DE102006054201A1

DE102006054201A1 - Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Leichtbauweise

Info

Publication number: DE102006054201A1
Application number: DE102006054201A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Wetzel; Dirk Federmann; Wilfried Dr. Behr; Arnold Cramer; Wilhelm-August Mertens; Helmut Dr. Ringel; Josef Dr. Remmel; Uwe Dr. Reisgen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2008-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Leichtbauweise, die aus einem im Zentralbereich eine geschlossene Oberfläche aufweisenden sog. Wannenblech, welches im Randbereich Durchtrittsöffnungen für an den elektrochemisch aktiven Schichten (Elektroden-Elektrolyt-Einheit) reagierende Reaktionsgase aufweist, sowie aus einem mit dem Wannenblech verschweißten oder in vergleichbarer Weise unlösbar verbundenen sog. Fensterblech besteht. Das Fensterblech weist im Randbereich ebenfalls entsprechende Durchtrittsöffnungen und im Zentralbereich zumindest eine großflächige oder mehrere kleine Übertrittsöffnung(en) für eines der Reaktionsgase auf und des sind die Schweißverbindungen oder dergleichen zwischen den beiden Blechen an den Durchtrittsöffnungen in Form von Schiebesitz-Fugen und am Rand der Bleche in Form von Überlapp-Fugen ausgebildet, in denen die Bleche unter einem kleinen Vorhaltewinkel aneinander anstehen. Bei einem Brennstoffzellen-Stapel, der aus mehreren solchen Einzel-Brennstoffzellen aufgebaut ist, können die einzelnen Brennstoffzellen in Form von Kassetten ausgebildet sein, in die zwischen dem Wannenblech und dem Fensterblech eine Einheit aus elektrochemisch aktiven Schichten integriert ist, oder es ist die sog. Sandwich-Bauweise realisiert, wobei für jede Einzel-Brennstoffzelle zuerst die elektrochemisch aktiven Schichten mit dem Fensterblech verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Leichtbauweise, die aus einem im Zentralbereich eine geschlossene Oberfläche aufweisenden sog. Wannenblech, welches im Randbereich Durchtrittsöffnungen für an den elektrochemisch aktiven und Schichten (= Elektroden-Elektrolyt-Einheit) reagierenden Reaktionsgase aufweist, sowie aus einem mit dem Wannenblech verschweißten oder in vergleichbarer Weise unlösbar verbundenen sog. Fensterblech besteht, welches im Randbereich ebenfalls entsprechende Durchtrittsöffnungen und im Zentralbereich zumindest eine großflächige oder mehrere kleine Übertrittsöffnung(en) für eines der Reaktionsgase aufweist. Zum bekannten Stand der Technik wird auf die DE 102 38 857 A1 verwiesen.
Die elektrochemisch aktiven Schichten einer Brennstoffzelle bestehen regelmäßig aus einer Kathode, einem Elektrolyten sowie einer Anode (= Elektroden-Elektrolyt-Einheit). Der Kathode wird ein Oxidationsmittel als erstes Reaktionsgas, bspw. in Form von Umgebungsluft, und der Anode wird ein Brennstoff, bspw. Wasserstoff, als zweites Reaktionsgas zugeführt. Bekannt sind unterschiedliche Brennstoffzellentypen, so neben PEM-Brennstoffzellen insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), die auch als Hochtemperatur-Brennstoffzellen bezeichnet werden, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C betragen kann. An der Kathode einer Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxidationsmittels Sauerstoff-Ionen. Diese Sauerstoff-Ionen diffundieren durch den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasserstoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektronen freigesetzt und somit wird elektrische Energie erzeugt.
Mehrere sog. Einzel-Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung größerer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente, auch Interkonnektoren genannt, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Mittels Interkonnektoren entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt. Die Brennstoffzellenstapel bestehen aus den Interkonnektoren und den Einzel-Brennstoffzellen, deren wesentliches Element wiederum Elektroden-Elektrolyt-Einheiten, also die o.g. elektrochemisch aktiven Schichten sind. Üblicherweise sind die Interkonnektoren im Hinblick auf eine gute elektrische Leitfähigkeit aus Metallplatten gebildet, welche zugleich die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels gewährleisten und in welche üblicherweise Verteiler-Strukturen für die Reaktionsgase eingearbeitet sind.
Die genannten durch Metallplatten gebildeten Interkonnektoren besitzen ein relativ hohes Gewicht, was insbesondere für den Einsatz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug von besonderem Nachteil ist. Um das Gewicht eines Brennstoffzellen-Stapels bzw. der diesen bildenden Brennstoffzellen zu reduzieren, können die Interkonnektoren alternativ aus dünnen, geprägten Blechen bestehen, so wie dies in der eingangs genannten Schrift gezeigt ist. Der Interkonnektor ist dabei aus zwei geprägten Blechen aufgebaut, die eine Kassette darstellen. In diese Kassette ist die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit (d.h. hier ein Anodensubstrat mit Elektrolyt und Kathode) integriert. Die beiden Bleche für die Kassette sind ein sog. Wannenblech und ein Fensterblech entsprechend dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1, die am äußeren Umfang in sog. Schweißfugen gasdicht miteinander verschweißt sind, wobei die beiden Bleche an diesen Verbindungsstellen umgebogen sind, sodass ein Schiebesitz (und somit eine sog. Schiebesitz-Fuge) vorliegt. Dabei können die beiden Bleche vorzugsweise ohne Zusatzwerkstoff mittels Laserstrahlschweißen miteinander verschweißt werden, um einen möglichst geringen Wärmeeintrag beim Schweißen zu erzielen und die induzierten Spannungen zu minimieren.
Es hat sich gezeigt, dass bei diesem bekannten Stand der Technik die relativ lange Schiebesitz-Fuge am äußeren Umfang der beiden Bleche erheblichen Fertigungsaufwand bedingt. Falls dann noch Nacharbeit erforderlich ist, können beim Schweißen zusätzliche Spannungen in die Brennstoffzelle eingebracht und somit auch in die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit übertragen werden, die diese unter extrem ungünstigen Randbedingungen schädigen könnten.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist für eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen oder dergleichen zwischen den beiden Blechen an den (genannten) Durchtrittsöffnungen in Form von Schiebesitz-Fugen und am Rand (bzw. am Umfang) der Bleche in Form von Überlapp-Fugen ausgebildet sind, in denen die Bleche unter einem kleinen Vorhaltewinkel aneinander anstehen.
Erfindungsgemäß ist die äußere, am Umfang der unlösbar miteinander zu verbindenden Bleche vorgesehene Randfuge als sog. Überlapp-Fuge ausgeführt. Hierbei liegen die beiden Bleche nahezu plan aufeinander und werden an ihrem äußeren Umfang verschweißt bzw. unlösbar miteinander verbunden. Um einen Toleranzausgleich und damit eine sichere Berührung der Bleche im Verbindungsbereich zu erzielen, sollen die Bleche dort unter einem kleinen Vorhaltewinkel anstehen. Zumindest eines der beiden Blech hat demnach die Form einer (sehr) schwach ausgeprägten Tellerfeder, womit vorteilhafterweise ein Höhenausgleich erzielt wird. Beim Schweißen ergibt sich somit der Vorteil, dass kein Spalt zwischen den Blechen zu überbrücken ist. Die ist vor allem bei einer Strahl schweißung (wie Laserschweißen) ohne Zusatzwerkstoff von besonderer Bedeutung.
Im Gegensatz zur äußeren Randfuge ist die Bruchgefahr für die Brennstoffzelle bei Schiebesitzfugen im Bereich der genannten, im Randbereich der Bleche (aber innerhalb der Randfuge) vorgesehenen Durchtrittsöffnungen wesentlich geringer, sodass hierfür ein Schiebesitz zwischen den beiden Blechen vorgeschlagen wird. Durch die Gestaltung dieser Schiebesitz-Fugen vorzugsweise in Kreisform ist eine präzise Fugengeometrie und eine Versteifung der Fuge gegeben, sodass praktisch keine mechanischen Spannungen auf die keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit übertragen werden. Ein besonderer Vorteil der damit vorliegenden Kombination von Schiebesitz-Fugen (an den Durchtrittsöffnungen) und Überlapp-Fugen (am Rand der Bleche) ist die Vermeidung einer Doppelpassung zwischen den Durchtrittsöffnungen einerseits und der äußeren Randfuge andererseits. Dies vermindert den Aufwand bei der Herstellung der Einzelteile und die Einleitung von Verspannungen beim Fügeprozess.
Ein durch mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen gebildeter Brennstoffzellen-Stapel kann auf verschiedenen Arten aufgebaut werden, nämlich bevorzugt durch Stapelung von sog. Kassetten oder in der sog. Sandwichbauweise.
Bei der Kassettenstapelung werden zunächst Kassetten hergestellt, indem eine keramische Elektroden-Elektrolyt-Einheit zwischen einem Wannenblech und einem Fensterblech nach der oben beschriebenen Art eingeschweißt wird. Hierbei wird die Anode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit mit dem Wannenblech in Kontakt gebracht; wobei insbesondere wenn das Wannenblech wellenförmig gestaltet ist, ein Nickelnetz oder dgl. zwischen den Wellen des Wannenbleches und der Elektroden-Elektrolyt-Einheit eingelegt werden kann. Die Elektroden-Elektrolyt-Einheit selbst kann zuvor an der Seite des Elektrolyten mit dem Fensterblech gasdicht mittels metallischem Lot oder Glaslot verbunden werden. Bei der eigentlichen Stapelung werden die so vorbereiteten Kassetten mit Glaslot oder durch eine weitere metallische Lötung – hierbei ist eine weitere elektrisch isolierende Zwischenlage erforderlich – zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt.
Bei der Stapelung und insbesondere beim Verlöten aufeinander liegender Kassetten miteinander sollten diese einzelnen Kassetten mechanisch geführt werden können, ohne dass dabei ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Kassetten auftritt. Hierzu können vorzugsweise an das Wannenblech an zwei gegenüberliegenden Seiten Laschen oder dgl. angegliedert sein, mit deren Hilfe der Stapel über bspw. vier keramische Stifte beim Stapelvorgang geführt werden kann.
Bei der genannten Sandwichbauweise kann vorzugsweise die Elektroden-Elektrolyt-Einheit zunächst an das Fensterblech angelötet und anschließend das Fensterblech mit dem Wannenblech gasdicht durch metallisches Löten oder durch Glaslot verbunden werden. Hierbei wird also – anders als bei der Kassettenbauweise – zunächst ein elektrischer Kontakt zwischen der Kathode und bspw. den Wellen des wellenförmigen Wannenbleches hergestellt. Die Stapelung der Sandwicheinheiten zu einem Brennstoffzellenstapel kann durch Verschweißen der Sandwicheinheiten am äußeren Umfang sowie an den Zu- und Abführungen für die Reaktionsgase erfolgen. Bei diesem Vorgang kann die Dichtigkeit der jeweiligen Schweißverbindungen bereits jeweils nach dem Angliedern einer weiteren Sandwicheinheit geprüft werden. Hierdurch kann eine evtl. Undichtigkeit bereits beim Aufbau des Brennstoffzellen-Stapels erkannt und praktisch sofort durch eine Nachbehandlung beseitigt werden. Gleiches gilt im übrigen für ein alternatives Aufbauverfahren einer Brennstoffzelle in Sandwichbauweise, wonach zunächst das vorzugsweise entlang der Dichtflächen mittels einer keramischen Sprühschicht oder mittels eines keramischen Formkörpers elektrisch isolierte Fensterblech mittels hochtemperatur-tauglichem Metalllot mit der Unterseite des Wannenblechs isolierend verbunden werden kann. Danach kann die Elektroden-Elektrolyt-Einheit entweder direkt oder mittels eines flexiblen metallischen Elements indirekt, dabei jedoch spannungsentkoppelt, in das Fensterblech eingelötet werden.
Für die genannten Bauarten ist im übrigen im Falle einer metallischen Lötverbindung zwischen dem Wannenblech und dem Fensterblech eine elektrische Isolierung vorzugsweise durch eine keramische Schicht erforderlich, die bspw. auf eines der beiden Bleche bspw. durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen aufgetragen werden kann, während bei einer Glaslot-Verbindung diese elektrische Isolation durch das Glaslot selbst gebildet ist.
Die beigefügten Figuren zeigen zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele, wobei in 1 die Aufsicht auf ein sog. Fensterblech mit darunter liegendem Wannenblech dargestellt ist, während in 2a der Teil-Schnitt B-B aus 1 für eine aus diesem Fensterblech, einem Wannenblech und einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit zusammengesetzten Brennstoffzelle in (o.g.) Kassettenbauweise und in 3 der Schnitt A-A aus 1 durch eine im Randbereich der (zusammengefügten) Bleche vorgesehene Durchtrittsöffnung für eines der an den elektrochemisch aktiven Schichten, d.h. an der keramischen Elektroden-Elektrolyt-Einheit reagierenden Reaktionsgase erheblich vergrößert dargestellt ist. 2b zeigt ähnlich der Darstellung von 2a die o.g. Sandwich-Bauweise einer erfindungsgemäßen Einzel-Brennstoffzelle, wobei jedoch 1 nicht dem Aufbau dieser 2b entspricht, da bei dieser Sandwichbauweise das Fensterblech (in der Figurendarstellung) „unterhalb" des Wannenblechs liegt.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein sog. Fensterblech und mit der Bezugsziffer 2 ein bereichsweise wellenförmiges sog. Wannenblech gekennzeichnet, die elektrisch gegeneinander isoliert aufeinander liegend unlösbar miteinander gefügt werden – vorzugsweise durch Laserschweißen – und die zusammen mit einer Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3 eine Einzel-Brennstoffzelle bilden, von denen mehrere zu einem Brennstoffzellen-Stapel (nicht figürlich dargestellt) übereinander gestapelt werden (können).
In 1 erkennt man das Fensterblech 1 mit einer großflächigen Übertrittsöffnung 1a für an die gemäß 2a unterhalb des Fensterbleches 1 liegende Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3 herangeführtes Reaktions-Gas. Ferner erkennt man mehrere im Randbereich dieses Fensterblechs 1 vorgesehene und gruppenweise zusammengefasste Durchtrittsöffnungen 4a, 4b für die Reaktionsgase, was insoweit einer üblichen Gestaltung entspricht. Dargestellt ist dabei eine Isolationsschicht 5, mittels derer insbesondere auch einander benachbarte Durchtrittsöffnungen 4a, 4b gegeneinander isoliert und hierdurch zu den beiden genannten Gruppen von Durchtrittsöffnungen 4a bzw. 4b zusammengefasst sind. Weiterhin erkennt man in 1 unterhalb des Fensterblechs 1 mit Laschen 2b versehene Randstege 2a des Wannenblechs 2 (vgl. auch 2a).
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass 1 nicht dem Aufbau einer in der Schnittdarstellung von 2b gezeigten sog. Sandwichbauweise entspricht, da bei dieser Sandwichbauweise wie ersichtlich das Fensterblech 1 „unterhalb" des Wannenblechs 2 liegt, jedoch kann ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung sowohl für die Sandwichbauweise (2b) als auch für die genannte Kassettenbauweise (2a, 1) zusammen unter Bezugnahme auf die 2a, 2b erläutert werden. Wie dargestellt sind nämlich die ggf. unter Zwischenlage einer Isolationsschicht 5 aufeinander liegenden und miteinander zu verschweißenden bzw. in vergleichbarer Weise unlösbar miteinander zu verbindenden Bleche 1, 2 über eine am Rand umlaufende Überlapp-Fuge mit darin liegender Schweißverbindung 6 miteinander verbunden, wobei die Bleche 1, 2 im Bereich dieser Fuge unter einem kleinen Vorhaltewinkel α aneinander anstehen. Wie ersichtlich hat hierfür hier das Fensterblech 1 die Form einer sehr schwach ausgeprägten Tellerfeder. Kennzeichnendes Merkmal dieser Überlapp-Fuge(n) ist, dass die beiden Bleche 1, 2 im einen erheblich breiteren Bereich als durch die Fuge selbst gebildet wird annähernd parallel zueinander und einander dabei überlappend praktisch aufeinander liegen, so dass die beiden Bleche 1, 2 im nicht verbundenen Zustand großflächig gegeneinander oder aufeinander verschoben werden können.
Anders als an ihrem Umfang sind die beiden Bleche 1, 2 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 4a, 4b miteinander verbunden, wo ausweislich 3 eine sog. Schiebesitz-Fuge mit einer Schweißverbindung 6 oder dgl. ausgebildet ist. Bei dieser bzw. einer Schiebesitz-Fuge sind die miteinander unlösbar zu verbindenden Bleche nahe des Fugenbereichs umgebogen und überlappen sich somit nur mit ihren Rändern, derart, dass die beiden Bleche 1, 2 praktisch nur in Richtung senkrecht zu ihrer Haupt-Ebene nennenswert relativ zueinander bewegt werden können.
Mit diesen beiden verschiedenen Fugen-Gestaltungen im Randbereich einerseits sowie im Bereich von Durchtrittsöffnungen (im Randbereich) andererseits sind mit minimiertem Fertigungsaufwand optimierte Resultate erzielbar, 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

Brennstoffzelle, insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Leichtbauweise, die aus einem im Zentralbereich eine geschlossene Oberfläche aufweisenden sog. Wannenblech (2), welches im Randbereich Durchtrittsöffnungen (4a, 4b) für an den elektrochemisch aktiven Schichten (Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3) reagierenden Reaktionsgase aufweist, sowie aus einem mit dem Wannenblech (2) verschweißten oder in vergleichbarer Weise unlösbar verbundenen sog. Fensterblech (1) besteht, welches im Randbereich ebenfalls entsprechende Durchtrittsöffnungen (4a, 4b) und im Zentralbereich zumindest eine großflächige oder mehrere kleine Übertrittsöffnung(en) (1a) für eines der Reaktionsgase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen (6) oder dergleichen zwischen den beiden Blechen (1, 2) an den Durchtrittsöffnungen (4a, 4b) in Form von Schiebesitz-Fugen und am Rand der Bleche (1, 2) in Form von Überlapp-Fugen ausgebildet sind, in denen die Bleche (1, 2) unter einem kleinen Vorhaltewinkel (α) aneinander anstehen.
Brennstoffzellen-Stapel, aufgebaut aus mehreren Einzel-Brennstoffzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Brennstoffzellen in Form von Kassetten ausgebildet sind, in die zwischen dem Wannenblech (2) und dem Fensterblech (1) eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit (3) aus elektrochemisch aktiven Schichten in tegriert ist, wobei die übereinander gestapelten Einzel-Brennstoffzellen durch ein Glaslot oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht (5) durch ein metallisches Lot miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellen-Stapel, aufgebaut aus mehreren Einzel-Brennstoffzellen nach Anspruch 1 in der sog. Sandwich-Bauweise, bei deren oder dessen Herstellung entweder für jede Einzel-Brennstoffzelle zuerst die elektrochemisch aktiven Schichten (Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3) mit dem Fensterblech (1) verbunden werden und danach das Wannenblech (2) an die den elektrochemisch aktiven Schichten (Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3) gegenüberliegende Seite des Fensterblechs (1) angeschlossen wird oder das im Fugen-Bereich mit einer isolierenden Keramikschicht versehene Fensterblech (1) mittels hochtemperaturtauglichem Metalllot mit der Unterseite des Wannenblechs (2) verbunden wird und danach die elektrochemisch aktiven Schichten (Elektroden-Elektrolyt-Einheit 3) mit dem Fensterblech (1) verbunden werden.