DE10343652B4

DE10343652B4 - Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Substrat und einem Kontaktelement einer Brennstoffzelleneinheit sowie Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE10343652B4
Application number: DE10343652A
Authority: DE
Inventors: Peter Schenk; Hans-Rainer Dr. Zerfaß
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2003-09-20
Filing date: 2003-09-20
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2023-09-21
Also published as: DE10343652A1; US20050121500A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Substrat (122) für mindestens eine Elektrode (132) und einem Kontaktelement (148) einer Brennstoffzelleneinheit (100), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
– Aufbringen eines Gemisches, das ein Lotmaterial, welches ein metallisches Lotpulver, das ein Eisen-Basis-Lotpulver umfaßt, enthält, und ein Bindemittel, welches ein Elastomermaterial und/oder ein Harz enthält, umfaßt, auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122);
– Inkontaktbringen des Substrats (122) und des Kontaktelements (148);
– Verlöten des Substrats (122) und des Kontaktelements (148) durch Erwärmung auf eine Löttemperatur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Substrat für mindestens eine Elektrode und einem Kontaktelement einer Brennstoffzelleneinheit.

Bei der Herstellung von Brennstoffzelleneinheiten für Hochtemperaturbrennstoffzellen wird ein Substrat, beispielsweise aus einem Drahtvlies oder einem Drahtgestrick, verwendet, auf welchem eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit erzeugt wird, in dem beispielsweise mittels eines Vakuumplasmaspritzverfahrens zunächst die Anode, dann der Elektrolyt und abschließend die Kathode aufgespritzt werden. Die einzelnen Spritzschichten sind keramischer Natur, der Elektrolyt ist ein Hochtemperatur-Ionenleiter.

Um den Durchtritt des Brenngases zur Anode durch das Substrat hindurch zu ermöglichen, muß das Substrat einerseits ausreichend porös sein, andererseits aber auch ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, da es als integrierter Träger für die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) dient.

Zwischen dem Substrat und der KEA-Einheit einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit ist ein Kontaktelement in Form einer „bipolaren Platte" angeordnet, über welche im Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle ein Strom von mehreren hundert Ampere fließt, weshalb eine sichere, flächige und gut leitende Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement erforderlich ist.

Es ist aus der DE 198 36 351 A1 bekannt, eine Lötverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement dadurch herzustellen, daß vor dem Zusammenbau der Brennstoffzelleneinheit eine Lötfolie oder ein Siebdruck aus einem Hochtemperaturlot zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement aufgebracht wird. Um ein Verrutschen der Folie während der Handhabung des Substrats und des Kontaktelements zu vermeiden, wird die Lötfolie durch Punktschweißen in ihrer Lage relativ zu dem Kontaktelement fixiert. Danach erfolgt in einem Vakuumofen die Verlötung des Substrats mit dem Kontaktelement.

Bei der Löttemperatur wird das Lot jedoch dünnflüssig, so daß ein Überschuß des Lotmaterials durch Kapillarwirkung in dem Substrat bis zu der dem Kontaktelement abgewandten Oberfläche des Substrats hochsteigt. Hierdurch wird die Gasdurchlässigkeit des Substrats beeinträchtigt.

Die DE 198 41 919 C2 offenbart eine Lötpaste zur Verwendung bei der Herstellung von Brennstoffzellen, wobei die Lötpaste im wesentlichen aus einem metallhaltigen Pulver und Bindemitteln besteht. Das Pulver kann wenigstens ein Metall und/oder wenigstens ein Metalloxid enthalten. Als Metall kommen Eisen, Kupfer, Nickel und Silber in Frage, als Oxid die entsprechenden Oxide dieser Metalle. Außerdem kann das Pulver zusätzlich Titan und/oder Titanhydrid enthalten.

Die DE 693 00 337 T2 offenbart ein mit Parylen beschichtetes Weichlötpulver zum Oberflächenmontagelöten von elektrischen Bauteilen auf Schaltkreisen, wobei die Lötpaste ein Lötpulver, einen harzartigen Bestandteil wie beispielsweise ein Kunstharz, Aktivatoren wie beispielsweise organische Säuren oder Amine, thixotrope Mittel und Lösungsmittel umfaßt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement einer Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, durch welches eine zuverlässige Verlötung des Substrats mit dem Kontaktelement erzielt wird, ohne daß die Funktion des Substrats durch überschüssiges Lotmaterial beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Substrat für mindestens eine Elektrode und einem Kontaktelement einer Brennstoffzelleneinheit gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

– Aufbringen eines Gemisches, das ein Lötmaterial, welches ein metallisches Lotpulver, das ein Eisen-Basis-Lotpulver umfaßt, enthält, und ein Bindemittel, welches ein Elastomermaterial und/oder ein Harz enthält, umfaßt, auf das Kontaktelement und/oder das Substrat;
– Inkontaktbringen des Substrats und des Kontaktelements;
– Verlöten des Substrats und des Kontaktelements durch Erwärmung auf eine Löttemperatur.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt das Konzept zugrunde, das Lotmaterial nicht in reiner Form in Form einer Lötfolie, sonder statt dessen in verdünnter Form in einem Gemisch, das neben dem Lotmaterial ein Bindemittel, welches ein Elastomermaterial und/oder ein Harz enthält, umfaßt, auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufzubringen.

Durch die Wahl des Anteils des Lotmaterials an dem Gemisch läßt sich die auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufgebrachte Lotmaterialmenge in einfacher Weise so einstellen, daß eine ausreichende Verlötung zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement stattfindet, ohne daß überflüssiges Lot bei der Erwärmung auf die Löttemperatur durch Kapillarwirkung in dem Substrat aufsteigt.

Der Anteil des Lotmaterials an dem Gemisch läßt sich auf jeden beliebigen Wert einstellen.

Durch das Bindemittel, welches ein Elastomermaterial und/oder ein Harz enthält, wird erreicht, daß das Gemisch zum einen eine streich- und/oder fließfähige Konsistenz aufweist, so daß es einfach auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufgebracht werden kann, und zum anderen eine ausreichend hohe Viskosität aufweist, um ein Absetzen des Lotmaterials in dem Gemisch zu verhindern.

Ferner haftet das Gemisch an dem Kontaktelement und/oder an dem Substrat an, ohne daß ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Fixierung des Lotmaterials an dem Kontaktelement bzw. an dem Substrat erforderlich ist, so wie etwa das Anschweißen der Lötfolie bei dem bekannten Lötverfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen dem Substrat für die KEA-Einheit und einem Kontaktelement einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Bindemittel einen Acrylatkautschuk und/oder ein Acrylatharz enthält.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Gemisch neben dem Lotmaterial und dem Bindemittel noch ein Lösungsmittel umfaßt.

Als Lösungsmittel kann insbesondere Butoxyl verwendet werden.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Gemisch in Form einer Paste auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufgebracht wird.

Der Auftrag des Gemisches kann insbesondere durch Aufspritzen, Gießen, Walzen oder Rakeln auf das Kontaktelement und/oder das Substrat erfolgen.

Die Menge des aufgebrachten Gemisches und damit die Menge des aufgebrachten Lotmaterials kann weiter dadurch reduziert werden, daß das Gemisch nicht über die gesamte Oberfläche des Kontaktelements bzw. des Substrats hinweg aufgetragen wird, sondern nur über Teilbereiche dieser Flächen, welche ein beliebig vorgebbares Auftragsmuster bilden.

Um ein solches beliebig vorgebbares Auftragsmuster erzeugen zu können, kann insbesondere vorgesehen sein, daß das Gemisch durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere durch ein Siebdruck-, Schablonendruck- oder Tampondruckverfahren, auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufgebracht wird.

Um die aufgebrachte Lotmenge möglichst gering zu halten, wird das Gemisch vorzugsweise derart auf das Kontaktelement und/oder das Substrat aufgebracht, daß an dem Kontaktelement bzw. an dem Substrat keine zusammenhängende Schicht aus dem Gemisch entsteht.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Lotmaterial ein Hochtemperatur-Metalllot enthält, vorzugsweise ganz aus dem Hochtemperatur-Metalllot besteht.

Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Lotmaterial ganz aus dem Lotpulver besteht.

Um das Eindringen von überschüssigem Lotmaterial in das Substrat zu vermeiden, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Anteil des Lotmaterials an dem Gemisch höchstens ungefähr 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 50 Gewichtsprozent, beträgt.

Andererseits hat es sich zur Erzielung einer mechanisch stabilen und elektrisch ausreichend leitfähigen Verbindung zwischen dem Substrat und dem Kontaktelement als günstig erwiesen, wenn der Anteil des Lotmaterials an dem Gemisch mindestens ungefähr 10 Gewichtsprozent beträgt.

Das verwendete Substrat umfaßt vorzugsweise ein Metalldrahtgestrick, ein Metalldrahtgewebe, ein Metalldrahtgeflecht, ein Metalldrahtvlies und/oder einen aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln gebildeten porösen Körper.

Der verwendete Metalldraht kann beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl gebildet sein, insbesondere aus dem Stahl mit der Werkstoff-Nr. 1.4742 (nach SEW 470), welcher folgende Zusammensetzung aufweist: 0,08 Gewichtsprozent C, 1,3 Gewichtsprozent Si, 0,7 Gewichtsprozent Mn, 18,0 Gewichtsprozent Cr, 1,0 Gewichtsprozent Al, Rest Eisen.

Alternativ hierzu kann der verwendete Metalldraht beispielsweise aus dem Werkstoff Crofer 22 gebildet sein, welcher folgende Zusammensetzung aufweist: 22 Gewichtsprozent Cr, 0,6 Gewichtsprozent Al, 0,3 Gewichtsprozent Si, 0,45 Gewichtsprozent Mn, 0,08 Gewichtsprozent Ti, 0,08 Gewichtsprozent La, Rest Fe. Dieser Eisenlegierungs-Werkstoff wird von der Firma Thyssen Krupp VDM GmbH, Plettenberger Str. 2, 58791 Werdohl, Deutschland, vertrieben.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Substrat im wesentlichen aus dem Metalldrahtgestrick, Metalldrahtgewebe, Metalldrahtgeflecht, Metalldrahtvlies und/oder aus dem aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln gebildeten porösen Körper besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß das Kontaktelement eine bipolare Platte umfaßt.

Besonders günstig ist, wenn das Kontaktelement nicht nur zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Substrat einer Brennstoffzelleneinheit und der KEA-Einheit einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit dient, sondern zugleich einen Gehäuseteil eines Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit bildet.

Ferner kann vorgesehen sein, daß das Kontaktelement mit einem Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit im wesentlichen gasdicht verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet wird.

Auch das Substrat wird vorzugsweise längs seines Randes mit einem Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit im wesentlichen gasdicht verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet.

Das Verlöten des Substrats und des Kontaktelements erfolgt vorzugsweise unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre.

Anspruch 19 ist auf eine Brennstoffzelleneinheit gerichtet, die ein Substrat, eine auf einer Seite des Substrats angeordnete Elektrode und ein auf der der Elektrode abgewandten Seite des Substrats angeordnetes Kontaktelement umfaßt, das mit dem Substrat durch ein Lotmaterial gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verlötet ist, wobei die dem Kontaktelement abgewandte Oberfläche des Substrats im wesentlichen frei von dem Lotmaterial ist.

Durch die Abwesenheit von Lotmaterial an der Elektrodenseite des Substrats ist es insbesondere möglich, eine gleichmäßige Beschichtung des Substrats mit dem Elektrodenmaterial zu erzielen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einem schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit, einem mit einem Rand des Substrats verschweißten Gehäuseoberteil und einem mit der Unterseite des Substrats verlöteten Gehäuseunterteil.
Eine in 1 schematisch dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzelleneinheit umfaßt ein Gehäuse 102, welches aus einem Gehäuseunterteil 104 und einem Gehäuseoberteil 106 zusammengesetzt ist.
Das Gehäuseunterteil 104 ist als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zu einer Stapelrichtung 108 ausgerichtete Platte 110, welche an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 108 umgebogenen Randflansch 112 übergeht.
Das Gehäuseoberteil 106 ist ebenfalls als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 108 ausgerichtete Platte 114, die an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 108 umgebogenen, zu dem Gehäuseunterteil 104 weisenden und den Randflansch 112 des Gehäuseunterteils 104 übergreifenden Randflansch 116 übergeht.
Der Randflansch 116 des Gehäuseoberteils 106 ist längs einer umlaufenden Schweißnaht 118 gasdicht mit dem Randflansch 112 des Gehäuseunterteils 104 verbunden.
Das Gehäuseoberteil 106 und das Gehäuseunterteil 104 sind vorzugsweise aus einem nicht-rostenden Chrom-Nickel-Stahl hergestellt.
Das Gehäuseoberteil 106 weist eine im wesentlichen rechteckige Durchtrittsöffnung 120 auf, in welche ein im wesentlichen quaderförmiges Substrat 122 eingesetzt ist.
Das Substrat 122 kann beispielsweise als ein Metallgestrick, Metallgewebe, Metallgeflecht, ein Metallvlies und/oder als ein aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln bestehender poröser Körper ausgebildet sein.
Das Substrat 122 weist einen längs der Ränder des Substrats 122 umlaufenden Randbereich 124 auf, welcher den an die Durchtrittsöffnung 120 angrenzenden Bereich des Gehäuseoberteils 106 übergreift und von oben flächig an dem Gehäuseoberteil 106 anliegt.
Der Randbereich 124 des Substrats 122 ist durch einen Schweißvorgang, beispielsweise durch Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Buckelschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen, gasdicht mit dem metallischen Material des Gehäuseoberteils 106 verbunden. Durch den Schweißvorgang wird in dem Randbereich 124 des Substrats 122 eine gasdichte Zone 126 gebildet, welche sich über die gesamte Höhe des Randbereichs 124 hindurch erstreckt und eine sich längs des gesamten Umfangs des Substrats 122 erstreckende gasdichte Barriere bildet.
An der Oberseite 128 des Substrats 122 ist eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 130 angeordnet, welche eine direkt an der Oberseite 128 des Substrats 122 angeordnete Anode 132, einen über der Anode 132 angeordneten Elektrolyten 134 und eine über dem Elektrolyten 134 angeordnete Kathode 136 umfaßt.
Die Anode 132 ist aus einem bei der Betriebstemperatur elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus ZrO₂ oder aus einem Ni-ZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), gebildet, welches porös ist, um einem durch das Substrat 122 hindurch gelangenden Brenngas den Durchtritt durch die Anode 132 zu dem an die Anode 132 angrenzenden Elektrolyten 134 zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 134 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Kathode 136 ist aus einem bei der Betriebstemperatur elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und weist eine Porosität auf, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 136 angrenzenden Oxidationsmittelraum 138 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 134 zu ermöglichen.
Der gasdichte Elektrolyt 134 erstreckt sich über den Rand der gasdurchlässigen Anode 132 und über den Rand der gasdurchlässigen Kathode 136 hinaus und liegt mit seiner Unterseite direkt auf der Oberseite 140 des Randbereichs 124 des Substrats 122 auf. Dieser direkt auf dem Substrat 122 angeordnete Außenbereich 142 des Elektrolyten 134 erstreckt sich zum Rand des Substrats 122 hin soweit nach außen, daß er die gasdichte Zone 126 überdeckt und somit der von dem Innenbereich des Substrats 122 und dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuseunterteil 104 und dem Gehäuseoberteil 106 gebildete Brenngasraum 143 der Brennstoffzelleneinheit 100 gasdicht von dem über dem Elektrolyten 134 liegenden Oxidationsmittelraum 138 getrennt ist.
Die Unterseite 144 des Substrats 122 ist mit der Oberseite 146 des Gehäuseunterteils 104 verlötet, um eine mechanische und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Substrat 122 und dem Gehäuseunterteil 104 herzustellen.
Zur Montage eines Brennstoffzellenstapels werden mehrere der vorstehend beschriebenen Brennstoffzelleneinheiten 100 längs der Stapelrichtung 108 aufeinander gestapelt, wobei jedes Gehäuseunterteil 104 einer Brennstoffzelleneinheit 100 in elektrisch leitendem Kontakt mit der Kathode 136 der in der Stapelrichtung 108 darunter angeordneten, benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 steht.
Das Gehäuseunterteil 104 jeder Brennstoffzelleneinheit 100 dient also als sogenannte „bipolare Platte" oder „Interkonnektorplatte" und somit als Kontaktelement 148, durch welches die KEA-Einheiten 130 längs der Stapelrichtung 108 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 100 in elektrisch leitendem Kontakt miteinander stehen.
Im Betrieb der aus dem Stapel der Brennstoffzelleneinheiten 100 gebildeten Brennstoffzellenvorrichtung weist die KEA-Einheit 130 jeder Brennstoffzelleneinheit 100 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 850° C auf, bei welcher der Elektrolyt 134 für Sauerstoffionen leitfähig ist. Das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 138 nimmt an der Kathode 136 Elektronen auf und gibt zweiwertige Sauerstoffionen an den Elektrolyten 134 ab, welche durch den Elektrolyten 134 hindurch zur Anode 132 wandern. An der Anode 132 wird das Brenngas aus dem Brenngasraum 143 durch die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten 134 oxidiert und gibt dabei Elektronen an die Anode 132 ab.
Das Kontaktelement 148 jeder Brennstoffzelleneinheit 100 dient dazu, die bei der Reaktion an der Anode 132 frei werdenden Elektronen von der Anode 132 über das Substrat 122 abzuführen und der Kathode 136 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 die für die Reaktion an der Kathode 136 benötigten Elektronen zuzuführen.
Über das Substrat 122 und das als Kontaktelement 148 dienende Gehäuse 104 der Brennstoffzelleneinheit 100 fließt daher im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ein Strom mit einer Stromstärke von mehreren hundert Ampere, weshalb eine sichere, flächige und gut leitende Verbindung zwischen dem Substrat 122 und dem Gehäuseunterteil 104 erforderlich ist.
Diese elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Substrat 122 und dem Gehäuseunterteil 104 wird wie folgt hergestellt: Zunächst wird aus einer geeigneten Lotlegierung ein Lotpulver hergestellt.
Zusammensetzungen geeigneter Hochtemperatur-Lotlegierungen sind beispielsweise in der DE 44 43 430 A1 angegeben. In der genannten Druckschrift sind insbesondere die folgenden Zusammensetzungen für Lotlegierungen angegeben:
Zusammensetzung 1: 0 bis 35 Gewichtsprozent Cr, 0 bis 10 Gewichtsprozent Si, 0 bis 3 Gewichtsprozent B, 0 bis 6 Gewichtsprozent Co, 0 bis 5 Gewichtsprozent P, 0 bis 15 Gewichtsprozent Fe, 0 bis 8 Gewichtsprozent der Summe der Elemente Ti, Zr, Nb, V, Hf, W, Mo, 0 bis 5 Gewichtsprozent Al, 0 bis 2 Gewichtsprozent der Elemente Ce, La, Sr, Rest Ni;
Zusammensetzung 2: 10 bis 35 Gewichtsprozent Cr, 8 bis 35 Gewichtsprozent Ni, 0 bis 10 Gewichtsprozent Si, 0 bis 5 Gewichtsprozent B, 0 bis 6 Gewichtsprozent Co, 0 bis 10 Gewichtsprozent P, 0 bis 6 Gewichtsprozent der Summe der Elemente Ti, Zr, Nb, Ta, V, Hf, W, Mo, 0 bis 5 Gewichtsprozent Al, 0 bis 8 Gewichtsprozent der Summe der Elemente Ce, La, Sr, Rest Fe;
Zusammensetzung 3: 0 bis 35 Gewichtsprozent Cr, 8 bis 35 Gewichtsprozent Ni, 0 bis 10 Gewichtsprozent Si, 0 bis 6 Gewichtsprozent B, 0 bis 6 Gewichtsprozent P, 0 bis 8 Gewichtsprozent der Elemente Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, V, W, Mo, 0 bis 5 Gewichtsprozent Al, 0 bis 8 Gewichtsprozent der Summe der Elemente Ce, La, Sr, Rest Co;
Zusammensetzung 4: 0 bis 10 Gewichtsprozent Cr, 0 bis 18 Gewichtsprozent Ni, 0 bis 6 Gewichtsprozent der Elemente Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, V, Mo, Al, Rest Au;
Zusammensetzung 5: 0 bis 5 Gewichtsprozent Cr, 0 bis 40 Gewichtsprozent Ni, 0 bis 10 Gewichtsprozent Au, 0 bis 5 Gewichtsprozent der Summe der Elemente Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, V, Mo, Rest Pd.
Ferner kann als geeignetes Lotpulver insbesondere das Hartlotpulver verwendet werden, das von der Firma HTK Hamburg GmbH, Woelckenstraße 11, D-22393 Hamburg, Deutschland, unter der Bezeichnung „AM5 4777 Braze Powder" vertrieben wird.
Dieses Lotpulver weist die folgende Zusammensetzung auf: 7,0 Gewichtsprozent Cr, 3,0 Gewichtsprozent Fe, 4,5 Gewichtsprozent Si, 3,0 Gewichtsprozent B, Rest Ni.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann als Lotpulver auch ein Eisen-Basislot-Pulver verwendet werden, das die folgende Zusammensetzung aufweist: 5,0 Gewichtsprozent Si, 4,0 Gewichtsprozent B, Rest Fe.
Ein solches Eisen-Basislot-Pulver kann von der Firma Wesgo Ceramics GmbH, Willi-Grassner-Str. 11, 91056 Erlangen, Deutschland, bezogen werden.
Das Lotpulver wird mit einem Bindemittel, beispielsweise einem Acrylatkautschuk und/oder einem Acrylatharz, und einem Lösungsmittel, beispielsweise Butoxyl, zu einer Paste angerührt.
Im folgenden werden beispielhaft vier Rezepturen einer solchen Lotpaste angegeben: Rezeptur 1:

Lotpulver (beispielsweise AMS 4777 Braze Powder) 9 Gewichtsteile

Lösung von 10 Gewichtsprozent Acrylatkautschuk in 90 Gewichtsprozent Butoxyl 10 Gewichtsteile
Als Acrylatkautschuk kann insbesondere der Acrylatkautschuk verwendet werden, welcher von der Firma Zeon Europe GmbH, Niederkasseler Lohweg 177, D-40547 Düsseldorf, Deutschland, unter der Bezeichnung „Nipol AR 12" vertrieben wird.
In dieser Rezeptur beträgt der Anteil des Lotpulvers an dem Lotpasten-Gemisch ungefähr 47 Gewichtsprozent. Rezeptur 2:

Lotpulver (beispielsweise AMS 4777 Braze Powder) 6 Gewichtsteile;

Lösung von 10 Gewichtsprozent Acrylatkautschuk in 90 Gewichtsprozent Butoxyl 40 Gewichtsteile
Als Acrylatkautschuk kann insbesondere der Acrylatkautschuk verwendet werden, welcher unter der Bezeichnung „Nipol AR 12" von der Firma Zeon Europe GmbH vertrieben wird.
Der Anteil des Lotpulvers an dem Lotpasten-Gemisch beträgt bei dieser Rezeptur ungefähr 13 Gewichtsprozent. Rezeptur 3:

Lotpulver (beispielsweise AMS 4777E Braze Powder) 8 Gewichtsteile;

Lösung von 10 Gewichtsprozent Acrylatkautschuk in 90 Gewichtsprozent Butoxyl 20 Gewichtsteile
Als Acrylatkautschuk kann insbesondere der Acrylatkautschuk verwendet werden, der unter der Bezeichnung „Nipol AR 12" von der Firma Zeon Europe GmbH vertrieben wird.
Der Anteil des Lotpulvers an dem Lotpasten-Gemisch beträgt bei dieser Rezeptur ungefähr 29 Gewichtsprozent. Rezeptur 4:

Lotpulver (beispielsweise AMS 4777 F Braze Powder) 200 Gewichtsteile;

Lösung von 20 Gewichtsprozent Acrylharz in 80 Gewichtsprozent Butoxyl 50 Gewichtsteile
Als Acrylharz kann insbesondere das Acrylharz verwendet werden, das unter der Bezeichnung Paraloid B-67 100 % von der Firma Rohm and Haas (UK) Limited, Lenning House, 2 Masons Avenue, Croydon, Surrey, CR9 3NB, Großbritannien, vertrieben wird.
Diese Rezeptur ist insbesondere für den Auftrag durch Aufspritzen auf das Kontaktelement und/oder das Substrat geeignet.
Bei allen vier Rezepturen wird vorzugsweise ein Lotpulver verwendet, das Partikel bis zu einer Größe von höchstens ungefähr 110 μm aufweist.
Ein solches Lotpulver kann durch Sieben mit einem Sieb der Siebgröße Mesh 140 hergestellt werden.
Ferner kann bei allen vorstehend genannten Rezepturen ein, vorzugsweise silikonfreier, Polymerentschäumer in einem Anteil von beispielsweise ungefähr 0,5 Gewichtsprozent bis ungefähr 1 Gewichtsprozent der Lotpaste hinzugefügt werden. Ein geeigneter Polymerentschäumer, der eine Lösung eines Polyacrylats enthält, wird beispielsweise unter der Bezeichnung „Byk 051" von der Firma BYK-Chemie, Abelstr. 45, D-46462 Wesel, Deutschland, vertrieben.
Die auf die beschriebene Weise hergestellte Lotpaste wird auf die Oberseite 146 des Gehäuseunterteils 104 und/oder auf die Unterseite 144 des Substrats 122 aufgetragen.
Der Auftrag der Lotpaste kann dabei beispielsweise durch Aufwalzen, Rakeln, Aufspritzen und/oder Gießen der Lotpaste erfolgen.
Die Menge der aufgebrachten Lotpaste kann dadurch reduziert werden, daß die Lotpaste nicht über die gesamte Oberseite des Gehäuseunterteils 146 bzw. nicht über die gesamte Unterseite 144 des Substrats 122 hinweg aufgetragen wird, sondern nur über Teilbereiche einer dieser Flächen oder beider Flächen, welche ein beliebig vorgebbares Auftragsmuster bilden.
In einem solchen beliebig vorgebbaren Auftragsmuster kann die Lotpaste beispielsweise durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere durch ein Siebdruck-, Schablonendruck- oder Tampondruckverfahren, aufgebracht werden.
Als besonders geeignet hat sich ein Siebdruckverfahren erwiesen, welches unter Verwendung von Sieben T12 bis T18 (mit einer Maschenweite von ungefähr 300μm bis ungefähr 700 μm) aus Polyestergewebe durchgeführt wird.
Um die aufgebrachte Lotmenge möglichst gering zu halten, wird die aufgetragene Menge des Lotpasten-Gemisches vorzugsweise so bemessen, daß an der Oberfläche, auf welche die Lotpaste aufgetragen wird, keine zusammenhängende Schicht aus der Lotpaste entsteht, sondern lediglich eine Ansammlung von untereinander nicht verbundenen Lotpasten-Agglomeraten.
Nach dem Auftragen des Lotpasten-Gemisches auf das Gehäuseunterteil 104 bzw. auf das Substrat 122 wird das Substrat 122 in die Durchtrittsöffnung 120 des Gehäuseoberteils 106 eingesetzt und in Kontakt mit dem Gehäuseunterteil 104 gebracht.
Anschließend wird das aufgebrachte Lotpasten-Gemisch einem Trocknungsvorgang bei einer Temperatur im Bereich von etwa 80° C bis ungefähr 120° C während einer Trocknungszeit von beispielsweise ungefähr 10 Minuten unterzogen.
Nach dem Trocknungsvorgang wird der Randbereich 124 des Substrats 122 mit dem Gehäuseoberteil 106 verschweißt und das Gehäuseoberteil 106 mit dem Gehäuseunterteil 104 verschweißt.
Danach erfolgt die Verlötung des Substrats 122 mit dem Gehäuseunterteil 104 unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter einer Argon- oder Stickstoff- Atmosphäre.
Zum Verlöten wird die das Substrat 122 und das Gehäuseunterteil 104 umfassende Baugruppe in einem Ofen auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 1.100° C erwärmt, bei welcher das Lotpulver flüssig wird.
Durch die Wahl des richtigen Gewichtsanteils des Lotpulvers an dem Lotpasten-Gemisch und durch die Wahl der Auftragsmenge des Lotpasten-Gemisches ist dabei gewährleistet, daß eine ausreichende Verlötung des Substrats 122 mit dem Gehäuseunterteil 104 stattfindet, ohne daß überflüssiges Lot durch Kapillarwirkung in dem porösen Substrat 122 zu dessen Oberseite 128 hin aufsteigt.
Das fertig verlötete Substrat 122 weist daher kein Lotmaterial an oder in der Nähe seiner Oberseite 128 auf.
Nach dem Verlöten von Substrat 122 und Gehäuseunterteil 104 wird dann die KEA-Einheit 130 an der Oberseite 128 des Substrats 122, beispielsweise durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren, erzeugt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung zwischen einem Substrat (122) für mindestens eine Elektrode (132) und einem Kontaktelement (148) einer Brennstoffzelleneinheit (100), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Aufbringen eines Gemisches, das ein Lotmaterial, welches ein metallisches Lotpulver, das ein Eisen-Basis-Lotpulver umfaßt, enthält, und ein Bindemittel, welches ein Elastomermaterial und/oder ein Harz enthält, umfaßt, auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122); – Inkontaktbringen des Substrats (122) und des Kontaktelements (148); – Verlöten des Substrats (122) und des Kontaktelements (148) durch Erwärmung auf eine Löttemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel einen Acrylatkautschuk und/oder ein Acrylatharz enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ein Lösungsmittel umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel Butoxyl enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in Form einer Paste auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch Aufspritzen, Gießen, Walzen oder Rakeln auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch ein Musterdruckverfahren, insbesondere durch ein Siebdruck-, Schablonendruck- oder Tampondruckverfahren, auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch derart auf das Kontaktelement (148) und/oder das Substrat (122) aufgebracht wird, daß an dem Kontaktelement (148) bzw. an dem Substrat (122) keine zusammenhängende Schicht aus dem Gemisch entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotmaterial ein Hochtemperatur-Metalllot enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Lotmaterials an dem Gemisch höchstens ungefähr 60 Gewichtsprozent, vorzugsweise weniger als 50 Gewichtsprozent, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Lotmaterials an dem Gemisch mindestens ungefähr 10 Gewichtsprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Metalldrahtgestrick, Metalldrahtgewebe, Metalldrahtgeflecht, ein Metalldrahtvlies und/oder einen aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln gebildeten porösen Körper umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (148) eine bipolare Platte umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (148) einen Gehäuseteil (104) eines Gehäuses (102) der Brennstoffzelleneinheit (100) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (148) mit einem Gehäuseteil (106) der Brennstoffzelleneinheit (100) im wesentlichen gasdicht verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (122) längs seines Randes mit einem Gehäuseteil (106) der Brennstoffzelleneinheit (100) im wesentlichen gasdicht verbunden, insbesondere verschweißt und/oder verlötet, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlöten des Substrats (122) und des Kontaktelements (148) unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere unter einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre, erfolgt.
Brennstoffzelleneinheit, umfassend ein Substrat (122), eine auf einer Seite (128) des Substrats (122) angeordnete Elektrode (132) und ein auf der der Elektrode (132) abgewandten Seite (144) des Substrats (122) angeordnetes Kontaktelement (148), das mit dem Substrat (122) durch ein Lotmaterial gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 verlötet ist, wobei die dem Kontaktelement (148) abgewandte Oberfläche (128) des Substrats (122) im wesentlichen frei von dem Lotmaterial ist.