DE10238857A1 - Verfahren zum Herstellen einer Einzel-Brennstoff-Zelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Einzel-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, wobei das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten schrittweise durch ein thermisches Sprühverfahren auf die Folie aufgebracht wird. Die die Perforation bildenden Löcher in der Folie können mittels Laser oder Elektronenstrahl oder Kernspur oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens oder durch Maskieren und Ätzen oder auf mechanischem Weg, bevorzugt mittels Nadelwalze, erzeugt werden. Bevorzugt werden die Löcher gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt in die Folie eingebracht. Weiterhin kann die perforierte oder die zu perforierende Folie mit einer weiteren Struktur zu einer einen Hohlraum aufweisenden sogenannten Kassette zusammengesetzt werden, bevorzugt indem die Folie die Oberschale der Kassette bildet, die mit einer Unterschale gasdicht verschweißt wird. Der Hohlraum der Kassette kann vor deren Zusammenbau mit einem Drahtgewirk oder dgl. befüllt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Einzel-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 neben der nicht vorveröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/EP02/06453 auf die DE 43 40 153 C1 verwiesen.
• Für Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), in denen bekanntlich durch Einleiten von Brenngas und Luft-Sauerstoff elektrischer Strom erzeugt werden kann, sind bereits unterschiedliche Herstellverfahren bekannt. So können die keramischen Schichten von Festoxidbrennstoffzellen beispielsweise durch Sintern von Grünlingen der jeweiligen Schichten (nämlich Kathode, Elektrolyt und Anode) einzeln erzeugt werden, wie dies wohl bei einer Brennstoffzelle nach der genannten DE 43 40 153 C1 der Fall ist. Alternativ 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.
• Bedingt durch die Partikelgröße der für das Sprühen der einzelnen Elektrodenschichten eingesetzten keramischen Spritzpulver sollten die gasdurchlässigen und daher porösen Substrate Poren mit einem Durchmesser in der Größenordnung zwischen 5 μm und 50 μm aufweisen, damit ein Schichtaufbau der Elektrode durch thermische Beschichtungsverfahren überhaupt möglich ist. Bekannt ist es daher, diese metallischen Substrate als Metallschäume mit oder ohne Deckschichten, als Vliese aus metallischen Fasern (geschabt oder geschnitten) mit oder ohne Deckschichten, als Feinstgestricke oder Feinstgewebe, oder als Presslinge aus Metallspänen oder Metallpulver oder auch als Drahtgestricke oder Drahtgewebe auszuführen. Diese genannten Träger-Substrate können jedoch nur durch aufwändige Herstellprozesse gefertigt werden. Für die genannten Pulver-Deckschichten werden bspw. durch Verdüsen von Metallschmelzen erzeugte Pulver verwendet, die nach Aufbringen auf eine Unterstruktur durch Sintern verfestigt werden müssen. Zur Herstellung von Metallschäumen und Metallvliesen sind ebenfalls aufwändige Prozesse nötig. Somit ist die Herstellung solcher Träger-Substrate energieaufwändig und kostenintensiv. Darüber hinaus müssen derartige Träger-Substrate relativ dick ausgeführt werden, damit eine genügend hohe mechanische Festigkeit der Einzel-Brennstoffzelle erzielt werden kann.
• Einen anderen Weg zeigt die bereits genannte DE 43 40 153 C1 auf, wonach eine eigenständig vorgefertigte Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit sowie eine eigenständige Zwischenlage zwischen den Elektroden und den (dem Fachmann bekannten) Bipolarplatten oder Trennplatten vorgesehen sind. 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. Ein solcher Brennstoffzellen-Aufbau ist aufgrund der eigenständigen Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit jedoch abermals relativ aufwändig.
• Ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik ( DE 43 40 153 C1 ) vereinfachtes Herstell-Verfahren für eine Einzel-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, aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten schrittweise durch ein thermisches Sprühverfahren auf die perforierte Folie aufgebracht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß wird das Elektrodenmaterial (wie für metallische Drahtgestricke bekannt) durch ein thermisches Sprühverfahren auf ein sog. Substrat aufgebracht, wobei dieses Substrat (wie ebenfalls bekannt) porös ist und somit als eine das Brenngas über der zugewandten Elektrodenfläche verteilende Struktur fungiert. Diese Struktur bzw. dieses sog. Substrat wird nun erfindungsgemäß durch eine perforierte Folie gebildet, die bevorzugt aus einem ggf. passivierten Metallwerkstoff und/oder aus einem Keramikwerkstoff besteht. Nachdem die Verwendung einer metallischen porösen Folie oder dgl. in Form des in der erläuterten DE 43 40 153 C1 sog. Kissenbezugs aus einem perforierten Blech bereits bekannt ist, kann ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik die vorliegende Erfindung auch dadurch beschrieben werden, dass auf eine derartige perforierte Metallfolie die Elektrodenschichten, d.h. die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit, nunmehr durch ein thermisches Sprühverfahren aufgebracht werden.
• Die weiter oben beschriebenen Probleme lassen sich also vermeiden oder verringern, wenn für mittels eines thermischen Sprühverfahrens hergestellte Festoxid-Brennstoffzellen perforierte Metallfolien oder Keramikfolien bzw. Metallbänder oder Keramikbänder als Substrate eingesetzt werden. Die die Perforation in diesen Folien oder Bändern bildenden Löcher können dabei bevorzugt Durchmesser zwischen 10μm und 200 μm aufweisen und 10 bis 70 % der Querschnitts-Fläche der Brennstoff-Zelle einnehmen. Als Folien-Material kommen dabei neben reinen Metall- oder Keramikwerkstoffen auch passivierte Metalle (bspw. durch Voroxidation an heißer Luft oder durch chemische oder elektrochemische Verfahren) oder eine Kombination aus Keramik und Metall in Frage.
• Die Perforation in der Folie bzw. im sog. Substrat wird durch Löcher gebildet, die 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 oder alternativ auf mechanischem Wege, so bspw. mittels einer Nadelwalze, wobei sich all diese genannten Verfahren besonders gut für eine Großserien-Fertigung eignen. Weiter vorgeschlagen wird dabei, 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. dem Band oder allgemein dem Substrat) hilfreich.
• Grundsätzlich können die besagten, die gewünschte Perforation bildenden Löcher rechtwinkelig oder schrägwinkelig zur Oberfläche der Folie oder eines das auch sog. Substrat bildenden Bandes eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann jedoch dann, wenn die Löcher schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche eingebracht werden, 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 vorgesehenen Löcher hindurch kann aufgrund der gegenüber der Folien-Oberfläche geneigten Längsachsen der Löcher weitestgehend vermieden werden.
• Im Hinblick auf den Betrieb der Brennstoffzelle ist es besonders vorteilhaft, wenn die Anströmrichtung des Brenngases oder des Luft-Sauerstoffs zur jeweiligen Elektrode, wenn diese erfindungsgemäß auf einem perforierten Substrat bzw. einer perforierten Folie aufgebracht ist, in Richtung der Schräge der diese Perforation bildenden Löcher geführt ist, um eine gute Stoffversorgung der betroffenen Elektrode zu gewährleisten. In diesem Sinne können somit die Längsachsen zumindest einiger Löcher derart geneigt gegenüber der Folien-Oberfläche sein, dass zumindest im Brenngas-Eintrittsbereich die Entrittsöffnung der Löcher zum Brenngas-Eintritt hin gerichtet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Ausrichtung der Schräge der Löcher quasi aufzuteilen, so dass ein Teil in Richtung der Einströmseite und ein Teil in Richtung der Ausströmseite des Abgases oder des (verbrannten Luft-Sauerstoffs bzw. der Abluft zeigen. Dadurch wird auch die Abführung der Reaktionsprodukte erleichtert. In diesem Sinne können die Längsachsen der besagten Löcher auch unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sein, wobei im Brenngas-Austrittsbereich die Austrittsöffnung der Löcher zum Brenngas-Austritt hin gerichtet ist.
• Für den Fall, dass die die Perforation in einer erfindungsgemäßen Folie bildenden Löcher rechtwinklig zur Folien-Oberfläche eingebracht werden, ist es dann, wenn der Loch-Durchmesser deutlich oberhalb des Durchmessers der durch ein thermisches Sprühverfahren aufgebrachten Pulver-Körner liegt, von besonderem Vorteil, wenn die dem Sprühauftrag abgewandte Rückseite der Folien (oder Bänder) während des bspw. Vakuumplasma-Spritzprozesses bspw. mit einer möglichst nicht beschichtbaren oder einer pulverabweisenden Platte aus Keramik oder ggf. beschichtetem Metall öder Graphit o.ä. abgedeckt bzw. zugehalten wird. Damit wird erreicht, dass nach einem Auffüllen der Löcher mit dem Elektrodenmaterial ein Schichtaufbau auf der dieser Abdeckung gegenüberliegenden Seite der Folie sicher ermöglicht wird. Und um zu vermeiden, dass das aufgespritzte Pulver, welches letztlich die Elektrodenschicht bildet, durch die besagten Löcher hindurchfliegt und somit entweicht, können die Löcher vor dem Durchführen des Beschichtungsprozesses mit einem Anodenpulver bzw. einem Kathodenpulver verfüllt werden. Ein Auffüllen der Löcher ist auch mit einem hochschmelzenden, thermisch leicht zersetzbaren Stoff (z.B. Harnstoff) oder einem geeigneten Polymer (z. B. Polyetheretherketon) möglich, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass diese vorgeschlagenen Maßnahmen unabhängig davon, ob die Löcher rechtwinkelig oder schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche verlaufen, für den Beschichtungsprozess von großem Vorteil sein können.
• Lediglich der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass im Rahmen des Beschichtungsprozesses die Elektrodenschicht so eingestellt werden kann, dass sich hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung und/oder der Porenverteilung über der Schichtdicke ein gradierter Aufbau ergibt, d.h. dass diese jeweiligen Kenngrößen über der Dicke der Schicht betrachtet durchaus veränderlich sein können, um einen guten diffusionsgetriebenen Stofftransport in der auf der perforierten Folie applizierten Elektrode zu erzielen.
• Die mit der vorliegenden Erfindung grundsätzlich vorgeschlagene Verwendung einer insbesondere metallischen perforierten Folie bzw. eines metallischen perforierten Bleches als Träger-Substrat für eine durch ein thermisches Pulver-Sprühverfahren aufgebrachte Elektrodenschicht hat noch einen weiteren Vorteil, was den Aufbau bzw. die Gestaltung einer Einzel-Brennstoff-Zelle in ihrer Gesamtheit betrifft. Wenn nämlich für das Träger-Substrat einer Brennstoffzelle ein anderer Werkstoff als für deren Bipolarplatte verwendet wird, so können diese beide Komponenten nahezu nicht oder allenfalls schlecht miteinander verschweißt werden, was jedoch für eine industrielle Großserienfertigung eine angestrebte Verbindungstechnik darstellt. Die bei der Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe voneinander abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen ferner bei umgebungsbedingten und insbesondere bei betriebsbedingten Temperaturveränderungen innerhalb der Brennstoffzelle zu thermomechanischen Spannungen, und zwar jeweils zwischen dem Träger-Substrat und der Anode, aber auch innerhalb der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit zwischen der Anode und der Elektrolytschicht sowie zwischen der Elektrolytschicht und der Kathode. Die Brennstoffzelle wird dadurch Belastungen ausgesetzt, die ggf. deren Dauerhaltbarkeit reduzieren, und die folglich vermieden werden sollten. Insbesondere wenn die vorzugsweise ferritischen Bipolarplatten mit bspw. nickelhaltigen Substraten verschweißt werden, kann der Ferrit des Bipolarplatten-Materials entlang der Schweißnaht durch Umschmelzungen/Umlegierungsprozesse stark austenitisiert werden. Die dadurch im Umfeld der keramischen Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit stark steigende Wärmedehnung kann auch bei ausdehnungsspezifisch gut an die Anode angepasstem Ferrit zum Abplatzen von Bestandteilen der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit und damit zu einem Versagen der keramischen Brennstoffzellen führen.
• Dieser Problematik kann nun dadurch begegnet werden, dass die erfindungsgemäße perforierte Folie bzw. ein entsprechendes Blech oder Band aus einem geeigneten metallischen Werkstoff besteht und mit einer weiteren Struktur zu einer einen Hohlraum aufweisenden sog. Kassette zusammengesetzt wird, 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 quasi direkt aufgebracht ist. 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 ertindungsgemäßen Herstellvertahren 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.
• In den Hohlraum einer geschilderten sog. Brennstoff-Zellen-Kassette, von welcher dann mehrere zu einem sog. Brennstoffzellen-Stapel oder -Stack zusammengesetzt werden können, kann insbesondere zur Verbesserung der Gasverteilung eine geeignete Grobstruktur eingebracht werden. Hierbei kann es sich um ein Drahtgestrick, ein Drahtgeflecht oder Drahtgewebe oder um ein Vlies handeln, was allgemein als Draht-Gewirk bezeichnet werden kann. Dieses Gewirk kann dabei auch zur mechanischen Abstützung der Oberschale auf der Unterschale sowie zur Stromleitung dienen.
• Bereits erwähnt wurde, dass mehrere 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, einen grundsätzlich bekannten Brennstoffzellen-Stack bilden können. 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 Einprägungen 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 versehen, die bzw. deren Längsachsen 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 einschließt. In einen Teilbereich dieses Hohlraumes ist ein metallisches Drahtgewirk 5 oder dgl. eingebracht, und zwar im wesentlichen im Überdeckungsbereich mit den Löchern 2. In ihren Randbereichen sind dabei 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 dem Drahtgewirk 5 ist auf der diesem abgewandten Seite 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 wird dann – wie bereits erläutert wurde – eine Elektrolytschicht 7E und auf diese eine Kathodenschicht 7K aufgebracht.
• In den Hohlraum 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 liege, während die Brenngas-Abfuhr 8A im rechtsseitigen Abschnitt des Kassetten-Hohlraums liege. Durch das Drahtgewirk 5 wird dieses Brenngas dabei geeignet auf die einzelnen Löcher 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 zur Brenngas-Abfuhr 8A hin.
• Dadurch, dass die Längsachsen 2a zumindest einiger Löcher 2 wie figürlich dargestellt derart gegenüber der Folien-Obertläche geneigt sind, dass im Bereich der Brenngas-Zufuhr 8Z, d.h. im Brenngas-Eintrittsbereich die Entrittsöffnung der Löcher 2 zum Brenngas-Eintritt 8Z hin gerichtet ist, ergibt sich eine verbesserte Anströmung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Löcher 2 in dieser Richtung geneigt, jedoch ist es auch möglich, die Ausrichtung der Schräge der Löcher quasi aufzuteilen, so dass nur ein (in der Figur links liegender) Teil der Löcher 2 mit ihrem dem Hohlraum der Kassette 4 zugewandten Ende in Richtung der Brenngas-Zufuhr 8Z und ein (in der Figur rechts liegender) Teil der Löcher 2 mit ihrem dem Hohlraum der Kassette 4 zugewandten Ende in Richtung der Brenngas-Abfuhr 8A ausgerichtet sind. Dadurch wird auch die Abführung der Reaktionsprodukte erleichtert, wobei auch eine Aufteilung der Neigungen der Löcher 2 über der gesamten Breite derart erfolgen kann, dass sich zur Brenngas-Zufuhr 8Z hin gerichtete Löcher und zur Brenngas-Abfuhr 8A hin gerichtete Löcher abwechseln.
• 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 Drahtgestrick 9 oder dgl. angebracht (bspw. angelötet) werden. Entweder durch die genannten Einprägungen oder durch dieses Drahtgestrick 9 kann dann Luft-Sauerstoff zur Kathode (7K) einer in einem nicht dargestellten Brennstoffzel len-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, und/oder zusätzlich über elektrisch an der Oberschale 1 und der Unterschale 3 kontaktierte metallische Drahtgestricke, wie das hier im Hohlraum der Kassette 4 vorgesehene Drahtgewirk 5. Diese Kontaktierung kann dabei mittels Widerstandsschweißen (Rollnaht-, Punkt-, Kondensatorentladungs-Schweißen), Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Löten erfolgen.
• Mit dem vorgeschlagenen Herstellverfahren lässt sich eine Brennstoffzelle äußerst einfach auf für eine Großserie fertigen. Eine bislang übliche Versinterung einer Substratdeckschicht in sich und mit einem Drahtgestrick oder dgl. (Geflecht, Gewebe, Vlies) kann ersatzlos entfallen. Eine vorgeschlagene Kassette zeichnet sich durch relativ geringen Verzug (über den stark variierenden Betriebstemperaturen) aus, womit sich eine Verbesserung der Betriebsbedingungen für die (figürlich nicht dargestellten, in einem Brennstoffzellen-Stack jedoch erforderlichen) Dichtungen ergibt. 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 Trans portwege. 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.
• Es sei noch darauf hingewiesen, dass im Bereich der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7 ein (transversaler) elektrischer Kontakt der Oberschale 1 mit der Unterschale 3 nicht unbedingt notwendig ist, da der Stromfluss in dieser Einzel-Brennstoffzelle ebenso gut lateral über die Oberschale 1 und die Rand-Schweißnaht 6 zur Unterschale 3 erfolgen kann, so dass das im Hohlraum der Kassette 4 figürlich dargestellte Drahtgewirk 5 ggf. entfallen kann, wie überhaupt eine Vielzahl weiterer Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen einer Einzel-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 das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten schrittweise durch ein thermisches Sprühverfahren auf die Folie (1) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) aus einem ggf. passivierten Metallwerkstoff und/oder aus einem Keramikwerkstoff besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Perforation bildenden Löcher (2) in der Folie (1) mittels Laser oder Elektronenstrahl oder Kernspur oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens oder durch Maskieren und Ätzen oder auf mechanischem Weg, bevorzugt mittels Nadelwalze, erzeugt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (2) gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt in die Folie (1) eingebracht werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte oder die zu perforierende, d.h. mit Löchern (2) versehene oder zu versehende Folie (1) mit einer weiteren Struktur (3) zu einer einen Hohlraum aufweisenden sog. Kassette (4) zusammengesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte oder die zu perforierende Folie (1) die sog. Oberschale (1) der Kassette (4) bildet, die mit einer sog. Unterschale (3) gasdicht stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum der Kassette (4) vor deren Zusammenbau mit einem Drahtgewirk (5) oder dgl. befällt wird.