DE19649457C1 - Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle - Google Patents
Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Verfahren zum Herstellen einer Hochtemperatur-BrennstoffzelleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Brenn
stoffzelle und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Hoch
temperatur-Brennstoffzelle.
Die Komponenten einer planar aufgebauten Hochtemperatur-
Brennstoffzelle bzw. eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-
Stapels werden aus technischen Gründen mittels eines Glas
lotes zusammengefügt. Die Verwendung eines Glaslotes ergibt
sich aus der Forderung nach einer sogenannten "schwimmenden
Lagerung". Dabei muß das Glaslot bei Abkühl- und Aufheizvor
gängen, wie z. B. beim Abkühlen von der Löttemperatur beim Zu
sammenfügen auf die Betriebstemperatur oder beim Aufheizen
beim Einschaltvorgang auf die Betriebstemperatur, eine aus
reichend niedrige Viskosität aufweisen. Eine niedrige Visko
sität bedeutet mit anderen Worten eine hohe Fließfähigkeit.
Dadurch werden mechanische Spannungen in der Hochtemperatur-
Brennstoffzelle vermindert, welche durch unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten der die Hochtemperatur-
Brennstoffzelle zusammensetzenden Komponenten bedingt sind.
Das Glaslot befindet sich beim Betrieb der Hochtemperatur-
Brennstoffzelle somit in einem aufgeweichten Zustand.
Bei dem aus einer Vielzahl von Hochtemperatur-Brennstoffzel
len sich zusammensetzenden Hochtemperatur-Brennstoffzellen
stapel, in der Fachliteratur wird ein Brennstoffzellenstapel
auch "Stack" genannt, liegen unter einer oberen Verbundlei
terplatte, welche den Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel
abdeckt, der Reihenfolge nach wenigstens eine Schutzschicht,
eine Kontaktschicht, eine Elektrolyt-Elektroden-Einheit, eine
weitere Kontaktschicht, wenigstens eine weitere Schutz
schicht, eine weitere Verbundleiterplatte usw. aufeinander.
Die Elektrolyt-Elektroden-Einheit umfaßt dabei zwei Elektro
den und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten
Festelektrolyten. Die Verbundleiterplatten innerhalb des
Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels sind als bipolare
Platten ausgeführt. Diese sind im Gegensatz zu der jeweils am
Ende des Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels angeordneten
Verbundleiterplatte auf beiden Seiten mit gasführenden Kanä
len für die Versorgung der Festelektrolyt-Elektroden-Einheit
mit jeweils einem Betriebsmittel, z. B. Wasserstoff und Sau
erstoff, versehen.
Dabei bilden jeweils ein zwischen den benachbarten Verbund
leiterplatten liegende Elektrolyt-Elektroden-Einheit mit den
beidseitig an der Elektrolyt-Elektroden-Einheit unmittelbar
anliegenden Kontaktschichten, und den an den Kontaktschichten
anliegenden Seiten jeder der beiden Verbundleiterplatten zu
sammen eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Dieser und wei
tere Typen von Brennstoffzellen sind beispielsweise aus dem
"Fuel Cell Handbook" von A. J. Appleby und F. R. Foulkes,
1989, Seiten 440 bis 454, bekannt.
Zwei wesentliche Anforderungen an das Zusammenfügen der Kom
ponenten zur Hochtemperatur-Brennstoffzelle sind die ausrei
chende elektrische Isolierung der Verbundleiterplatten gegen
einander, und zugleich die Ausbildung einer guten elektri
schen Kontaktierung zwischen jeweils einer Seite der Elektro
lyt-Elektroden-Einheit und einer Verbundleiterplatte.
Als problematisch beim Zusammenfügen der Komponenten der
Hochtemperatur-Brennstoffzelle erweist sich, daß diese unter
schiedliche Toleranzen und unterschiedliche thermische Aus
dehnungskoeffizienten aufweisen. Die unterschiedlichen Tole
ranzen entstehen beispielsweise durch mechanische Spannungen
oder durch Dickeschwankungen. Unterschiedliche thermische
Ausdehnungskooffizienten sind durch die für die Komponenten
eingesetzten verschiedenen Werkstoffe bereits vorgegeben.
Eine unzureichende Kontaktierung begrenzt die Querleitfähig
keit der Elektrolyt-Elektroden-Einheit. Dadurch werden die
kontaktierten Flächen überlastet und altern bereits frühzei
tig.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei einer hohen Be
triebstemperatur der Hochtemperatur-Brennstoffzelle von bei
spielsweise 950°C an den Oberflächen der Komponenten Reaktio
nen mit dem Oxidanten, beispielsweise Sauerstoff oder Luft
aus der Umgebung, und dem Brenngas, beispielsweise Wasser
stoff, Methan oder Erdgas, unvermeidbar sind.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hochtemperatur-
Brennstoffzellen werden Geflechte aus Nickel für die elektri
sche Kontaktierung zwischen der metallischen Verbundleiter
platte und der Anodenseite der Elektrolyt-Elektroden-Einheit
verwendet. Beim Aufheizen auf die Löttemperatur zum Zusam
menfügen von beispielsweise 1000°C setzt sich bereits bei ei
ner niedrigeren Temperatur, z. B. bei 850°C, bei entsprechend
niedriger Viskosität des Glaslotes die Hochtemperatur-Brenn
stoffzelle bis zur vollständigen Kontaktierung ab. Das Ge
flecht wird demzufolge zwischen den Stegen der Verbundleiter
platte und der Elektrolyt-Elektroden-Einheit eingeklemmt.
Bei der Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Brennstoffzelle
ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Nickels größer
als derjenige der metallischen Verbundleiterplatte, welche
beispielsweise aus CrFe5Y2O3 1 besteht, bzw. der Elektrolyt-
Elektroden-Einheit. Damit dehnt sich das Geflecht stärker aus
als die Verbundleiterplatte bzw. die Elektrolyt-Elektroden-
Einheit. Dadurch wird eine Verbiegung des Geflechts aus Nic
kel verursacht, was zu einer partiellen Trennung der Kontakte
zwischen dem Geflecht und der metallischen Verbundleiterplat
te bzw. der Anodenseite der Elektrolyt-Elektroden-Einheit
führt. Die Ausbildung eines Oxidfilmes an der Oberfläche der
Verbundleiterplatte führt ebenfalls zu einem erhöhten Serien
widerstand, was zugleich zu einer Reduzierung der elektrisch
en Stromdichte führt.
Außerdem ist aus den Schriften DE 42 37 602 A1 und
DE 39 22 673 C2 jeweils eine Funktionsschicht bekannt, die
zwischen Elektrode und Verbundleiterplatte (hier bipolare
Platte) angeordnet ist und den elektrischen Kontakt zwischen
den beiden verbessert. In der DE 43 40 153 C1 ist dazu ein
elektrisch leitendes, elastisches und gasundurchlässiges Kon
taktkissen mit einer verformbaren Oberflächenstruktur vorge
sehen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Hochtem
peratur-Brennstoffzelle anzugeben, welche eine erhöhte elek
trische Stromdichte im Vergleich zu den aus dem Stand der
Technik bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen aufweist.
Außerdem soll ein Verfahren zum Herstellen einer solchen
Hochtemperatur-Brennstoffzelle angegeben werden.
Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
durch eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit wenigstens ei
ner metallischen Verbundleiterplatte, die auf einer Oberflä
che parallel zueinander verlaufende Stege aufweist, auf denen
ein Geflecht so angeordnet ist, daß wenigstens ein Flechtfa
den des Geflechts schräg zu den Kanten der Stege angeordnet
ist.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst
durch ein Verfahren zum Herstellen einer Hochtemperatur-
Brennstoffzelle mit wenigstens einer metallischen Verbundlei
terplatte, die auf einer Oberfläche parallel zueinander ver
laufende Stege aufweist, auf denen ein Geflecht so angeordnet
ist, daß wenigstens ein Flechtfaden des Geflechts schräg zu
den Kanten der Stege angeordnet ist, wobei das Geflecht durch
Schweißen auf der metallischen Verbundleiterplatte befestigt
wird.
Bei dieser Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird die elektri
sche Stromdichte um ungefähr 30 bis 50% von 600 bis 800
mA/cm2 auf 1000 bis 1300 mA/cm2 erhöht. Da die Flechtfäden
nicht mehr, wie aus dem Stand der Technik bekannt, senkrecht
oder parallel zu den Stegen angeordnet sind, werden die un
terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ge
flechts, der metallischen Verbundleiterplatte und der Elek
trolyt-Elektroden-Einheit weitgehend durch eine Querverbie
gung der Flechtfäden kompensiert. Durch diese Verformung wird
der Kontakt zwischen der Verbundleiterplatte und der Elektro
lyt-Elektroden-Einheit nicht beeinträchtigt. Außerdem wird
die Anzahl der Knoten des Geflechts für den elektrischen Kon
takt aufgrund dieser Anordnung gegenüber den aus dem Stand
der Technik bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen erhöht,
was ebenfalls zu einer Erhöhung der elektrischen Stromdichte
beiträgt.
Um die gleiche Ausgangsleistung wie für einen aus dem Stand
der Technik bekannten Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel
zu erhalten, werden 30 bis 50% weniger Hochtemperatur-Brenn
stoffzellen benötigt.
Vorzugsweise ist der Winkel β zwischen den Flechtfäden und
den Kanten der Stege zwischen 35° und 55° groß. Durch die
Wahl dieses Winkelbereiches wird die Anzahl der Knoten maxi
miert und demzufolge eine hohe Stromdichte erzielt. Außerdem
ist eine ausreichende Durchlässigkeit des Geflechts für das
Betriebsgas gegeben.
Insbesondere ist der Winkel β ungefähr 45° groß.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Winkel α zwischen den
Flechtfäden größer 90°. Durch die Verwendung eines Geflechts,
bei dem die Flechtfäden nicht rechtwinklig zueinander ange
ordnet sind, wird die elektrische Stromdichte ebenfalls er
höht.
Insbesondere ist der Querschnitt der Flechtfäden kreisförmig.
Dadurch wird eine kostengünstige Realisierung des Geflechts
erreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Querschnitt der
Flechtfäden rechtwinklig. Durch das rechtwinklig gewählte
Profil wird die Kontaktfläche zu der metallischen Verbundlei
terplatte bzw. der Anodenseite der Elektrolyt-Elektroden-Ein
heit vergrößert.
Vorzugsweise wird das Geflecht durch Elektronenstrahlschwei
ßen, Laserschweißen oder Diffusionsschweißen befestigt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den
Unteransprüchen wiedergegeben.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh
rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Hochtemperatur-Brennstoff
zelle in perspektivischer Darstellung und
Fig. 2 einen Flechtfaden eines Geflechts in perspektivischer
Darstellung.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 über
einander angeordnet eine metallische Verbundleiterplatte 4,
wenigstens eine nicht weiter dargestellte Schutzschicht, ein
Geflecht 6 und eine nicht weiter dargestellte Elektrolyt-
Elektroden-Einheit, wobei die Anodenseite der Elektrolyt-
Elektroden-Einheit auf der dem Geflecht 6 zugewandten Seite
angeordnet ist.
Auf einer Oberfläche 8 der metallischen Verbundleiterplatte
4, wobei diese aus einer Chrombasislegierung besteht, sind
gasführende Kanäle 10 parallel zueinander angeordnet. Die
gasführenden Kanäle 14 führen dabei ein Betriebsmittel, bei
spielsweise Wasserstoff (H2), für die Versorgung der Anoden
seite der Elektrolyt-Elektroden-Einheit. Die gasführenden Ka
näle 10 sind jeweils durch Stege 12 voneinander getrennt.
Werden mehrere Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2 zu einem
Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt, und
befindet sich dabei die Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 in
nerhalb des Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels angeord
net, so ist die metallische Verbundleiterplatte 4 als bipo
lare Platte ausgeführt. Dabei ist die nicht näher dargestell
te Unterseite der metallischen Verbundleiterplatte 4 in
gleicher Weise wie die Oberfläche 8 strukturiert.
Über die Stege 12 wird eine elektrisch leitende Verbindung
mit der Anode der Elektrolyt-Elektroden-Einheit erreicht.
Das Geflecht 6, welches auf der Oberfläche 9 der Stege 12 der
metallischen Verbundleiterplatte 4 zum Herstellen des elek
trischen Kontaktes zwischen der Verbundleiterplatte 4 und der
Anode der Elektrolyt-Elektroden-Einheit angeordnet ist, setzt
sich aus den Flechtfäden 14, 16 zusammen. Das Geflecht ist da
bei zusammenhängend und überbrückt die zwischen den Stegen 12
angeordneten Kanäle 10.
Das Geflecht 6 wird dabei so auf der Verbundleiterplatte 6
angeordnet, daß die Flechtfäden 14, 16 schräg zu den Kanten 20
der Stege 12 verlaufen. Bei den aus dem Stand der Technik be
kannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen verlaufen die Flecht
fäden 14, 16 parallel oder senkrecht zu den Kanten der Stege.
Demgegenüber wird bei der vorliegenden Anordnung des Ge
flechts 6 auf der Verbundleiterplatte 4 die Anzahl der Knoten
24 auf der Oberfläche 9 der Stege 12 erhöht. Dadurch entste
hen mehr Kontaktpunkte zwischen der Verbundleiterplatte 4 und
der Elektrolyt-Elektroden-Einheit, wodurch eine erhöhte elek
trische Stromdichte erreicht wird.
Vorzugsweise wird der Winkel β 22 zwischen den Flechtfäden 16
und den Kanten 20 der Stege 12 zwischen 35° und 55° groß ge
wählt. Dadurch wird die Anzahl der Knoten 24 des Geflechts 6
auf den Stegen 12 weitgehend maximiert und zugleich die Größe
der Kontaktfläche der Flechtfäden 14, 16 mit der Oberfläche 9
der Stege 12 optimiert. Vorzugsweise wird der Winkel β 22 un
gefähr 45° groß gewählt. Bei nicht weiter dargestellten Ge
flechten, welche aus wenigstens zwei Flechtfäden gewebt sind,
verlaufen nicht alle Flechtfäden schräg zu den Kanten 20 der
Stege 12.
Der Winkel α 18, der von den Flechtfäden 14 und 16 einge
schlossen ist, wird dabei größer 90°, bevorzugt zwischen 120°
und 150°, gewählt. Durch diese Maßnahme wird die elektrische
Stromdichte ebenfalls erhöht.
In Fig. 2 ist ein einzelner Flechtfaden 14, 16 dargestellt.
Dieser Flechtfaden 14, 16 weist dabei einen rechtwinkligen
Querschnitt 30 auf. Durch den rechtwinkligen Querschnitt 30
wird die Kontaktfläche zwischen den Flechtfäden 14, 16 und der
Oberfläche 9 der Stege 12 ebenfalls vergrößert. In nicht wei
ter dargestellten Ausführungsformen ist der Querschnitt 30
quadratisch oder kreisförmig ausgeführt. Durch diese Ausfüh
rungsformen werden die Kosten für das Geflecht 6 gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Geflechten verrin
gert. Außerdem kann die Dicke der Flechtfäden 14, 16 auch un
terschiedlich ausgeführt sein.
Die Flechtfäden 14, 16 bestehen aus Nickel (Ni) oder aus einer
hochwarmfesten Legierung, wobei diese Legierung einen thermi
schen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der angenähert denen
der metallischen Verbundleiterplatte 4 und der Elektrolyt-
Elektroden-Einheit ist. Durch diese Maßnahme weisen das Ge
flecht 6, die metallische Verbundleiterplatte 4 und die Elek
trolyt-Elektroden-Einheit bei der Betriebstemperatur der
Hochtemperatur-Brennstoffzelle 2 ein ähnliches Ausdehnverhal
ten auf.
Zum Befestigen des Geflechts 6 auf den Stegen 12 werden
Schweißverfahren angewendet. Dabei bieten sich bevorzugt das
Elektronenschweißen, das Laserschweißen und das Diffusions
schweißen an.
Claims (15)
1. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) bestehend aus einer
Elektroden-Elektrolyt-Einheit und wenigstens einer metalli
schen Verbundleiterplatte (4), die auf der der Elektrolyt-
Elektroden-Einheit zugewandten Oberfläche (8) parallel zuein
ander verlaufende Stege (12) aufweist, auf denen ein Geflecht
(6) so angeordnet ist, daß ein Flechtfaden (14, 16) des Ge
flechts (6) schräg zu den Kanten (20) der Stege (12) angeord
net ist.
2. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, bei
der der Winkel β (22) zwischen den Flechtfäden (16) und den
Kanten (20) der Stege (12) zwischen 35° und 55° groß ist.
3. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, bei
der der Winkel β (22) bevorzugt ungefähr 45° groß ist.
4. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, bei der der Winkel α (18) zwischen den
Flechtfäden (14) und den Flechtfäden (16) größer 90° ist.
5. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, bei
der der Winkel α (18) bevorzugt zwischen 120° und 150° groß
ist.
6. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt (30) der Flechtfä
den (14, 16) kreisförmig ist.
7. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der Ansprü
che 1 bis 5, wobei der Querschnitt (30) der Flechtfäden (14,
16) rechtwinklig ist.
8. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 7, wobei
der Querschnitt (30) der Flechtfäden (14, 16) quadratisch
ist.
9. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, bei der die Dicke der Flechtfäden (14)
von der Dicke der Flechtfäden (16) verschieden ist.
10. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, bei der die Flechtfäden (14, 16) aus Nic
kel (Ni) bestehen.
11. Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) nach einem der Ansprü
che 1 bis 9, bei der die Flechtfäden (14, 16) aus einer hoch
warmfesten Legierung bestehen, welche einen thermischen Aus
dehnungskoeffizienten angenähert dem der metallischen Ver
bundleiterplatte (4) aufweist.
12. Verfahren zum Herstellen einer Hochtemperatur-Brennstoff
zelle (2), die aus einer Elektrolyt-Elektroden-Einheit und
wenigstens einer metallischen Verbundleiterplatte (4) be
steht, wobei die Verbundleiterplatte (4) auf der der Elektro
den-Elektrolyt-Einheit zugewandten Oberfläche (8) parallel
zueinander verlaufende Stege (12) aufweist, auf denen ein Ge
flecht (6) so angeordnet ist, daß wenigstens ein Flechtfaden
(14, 16) des Geflechts (6) schräg zu den Kanten (20) der Ste
ge (12) angeordnet ist, wobei das Geflecht (6) durch Schwei
ßen auf der metallischen Verbundleiterplatte (4) befestigt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Geflecht (6) durch
Elektronenstrahlschweißen befestigt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Geflecht (6) durch
Laserschweißen befestigt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Geflecht (6) durch
Diffusionsschweißen befestigt wird.
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| WO2000010217A3 (de) * | 1998-08-11 | 2000-05-11 | Siemens Ag | Hochtemperatur-brennstoffzelle mit nickelnetz auf der anodenseite und hochtemperatur-brennstoffzellenstapel mit einer solchen zelle |
| WO2000010214A3 (de) * | 1998-08-11 | 2000-06-02 | Siemens Ag | Hochtemperatur-brennstoffzelle mit nickelnetz und hochtemperatur- brennstoff- zellenstapel mit einer solchen zelle |
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-
1996
- 1996-11-28 DE DE19649457A patent/DE19649457C1/de not_active Expired - Fee Related
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