgehend vermieden werden.
Die Perforation in der Folie bzw. die Löcher bzw. Durchtrittsöffnungen oder Bohrungen können bspw. mittels Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder Kernspur erzeugt werden können. Gebildet werden können diese Löcher jedoch auch durch elektrochemische Verfahren oder durch Maskieren und Ätzen, wobei sich all diese genannten Verfahren besonders gut für eine Großserien-Fertigung eignen. Insbesondere für den Fall eines Elektrodenauftrags auf die Folie durch ein thermisches Sprühverfahren wird vorge- schlagen, diese Löcher bevorzugt von der nicht mit dem Elektrodenmaterial zu beschichtenden Seite der Folie bzw. des Substrats einzubringen, denn die dann auf der Rückseite und somit auf der Auftragsseite für das Elektrodenmaterial entstehenden Erhebungen der Lochränder sind für eine bessere Verzahnung der keramischen Elektrode mit der Folie (bzw. einem entsprechenden Band) hilfreich. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die erfindungsgemäß perforierte Folie bzw. ein entsprechendes Blech oder Band aus einem geeigneten metallischen Werkstoff bestehen und mit einer weiteren Struktur zu einer einen Hohlraum aufweisenden sog. Kassette zusammen- gesetzt sein, wobei diese weitere Struktur ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff besteht, so dass dieses zusammengesetzte Gebilde letztlich eine bzw. die Bipolarplatte der Brennstoff-Einzelzelle bilden kann, auf die, genauer auf deren perforierte Folie, eine Elektrodenschicht der Kathoden- Elektolyt-Anoden-Einheit bspw. durch ein thermisches Sprühverfahren quasi direkt aufgebracht sein kann. Über den besagten Hohlraum dieser sog. Kassette kann dann das Brenngas bzw. der Luftsauerstoff zur jeweiligen Elektrode hin bzw. von dieser weggeführt werden. Bei dieser Kassette handelt sich also um einen Hohlkörper, der bevorzugt aus einer Oberschale und einer Unterschale besteht, welche bevorzugt entlang ihrer Ränder miteinander verschweißt, allgemein stoffschlüssig verbunden sind, um eine ausreichende Gasdichtheit in diesem Bereich zu gewährleisten.
Hierbei sind grundsätzlich zwei Ausführungsformen möglich. Nach einer ersten Variante kann in eine sog. Oberschale der Kassette, die einen rechteckigen, quadratischen, runden oder beliebig ovalen Ausschnitt aufweisen kann, die bevorzugt vorher perforierte Folie als Substrat eingeschweißt werden. Dazu wird eine entsprechende Folie, ein Band oder ein Blech zunächst perforiert (in Bandform oder Stück für Stück) und danach in einen entsprechenden Ausschnitt der Oberschale einer herzustellenden Brennstoffzellen-Kassette eingeschweißt. Eine solche Schweißnaht ersetzt dabei die üblicherweise bei einer planaren Festoxid-Brennstoffzelle unabdingbare Eindichtung der Brennstoffzelle in deren Bipolarplatte mittels Glaslot oder sonstigem keramischem oder metallischem Klebstoff.
Anschließend kann die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren direkt auf die eingeschweißte perforierte Metallfolie gesprüht werden, wobei zunächst die Anode bevorzugt unter Nutzung einer Sprühmaske bis knapp zur Schweißnaht zwischen der perforierten Folie und der Oberschale aufgesprüht wird. Anschließend kann mit einer größeren Maske die Elektrolytschicht auf die Anodenschicht aufgetragen werden, wodurch diese gasdicht gemacht sowie elektrisch isoliert und zusätzlich die Schweißnaht und ein kleiner Rand des darum befindlichen Bleches im gleichen Arbeitsgang mittels Elektrolytmaterial sprühtechnisch abgedichtet werden kann. Darauf kann die Kathodenschicht mittels einer Maske sprühtechnisch exakt auf die Fläche der Anode appliziert werden.
Nach einer zweiten Ausführungsform kann die Oberschale direkt als Träger- Substrat für die aufzusprühende Anodenschicht dienen. Sie weist in diesem Fall keine Aussparung auf. Stattdessen wird im Bereich der später durch ein thermisches Pulver-Sprühverfahren zu applizierenden Anode die Oberschale selbst perforiert, so dass die Kassetten-Oberschale selbst also die erfindungsgemäße perforierte Folie ist. Die Perforation kann dabei entweder vor oder nach dem Verschweißen der beiden Kassettenhälften, d.h. der genannten Oberschale mit der genannten Unterschale, erfolgen. Die Applizierung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit erfolgt dann wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Die Abdichtfunktion des Elektrolyten beschränkt sich dabei jedoch auf die Abdichtung der porösen Anodenschicht.
Mehrere derartige übereinander angeordnete Kassetten, die auf ihrer sog. Oberschale jeweils mit einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit versehen sind, und wobei die zusammengefügte Oberschale und Unterschale jeweils als Bipolarplatte fungieren, innerhalb derer das Brenngas zur Anodenschicht geführt werden kann, können einen grundsätzlich bekannten Brennstoffzel- len-Stack bilden. Nachdem dann zwischen der Außenseite der Unterschale einer ersten Kassette und der obenliegenden Elektrodenschicht der im Brennstoffzellen-Stack unter dieser ersten Kassette liegenden zweiten Kassette ein Gasverteilungsraum oder Strömungsraum für Umgebungsluft bzw. den Luft-Sauerstoff geschaffen werden muss, kann die Außenseite der Unterschale mit einer entsprechenden, einen solchen Strömungsraum schaffenden Prägestruktur versehen werden. Die entsprechenden Einprä- gungen können bspw. in und quer zur Strömungsrichtung eine Mäanderstruktur, unterbrochene und seitlich versetzte Kanäle, eine Einlaufzone u.v.m. aufweisen.
Beigefügt ist eine einzige Figur, in der stark abstrahiert ein Querschnitt durch eine Kassette, wie sie oben als zweite Ausführungsform bereits erwähnt wurde, dargestellt ist. Diese Kassette bildet eine einzelne Festoxid- Brennstoff-Zelle und kann somit Bestandteil eines Brennstoffzellen-Stacks oder -Stapels sein.
Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 eine metallische Folie bezeichnet, die gleichzeitig die sog. Oberschale einer sog. Kassette 4 darstellt. Wie ersichtlich ist diese sich selbstverständlich über ein gewisses Längenmass senkrecht zur Zeichenebene erstreckende Folie 1 perforiert, d.h. mit Löchern 2, 2' versehen, die bzw. deren Längsachsen 2a, 2a' gegenüber der Oberfläche der Folie 1 geneigt sind.
Zusammen mit einer weiteren als Unterschale 3 bezeichneten Struktur (ebenfalls mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet) bildet die Oberschale 1 oder Folie 1 die genannte Kassette 4, die einen Hohlraum 10 einschließt. In einen Teilbereich dieses Hohlraumes 10 kann ein metallisches Drahtgewirk oder dgl. eingebracht sein was hier jedoch nicht gezeigt ist. In ihren Randbereichen sind die Oberschale 1 und die Unterschale 3 miteinander verschweißt, d.h. über eine rundum verlaufende Schweißnaht 6 stoffschlüssig und somit gasdicht miteinander verbunden. Im wesentlichen im Überdeckungsbereich mit den Durchtrittsöffnungen oder Löchern 2, 2' ist auf der dem Hohlraum 10 abgewandten Außenseite der Folie 1 bzw. Oberschale 1 eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7 aufgetragen, wobei die an der Folie 1 anliegende Schicht die Anodenschicht 7A ist. Diese wird im Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Einzel- Brennstoff-Zelle als erste Schicht mittels eines thermischen Pulver- Sprühverfahrens (bevorzugt durch Vakuumplasmaspritzen) aufgetragen. Hierauf kann dann - wie bereits erläutert wurde - eine Elektrolytschicht 7E und auf diese eine Kathodenschicht 7K aufgebracht werden.
In den Hohlraum 10 der Kassette 4 wird das für die Brennstoffzelle bzw. für den darin erfolgenden elektrochemischen Umwandlungsprozess benötigte Brenngas zugeführt, wobei die Brenngas-Zufuhr 8Z im in der Zeichnung linksseitigen Bereich des Hohlraums 10 liege, während die Brenngas-Abfuhr 8A im rechtsseitigen Abschnitt des Kassetten-Hohlraums 10 liege. Innerhalb des Hohlraumes 10 wird dieses Brenngas dabei geeignet auf die einzelnen Löcher 2, 2' verteilt, so dass es dann durch diese zur Anodenschicht 7A gelangen und dort entsprechend reagieren kann. Die Abfuhr der Reaktionsprodukte erfolgt ebenfalls über Löcher 2 bzw. 2' zur Brenngas-Abfuhr 8A hin.
Dadurch, "dass die Längsachsen 2a zumindest einiger Löcher 2 wie figürlich dargestellt derart gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, dass bspw. bzw. insbesondere im Bereich der Brenngas-Zufuhr 8Z, d.h. im Brenngas- Eintrittsbereich die der Brenngas-Zufuhr 8Z zugewandte (und somit der Elektrode 7A abgewandte) Eintrittsöffnung 2b bevorzugt der nahe der Brenngas-Eintritts-Seite liegenden Löcher 2 zum Brenngas-Eintritt 8Z hin gerichtet ist, ergibt sich eine verbesserte Einströmung von Brenngas in diese Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2. Dadurch dass deren der Elektrode 7A zugewandte Austrittsoffnung 2c zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, ergibt sich weiterhin eine verbesserte Anströmung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden- Einheit 7. Dabei sind vorteilhafterweise diese beiden Kriterien gleichzeitig erfüllt, wenn die Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2 eine geradlinige Längsachse 2a aufweisen.
Anders als die Löcher 2 ausgerichtet bzw. geneigt sind Löcher 2', die vorrangig im Bereich der Brenngas-Abfuhr 8A bzw. des Brenngas-Austritts 8A liegen können, wenngleich im vorliegenden Ausführungsbeispiel Löcher 2 und Löcher 2' mit ihren beschriebenen unterschiedlichen Neigungen im wesentlichen gleichverteilt und dabei nebeneinander über der Oberfläche der Folie 1 verteilt angeordnet sind. Dadurch, dass bei den Löchern 2' deren Längsachsen 2a' zumindest geringfügig wie figürlich dargestellt derart gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, dass im Bereich der Brenngas-Abfuhr 8A, d.h. im Brenngas-Austrittsbereich die der Brenngas- Abfuhr 8A zugewandte (und somit der Elektrode 7A abgewandte) Austritts- Öffnung 2b' der nahe der Brenngas-Austritts-Seite liegenden Löcher 2' zum Brenngas-Austritt 8A hin gerichtet ist, ergibt sich eine verbesserte Abströ- mung von verbranntem Gas aus diesen Durchtrittsöffnungen oder Löchern 2' heraus. Dadurch dass deren der Elektrode 7A zugewandte Eintrittsöffnung 2c' zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Eintritts 8Z (= der Brenngas-Zufuhr 8Z) in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist, ergibt sich weiterhin "eine verbesserte Abfuhr von verbranntem Gas bzw. der Reaktionsprodukte weg von der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7. Dabei sind vorteilhafterweise diese beiden Kriterien gleichzeitig erfüllt, wenn die Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2' eine geradlinige Längsachse 2a' aufweisen.
Ein bevorzugter Neigungswinkel zwischen den Längsachsen 2a bzw 2a' der Löcher 2 bzw. 2' und der Oberfläche der Folie 1 liegt dabei in der Größenordnung von 45° bis 75°. Wie bereits erwähnt wurde, können dabei Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2, deren in der Figur unten liegenden Öffnungen 2b teilweise zur Brenngas-Zufuhr 8Z hingerichtet sind, vorrangig im Bereich dieser Brenngas-Zufuhr 8Z vorgesehen, wenngleich einige wenige Löcher 2 mit einer solchermaßen geneigten Längsachse 2a auch im in der Figur rechtsseitigen Bereich nahe der Brenngas-Abfuhr 8A vorgesehen sein können. Hingegen sind Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2', deren in der Figur unten liegenden Öffnungen 2b' teilweise zur Brenngas-Abfuhr 8A hingerichtet sind, vorrangig im Bereich dieser Brenngas-Abfuhr 8A vorgesehen, wenngleich einige wenige Löcher 2' mit einer solchermaßen geneigten Längsachse 2a' auch im in der Figur linksseitigen Bereich nahe der Brenngas-Zufuhr 8B vorgesehen sein können. (Abweichend hiervon ist die figürliche Darstellung mit abwechseln im wesentlichen gleichverteilten Löchern 2, 2' bzw. Duurcht ttsöffnungen 2, 2').
Wie bereits erwähnt erfolgt über die Löcher oder Durchtrittsöffnungen 2 bzw. 2' die Zufuhr bzw. Abfuhr von Brenngas zur Anodenschicht 7A der Katho- den-Elektrolyt-Anodeneinheit 7. Damit an der Kathoden-Elektrolyt-Anoden- Einheit 7 die gewünschte elektrochemische Reaktion ablaufen kann, ist es (bekanntermaßen) zusätzlich erforderlich, die Kathode 7K mit Sauerstoff zu beaufschlagen. Auch hierfür muss also ein gewisser Freiraum geschaffen werden, wenn - wie üblich und bekannt - mehrere Einzel-Brennstoffzellen in Form der gezeigten Kassette 4 übereinander gestapelt sind. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Außenseite 3a bzw. in der Figur die Unterseite 3a der Unterschale 3 mit einer entsprechenden, einen solchen Freiraum schaffenden Prägestruktur versehen wird. Alternativ kann - wie in der Figur dargestellt - an die Unterseite 3a der Unterschale 3 ein geeignetes Drahtge- strick 9 oder dgl. angebracht (bspw. angelötet) sein. Entweder durch die genannten Einprägungen oder durch dieses Drahtgestrick 9 kann dann Luft- Sauerstoff zur Kathode (7K) einer in einem nicht dargestellten Brennstoffzellen-Stack unterhalb der figürlich dargestellten Einzel-Brennstoffzelle bzw. Kassette 4 liegenden Einzel-Brennstoffzelle bzw. Kassette gelangen.
Bekanntermaßen sollen die in einem Brennstoffzellen-Stack oder -Stapel übereinander angeordneten Einzel-Brennstoffzellen elektrisch gut leitend miteinander verbunden sein, um die ohmschen Verluste in diesem Stack zu minimieren. In diesem Sinne ist das besagte metallische Drahtgestrick 9 auch besonders vorteilhaft. Ebenfalls in diesem Sinne sollten die beiden Kassetten-Schalen, d.h. die Oberschale 1 und die Unterschale 3 ebenfalls elektrisch gut miteinander kontaktiert sein. Dies kann über die bereits genannte Schweißnaht 6 erfolgen, die hierzu in der betroffenen Fläche entlang von Mäandern geführt sein kann.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich aufgrund der vorgeschlagenen Ausbildung der Löcher 2, 2' oder Durchtrittsöffnungen durch einen optimierten Materialtransport aus, was sich auf den Wirkungsgrad der Bennstoffzelle vorteilhaft auswirkt. Ferner ist auch für eine Großserie eine einfache Fertigung möglich. Die aus der Verwendung der vorgeschlagenen Folie 1 stark verbesserte Ebenheit der Applikationsfläche für die Anoden- Schicht 7A ermöglicht die Umsetzung geringerer Dicken der keramischen Reaktionsschichten (d.h. der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7) und damit sowohl einen geringeren Materialverbrauch als auch geringere Reaktionsverluste wegen geringerer und optimierter Transportwege. Auch bezüglich der Kontaktschicht zur Kathode 7K, die hier durch das Drahtgestrick 9 realisiert wird, ergeben sich dann geringere ohmsche Verluste und geringere Transportwiderstände. Insgesamt können durch eine verbesserte elektrische Quer- und Längsleitung des sog. Substrats, d.h. der Folie 1 , die chemischen Prozesse in der Brennstoffzelle verbessert und die ohmschen Verluste in der Kassette 4 verringert werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Ausführungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (7) eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode (7A) zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie (1 ) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (2a, 2a') zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher (2, 2') oder Durchtrittsöffnungen gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind.
2. Brennstoff-Zelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (2a, 2a') zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher (2, 2') oder Durchtrittsöffnungen unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, derart, dass auf der Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) in die Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Austrittsoffnung
(2c) der Löcher (2) vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, und dass auf der Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Eintrittsöffnung (2c') der Löcher (2') vorrangig zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr
(8Z) in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist. Brennstoff-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Brenngas-Eintritts (8Z) in die Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) abgewandte Entrittsöff- nung (2b) der Löcher (2) vorrangig zum Brenngas-Eintritt (8Z) hin gerichtet ist und dass im Bereich des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) abgewandte Austrittsoffnung (2b') der Löcher (2') vorrangig zum Brenngas-Austritt (8A) hin gerichtet ist.
4. Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Löcher (2), deren der Elektrode (7A) abgewandte Eintrittsöffnung (2b) zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) hingerichtet sind, und Löcher (2'), deren der Elektrode (7A) abgewandte Austrittsoffnung (2b') zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, im wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie (1 ) vorgesehen sind.
5. Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (2, 2') in der Folie (1) mittels Laser oder Elektronenstrahl oder Kernspur oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens erzeugt sind.
6. Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten (7A, 7E, 7K) durch ein thermisches Sprühverfahren im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche Folie aufgebracht ist.
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