DE19650704C2 - Verbindungselement für Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stapels.

In Brennstoffzellen wird die in dem Brennstoff gespeicherte chemische Energie direkt in elektrische Energie und Wärme umgewandelt. Als Brennstoffe kom­ men beispielsweise reiner Wasserstoff, Methanol oder Erdgas zum Einsatz, die in der Brennstoffzelle mit dem Oxidans, meist reiner oder der in Luft enthalte­ ne Sauerstoff, reagieren. Bei dieser Reaktion wird neben elektrischem Strom und Wärme noch Wasser erzeugt, bei den kohlenstoffhaltigen Brennstoffen zu­ dem Kohlendioxid. Brennstoff und Oxidans werden auch unter dem Begriff Be­ triebsmittel zusammengefaßt.

Die einzelne Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf, zwischen denen der Elektrolyt angeordnet ist. Der Brennstoff wird der Anodenseite, das Oxidans der Kathodenseite der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt, die Reaktionsprodukte werden kontinuierlich abgeführt.

Die verschiedenen Typen von Brennstoffzellen werden gewöhnlich an Hand des verwendeten Elektrolyten eingeteilt. Bei der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC, Abkürzung für Solid Oxide Fuel Cell) wird eine Keramik als Elektrolyt einge­ setzt. Im Gegensatz zu Brennstoffzellen-Typen ist der Elektrolyt der Festoxid- Brennstoffzelle fest. Die Arbeitstemperaturen der Festoxid-Brennstoffzellen lie­ gen im Bereich von ungefähr 600 bis ungefähr 1000°C.

Werkstoffe für die Komponenten der Festoxid-Brennstoffzelle sind überwiegend Keramiken, deren gewünschte elektrische und elektrochemische Eigenschaften durch gezielte Kombination und Verarbeitung der Ausgangsstoffe erreicht wer­ den. Der Elektrolyt ist beispielsweise eine gasdichte Keramikschicht aus Yttri­ um-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (abgekürzt YSZ), das bei den erwähnten Be­ triebstemperaturen zwischen 600 und 1000°C eine hohe Leitfähigkeit für Sau­ erstoffionen besitzt. Im allgemeinen wird für die Anode ein Cermet aus Nickel und YSZ, für die Kathode ein Perowskit auf Basis von Lanthanmanganit ver­ wendet. Die Porosität der beiden Elektrodenschichten muß ausreichend hoch sein, damit bei Betrieb der Brennstoffzelle einerseits immer eine genügend gro­ ße Gasmenge des zu der entsprechenden Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt ge­ langen kann und andererseits die Reaktionsprodukte unbehindert entweichen können.

Ohne Stromfluß baut sich zwischen Anode und Kathode eine Zellspannung von ungefähr 1 V auf. Da dieser Wert für den praktischen Einsatz zu gering ist, werden mehrere Einzelzellen in einem Modul zusammengefaßt und elektrisch in Reihe geschaltet. Dies erfolgt beispielsweise im Flachzellenkonzept dadurch, daß die Einzelzellen in Form von Platten hergestellt und aufeinandergestapelt werden. Zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelzellen ist eine elektrisch lei­ tende Platte, das sogenannte Verbindungselement angeordnet, das die Anode der einen Einzelzelle mit der Kathode der anderen Einzelzelle elektrisch ver­ bindet. Das Verbindungselement ist zudem gasdicht und seine beiden Hauptflä­ chen weisen eine Rippenstruktur auf, so daß zu den Elektroden offene Kanäle gebildet werden. Dadurch werden zwischen Anode und Verbindungselement ei­ nerseits und zwischen Kathode und Verbindungselement andererseits vonein­ ander getrennte Gasräume gebildet, so daß die Anode mit Brennstoff und die Kathode mit Luft versorgt werden kann.

Aus der EP 0 446 680 A1 ist ein Verbindungselement bekannt, das aus drei Teilen besteht, nämlich einer glatten Trennplatte und zwei Stromkollektoren in Form von gewellten Bändern. Auf jeder der beiden Hauptflächen der Trennplat­ te liegt einer der Stromkollektoren. Diese wiederum liegen an den zueinander­ weisenden Elektroden zweier benachbarter Einzelzellen an.

Aus der DE 44 10 711 C1 ist ein einteiliges Verbindungselement bekannt, das dort als Bipolarplatte bezeichnet wird. In jeder der beiden Hauptflächen der Bi­ polarplatte sind mehrere parallele offene Kanäle durchgehend von einem Rand zum gegenüberliegenden Rand ausgebildet. Die Bipolarplatte liegt mit den die Kanäle begrenzenden Stegen an den zueinanderweisenden Elektroden zweier benachbarter Einzelzellen an.

Für eine sichere elektrische Verbindung zwischen Elektrode und Verbindungs­ element ist ein guter Kontakt zwischen Verbindungselement und Elektrode er­ forderlich. Dieser wird dadurch erreicht, daß beispielsweise der ganze Stapel aus Brennstoffzellen und Verbindungselementen großflächig zusammenge­ drückt wird, oder daß die Verbindungselemente und die Elektroden an den ge­ wünschten Kontaktstellen über geeignete Kontaktschichten miteinander ver­ bunden werden.

Zur Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stapels muß dieser von Raumtempe­ ratur auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Diese Temperaturänderung von einigen hundert °C kann zusammen mit der oben erwähnten für die elek­ trische Kontaktierung erforderlichen Preß- oder Klebeverbindung zwischen Verbindungselementen und Einzelzellen zu mechanischen Spannungen führen, die so stark sind, daß die bruchempfindlichen keramischen Einzelzellen zerstört werden. Es ist daher äußerst wichtig, daß die verschiedenen Werkstoffe in ih­ rem Wärmeausdehnungsverhalten aneinander angepaßt sind.

Bisher wurden herkömmliche Hochtemperatur-Legierungen auf Eisen- oder Nickelbasis als Werkstoff für die Herstellung von Verbindungselementen für Festoxid-Brennstoffzellen verwendet. So bestehen gemäß der EP 0 446 680 A1 die Trennplatte und die Stromkollektoren aus einer Eisenbasislegierung mit der Zusammensetzung 20 Gew.-% Cr, 5 Gew.-% Al, 0,4 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% Si, 0,05 Gew.-% C, Rest Fe oder aus einer Nickelbasislegierung mit der Zusam­ mensetzung 16 Gew.-% Cr, 4,5 Gew.-% Al, 3 Gew.-% Fe, Rest Ni; gemäß der DE 44 10 711 C1 besteht die Bipolarplatte aus einer Eisen-Chrom- oder Chrom- Eisen-Legierung, wobei die Oberfläche der Platte (Stirnflächen der Stege und Innenflächen beziehungsweise Wände der Gaskanäle) mit Aluminium angerei­ chert ist, wofür ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich ist. Mit diesen Legierungen ließen sich aber keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielen, da ihre Wärmeausdehnung im Vergleich zu den für die Einzelzellen verwendeten keramischen Werkstoffen viel zu groß ist, so daß eine Anpassung nicht möglich war.

Außerdem ist aus der DE 44 10 711 C1 bekannt, Bipolarplatten aus oxiddisper­ sionsgehärteten (oxid dispersion strengthened, abgekürzt ODS) Legierungen auf Eisenbasis, wie zum Beispiel mit der Zusammensetzung 20 Gew.-% Cr, 5 Gew.-% Al, 0,5 Gew.-% Y₂O₃, Rest Fe, oder auf Chrombasis, wie zum Beispiel mit der Zusammensetzung 5 Gew.-% Fe, 1 Gew.-% Y₂O₃, Rest Cr (abgekürzt Cr5Fe1Y₂O₃), oder aus Keramiken auf Basis von Lanthanchromit (LaCrO₃) herzustellen. Derartige Verbindungselemente sind auf Grund ihres Wärmeaus­ dehnungsverhaltens gut für Stapel aus solchen Festoxid-Brennstoffzellen ge­ eignet, die nach dem sogenannten Folienkonzept aufgebaut sind.

Dieses Folienkonzept besagt, daß die mechanische Stabilität der Einzelzelle hauptsächlich durch den Elektrolyten erfolgt. Der Aufbau einer derartigen Ein­ zelzelle sieht beispielsweise so aus, daß der Elektrolyt eine 100-300 µm dicke, flache, selbsttragende Folie aus dem oben erwähnten YSZ ist, auf deren eine Seite die Anode aus dem oben erwähnten Cermet und auf deren andere Seite die Kathode aus dem oben erwähnten Perowskit in jeweils 50-100 µm dicken Schichten aufgebracht werden. Die Abmessungen derartiger Einzelzellen sind durch ihre mechanische Stabilität und ihre Handhabbarkeit im Herstellungs- und Weiterverarbeitungsprozeß begrenzt. Üblich sind Einzelzellen von 100 × 100 mm². Das Wärmeausdehnungsverhalten dieser Einzelzelle wird vor allem durch die Elektrolytschicht bestimmt, die eine sehr niedrige Wärmeausdehnung besitzt.

Neben dem Folienkonzept wird in jüngerer Zeit auch noch das sogenannte Substratkonzept verfolgt, das besagt, daß nicht der Elektrolyt für die mechani­ sche Stabilität sorgt, sondern eine Substratschicht. Diese kann beispielsweise die Anode sein. Dies ist von Vorteil, da die ohmschen Verluste der Anode gerin­ ger als die der Kathode und sehr viel geringer die des Elektrolyten sind. Die Anode ist beispielsweise 2000 µm dick und mit dieser Dicke auch bei großen Flächen von beispielsweise 250 × 250 mm² noch ausreichend stabil. Auf dieses Anoden-Substrat wird beispielsweise eine nur ungefähr 20 µm dicke Elektrolyt­ schicht und darauf eine ungefähr 50 µm dicke Kathodenschicht aufgebracht.

Es sind auch andere Strukturen möglich, so kann beispielsweise von einer selbsttragenden Substratschicht, die in Hinblick auf die elektrochemischen Abläufe in der Brennstoffzelle keinen Einfluß haben muß, ausgegangen werden, auf der die eigentlichen Brennstoffzellen-Schichten, also Anode, Kathode und Elektrolyt aufgebaut werden. Diese können dann beliebig dünn aufgebracht werden, da sie nicht mehr zur mechanischen Stabilität der Einzelzelle beitragen müssen. Die Substratschicht muß allerdings so beschaffen sein, daß die direkt auf ihr aufgebrachte Elektrode mit genügend Betriebsmittel versorgt werden kann.

Da der Elektrolyt somit beim Substratkonzept viel dünner als beim Folienkon­ zept ist, kann die Betriebstemperatur unter 700°C gesenkt werden. Zwar ist mit der Absenkung der Betriebstemperatur eine Verringerung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten verbunden, dieser Effekt wird aber durch die kürzere Entfernung kompensiert, die die Sauerstoffionen auf ihrem Weg zur Anode durch den Elektrolyten zurücklegen müssen.

Das Wärmeausdehnungsverhalten der Einzelzellen gemäß dem Substratkon­ zept wird vor allem durch das selbsttragende Substrat, im erstgenannten Bei­ spiel also durch die Anode bestimmt. Da dieses aber im Vergleich zu dem Elek­ trolyten, der eine sehr niedrige Wärmeausdehnung besitzt, in der Regel eine höhere Wärmeausdehnung hat, sind die bekannten Verbindungselement- Werkstoffe hier nicht geeignet.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten ODS-Cr-Legierungen besteht zudem darin, daß sich beim Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels auf der Oberfläche des Verbindungselements Deckschichten aus Chromoxid bilden, die in den je­ weiligen Gasraum abdampfen. Dieses abgedampfte Chromoxid kontaminiert die Einzelzellen, vor allem die Kathoden, was ein ernstes Alterungsproblem dar­ stellt.

Außerdem werden ODS-Cr-Legierungen in einem pulvermetallurgischen und somit aufwendigen Verfahren hergestellt und sind daher sehr teuer. Auch ihre gerin­ ge Bruchzähigkeit und die damit verbundenen schlechten Verarbeitungseigen­ schaften sind sehr nachteilig.

Bei den bekannten Keramiken auf Basis von Lanthanchromit sind die hohen Rohstoff und Herstellungskosten sowie die bei den hohen Betriebstemperatu­ ren vorhandene, aber im Vergleich zu den metallischen Werkstoffen nicht zu­ friedenstellende spezifische elektrische Leitfähigkeit wesentliche Nachteile.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungselement zu schaffen, das die mit den bekannten Verbindungselementen verbundenen Nachteile überwin­ det.

Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement gelöst, das aus einem Werk­ stoff aus einer Legierung auf Eisenbasis besteht, die 13 bis 24 Gew.-% Chrom sowie höchstens 3 Gew.-% Mangan und/oder höchstens 2 Gew.-% Aluminium und/oder höchstens 1,5 Gew.-% Silizium aufweist.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement paßt auf Grund des verwendeten Werkstoffs in seinem Wärmeausdehnungsverhalten gut zu den Einzelzellen gemäß dem Substratkonzept, der Werkstoff ist einfach und preisgünstig herzu­ stellen, er besitzt sehr gute Verarbeitungseigenschaften und eine hohe elektri­ sche Leitfähigkeit.

Der erfindungsgemäße Werkstoff ist bei den hohen Betriebstemperaturen be­ ständig. Er widersteht zudem gleichzeitig den Bedingungen auf der Kathoden­ seite, wo beispielsweise eine sehr oxidierende Atmosphäre vorherrscht, und de­ nen der Anodenseite, wo beispielsweise heißer Wasserdampf vorhanden ist. Dies ist deshalb nötig, da das Verbindungselement mit einer Seite den Gasraum der Anode und mit der anderen Seite den Gasraum der Kathode abgrenzt. Au­ ßerdem besitzt er als metallischer Werkstoff eine sehr gute spezifische elektri­ sche Leitfähigkeit.

Zudem verhindert jedes der Legierungselemente Al, Si und Mn, allein oder zu­ sammen mit einem der beiden anderen Legierungselemente oder mit den bei­ den anderen Legierungselementen, die Bildung von reinen Chromoxid- Schichten. Statt dessen werden Deckschichten aus Mischoxiden oder Oxidgemi­ schen gebildet, die eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen und eine extrem verringerte Abdampfung von kontaminierenden Chromoxiden zulassen. Die Brennstoffzellen altern daher wesentlich langsamer.

Ein vorteilhaftes Beispiel für diesen Werkstoff weist einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 12 bis 14 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,7 bis 1,2 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium auf.

Ein weiteres vorteilhaftes Beispiel für diesen Werkstoff weist einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 17 bis 19 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,7 bis 1,2 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium auf.

Ein anderes vorteilhaftes Beispiel für diesen Werkstoff weist einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 23 bis 26 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,2 bis 1,7 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium auf.

Weitere vorteilhafte Zusammensetzungen sowie vorteilhafte Anwendungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Auf Grund seiner thermischen, elektrischen und elektrochemischen Eigenschaf­ ten ist das erfindungsgemäße Verbindungselement besonders für einen Stapel aus Hochtemperatur-Brennstoffzellen geeignet. Dabei wird der Werkstoff be­ vorzugt Betriebstemperaturen von höchstens 900°C ausgesetzt.

Im folgenden werden bevorzugte Einsatzgebiete der Erfindung anhand der bei­ gefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzelle;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine Festoxid-Brennstoffzelle gemäß dem Folienkonzept;

Fig. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine Festoxid-Brennstoffzelle gemäß dem Substratkonzept;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbindungselements;

Fig. 5 ist eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellen-Aggregates, der einen Stapel aus Festoxid- Brennstoffzellen gemäß dem Substratkonzept und Verbindungsele­ menten gemäß Fig. 4 aufweist;

Fig. 6 ist eine entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 geschnittene Detailansicht des Brennstoffzellen-Stapels; und

Fig. 7 ist ein Graph, in dem die relative Wärmeausdehnung verschiedener für Festoxid-Brennstoffzellen und Verbindungselemente verwende­ ter Werkstoffe über der Temperatur aufgetragen ist.

Arbeitsweise und Aufbau von Hochtemperatur-Brennstoffzellen werden nach­ stehend am Beispiel einer mit Wasserstoff und Luft betriebenen Festoxid- Brennstoffzelle näher beschrieben.

Gemäß Fig. 1 bis 3 weist eine Festoxid-Brennstoffzelle 10 eine Anode 12, einen Elektrolyten 14 und eine Kathode 16 auf. Der Elektrolyt 14 ist eine gasdichte Keramikschicht aus YSZ, das aus ZrO₂ mit einem Zusatz von 8 Mol-% Y₂O₃ be­ steht. Die Anode 12 ist aus einem Ni-YSZ-Cermet, das aus den Ausgangsstoffen YSZ, das aus ZrO₂ mit einem Zusatz von 8 Mol-% Y₂O₃ besteht, und NiO her­ gestellt ist. Die Kathode 16 ist aus einem Perowskit auf Basis von Lanthan­ manganit der Zusammensetzung La_0,65Sr_0,30MnO₃. Die beiden Elektroden­ schichten sind gasdurchlässig, so daß bei Betrieb der Brennstoffzelle 10 der Wasserstoff zur Grenzfläche Anode/Elektrolyt und der Luftsauerstoff zur Grenzfläche Kathode/Elektrolyt jeweils in ausreichenden Mengen gelangen und andererseits das Reaktionsprodukt Wasser unbehindert entweichen können.

Die gemäß Fig. 1 an der Grenzschicht Kathode/Elektrolyt aus dem kontinuier­ lich zugeführten Luftsauerstoff erzeugten O^2--Ionen wandern durch den Elek­ trolyten 14 zu der Grenzschicht Anode/Elektrolyt. Dort wird der Wasserstoff oxidiert und reagiert mit den O^2--Ionen zu Wasser, wobei neben der Reaktions­ wärme auch Elektronen freigesetzt werden. Diese fließen über einen zwischen Anode 12 und Kathode 16 geschalteten Verbraucher zurück zur Kathode 16, wo sie neue O^2--Ionen bilden. Das an der Anode 12 entstandene Wasser liegt wegen der hohen Temperaturen als Dampf vor und wird, wie die in ihrem Sauerstoff­ gehalt verringerte Luft, an der Kathodenseite kontinuierlich abgeführt.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer planaren Festoxid-Brennstoffzelle 10 gemäß dem Folienkonzept gezeigt, bei dem die mechanische Stabilität der Einzelzelle 10 durch den Elektrolyten 14 erfolgt. Dieser ist eine 150 µm dicke, flache Folie aus dem oben erwähnten YSZ. Die Anode 12 und die Kathode 16 sind jeweils 50 µm dicke Schichten aus den oben erwähnten Materialien, die beidseitig auf die Elektrolytfolie aufgebracht sind.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Festoxid-Brennstoffzelle 10 gemäß dem Substratkonzept, bei der die gleichen Werkstoffe wie bei der in Fig. 2 gezeigten Festoxid-Brennstoffzelle 10 gemäß dem Folienkonzept verwendet werden. Bei dieser Einzelzelle 10 ist jedoch das tragende Substrat eine 2000 µm dicke Anode 12. Auf dieses Anoden-Substrat wird die Elektrolytschicht mit 20 µm Dicke und darauf die Kathodenschicht mit 50 µm Dicke aufgebracht.

Fig. 4 zeigt ein plattenförmiges Verbindungselement 18, das aus einer erfin­ dungsgemäßen Eisenlegierung mit einem Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlen­ stoff, 17 bis 19 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,7 bis 1,2 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium hergestellt ist.

Der Grundriß des Verbindungselements 18 gleicht im wesentlichen dem der Einzelzellen 10, in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist er qua­ dratisch, er kann aber auch eine andere Form haben. Die beiden quadratischen Hauptflächen 20, 22 des Verbindungselements 18 sind derart gerippt, daß je­ weils mehrere parallele, rillenförmige Kanäle 24 durchgehend von einem Rand des Verbindungselements 18 zum gegenüberliegenden reichen. Dabei verlaufen die Kanäle 24' in der in Fig. 4 sichtbaren oberen Hauptfläche 20 rechtwinklig zu den Kanälen 24" in der gegenüberliegenden unteren Hauptfläche 22.

Das in Fig. 5 gezeigte Brennstoffzellen-Aggregat weist einen Brennstoffzellen- Stapel 26 und vier daran angebrachte Gaskästen auf. Der Brennstoffzellen- Stapel 26 umfaßt zehn Festoxid-Brennstoffzellen 10, von denen jede gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Substratkonzept aufgebaut ist. Bei jeder Einzelzelle 10 liegt die Anode 12 oben, die Kathode 16 unten. Jeweils zwei benachbarte Einzelzel­ len 10 sind durch ein Verbindungselement 18 gemäß Fig. 4 einerseits räumlich voneinander getrennt, andererseits durch dieses mechanisch und elektrisch miteinander verbunden, wie weiter unten näher beschrieben wird. Auf der An­ ode 12 der obersten Einzelzelle 10 und unter der Kathode 16 der untersten Ein­ zelzelle 10 liegt jeweils ebenfalls ein Verbindungselement 18', 18". Das oberste Verbindungselement 18' unterscheidet sich dadurch von den übrigen neun zwi­ schen zwei Einzelzellen 10 liegenden Verbindungselementen 18, daß nur die an der Anode 12 anliegende untere Hauptfläche 22 die Kanäle 24" aufweist, wo­ hingegen die obere, freie Hauptfläche 20' eben ist. Entsprechend unterscheidet sich das unterste Verbindungselement 18" dadurch von den übrigen neun zwi­ schen zwei Einzelzellen 10 liegenden Verbindungselementen 18, daß nur die an der Kathode 16 anliegende obere Hauptfläche 20 die Kanäle 24' aufweist, wo­ hingegen die untere, freie Hauptfläche 22" eben ist. Auf diese freien Hauptflä­ chen 20', 22' ist jeweils eine Stromabnehmerfahne 36 geschweißt, über die der in dem Brennstoffzellen-Stapel 26 erzeugte elektrische Strom abgeführt wird.

An jeder der vier Seitenflächen des Stapels 26 sind Gaskästen 28, 30, 32, 34 luftdicht angebracht, über die die Betriebsmittel jeweils zu- oder abgeführt werden. Der in Fig. 5 vordere Gaskasten 28 dient der Zufuhr von Luft, der hin­ tere Gaskasten 30 der Abfuhr der im Sauerstoffgehalt verringerten Luft. Der in Fig. 5 linke Gaskasten 32 dient der Zufuhr von Wasserstoff, der rechte Gaska­ sten 34 der Abfuhr des Wassers und desjenigen Wasserstoffes, der nicht rea­ giert hat. Die Fugen zwischen den Gaskästen und dem Stapel 26 sind mit Glaslot abgedichtet.

Fig. 6 ist ein Schnitt durch den Brennstoffzellen-Stapel 26 entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 und zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt, wie die Kontaktie­ rung von Anode 12 und Kathode 16 einer Einzelzelle 10 mit dem entsprechen­ den Verbindungselement 18 erfolgt. Die in Fig. 6 linke Seitenfläche des Stapels 26 weist, wie auch in Fig. 5, zum Wasserstoffzufuhrkasten 32.

In Fig. 6 ist einer der von links nach rechts verlaufenden Kanäle 24" in der un­ teren Hauptfläche 22 des oberen Verbindungselements 18 im Längsschnitt ge­ zeigt. Durch diesen Kanal 24" strömt von links Wasserstoff aus dem Wasser­ stoffzufuhrkasten 32 zur Anode 12. Weiter sind in Fig. 6 zwei der von vorn nach hinten verlaufenden Kanäle 24' in der oberen Hauptfläche 20 des unteren Verbindungselements 18 im Querschnitt dargestellt. Durch diese Kanäle 24' strömt von vorne Luft aus dem Luftzufuhrkasten 28 zur Kathode 16.

Die elektrische Kontaktierung der Elektroden 14, 18 mit dem Verbindungsele­ ment 18 erfolgt auf Anodenseite mit Hilfe eines Nickelnetzes 38, das durch Punktschweißen auf den die Kanäle 24"n begrenzenden Stegen 40 an der unteren Hauptfläche 22 des Verbindungselements 18 befestigt ist und durch das Eigen­ gewicht der darüber liegenden Verbindungselementen 18n und Einzelzellen 10 auf die Anode 12 gedrückt wird. Auf der Kathodenseite ist eine Kontaktschicht 42 aus einer Keramik auf Basis von Lanthan-Kobaltit zwischen den Stegen 40n an der oberen Hauptfläche 20 des Verbindungselements 18 und Kathode 16 vorgesehen.

Gemäß Fig. 6 reicht die Kathodenschicht nicht ganz bis zum Rand von Anode 12 und Elektrolyt 14. Vielmehr liegt die Unterseite der Elektrolytschicht um­ laufend frei. Dieser um den gesamten Umfang der Einzelzelle 10 umlaufende zweischichtige Randbereich 44 der Einzelzelle 10 ist von einer Abdichtungs­ masse 46 umschlossen, die aus Alkali-Silikat-Glas mit Zusätzen von MgO und YSZ besteht und schlecht an dem verwendeten Kathodenmaterial haftet. Diese Abdichtung verhindert, wie in Fig. 6 gut zu erkennen ist, daß sich der Wasser­ stoff, der in dem Wasserstoffzufuhrkasten 32 und in dem Kanal 24" über der Anode 12 vorhanden ist, mit dem Sauerstoff in den Kanälen 24' unter der Ka­ thode 16 vermischt. Die Abdichtung haftet außerdem an den äußeren Randbe­ reichen der Stege 40 in der oberen und unteren Hauptfläche 20, 22 der Verbin­ dungselemente 18, so daß Verbindungselemente 18 und Einzelzellen 10 fest miteinander verbunden sind.

Da die beschriebene elektrische Kontaktierung auch eine feste mechanische Verbindung zwischen Verbindungselementen 18 und Einzelzellen 10 mit sich bringt, müssen die verschiedenen Materialien in ihrem Wärmeausdehnungs­ verhalten soweit aufeinander abgestimmt sein, daß es auch bei großen Tempe­ raturänderungen, die beispielsweise beim Ein- und Ausschalten des Brennstoff­ zellen-Aggregates auftreten, nicht zu einer Zerstörung der spröden Einzelzellen 10 kommt.

In dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm ist die relative Wärmeausdehnung ΔL/L₀ als Funktion der Temperatur aufgetragen, die für verschiedene Werkstoffe ge­ messen wurde. Die Differenz zwischen zwei Kurven bei einer gegebenen Tem­ peratur ist ein direktes Maß für die mechanische Spannung, die sich bei Errei­ chen dieser Temperatur zwischen zwei entsprechenden Bauteilen aufbauen würde, wenn sie bei der Ausgangstemperatur von 20°C fest miteinander ver­ bundenen worden wären.

Die Kurve 1 gehört zu einem Verbindungselement 18, dessen Zusammenset­ zung und Aufbau oben in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben ist. Die Kurve 2 gehört zu einer in Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Festoxid- Brennstoffzelle 10 gemäß dem Substratkonzept. Die Kurve 3 gehört zu einem Verbindungselement aus der oben erwähnten bekannten ODS-Cr-Legierung Cr5Fe1Y₂O₃. Die Kurve 4 gehört zu einer in Zusammenhang mit Fig. 2 be­ schriebenen Festoxid-Brennstoffzelle 10 gemäß dem Folienkonzept.

Es ist deutlich zu erkennen, daß einerseits die Kurven 1 und 2 und andererseits die Kurven 3 und 4 gut zueinander passen. Die Kurven 2 und 3 liegen jedoch bereits ab ungefähr 200°C so weit auseinander, daß die resultierende mechani­ sche Spannung die Brennstoffzelle 10 zerstören würde.

Claims (9)

1. Verbindungselement (18) zum elektrischen Verbinden von Brennstoffzel­ len (10) innerhalb eines Brennstoffzellen-Stapels (26), dadurch gekennzeich­ net, daß es aus einem Werkstoff aus einer Legierung auf Eisenbasis besteht, die 13 bis 24 Gew.-% Chrom sowie höchstens 3 Gew.-% Mangan und/oder höch­ stens 2 Gew.-% Aluminium und/oder höchstens 1,5 Gew.-% Silizium aufweist.

2. Verbindungselement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Mangan wenigstens 0,5 Gew.-% beträgt.

3. Verbindungselement (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gehalt an Aluminium wenigstens 0,5 Gew.-% beträgt.

4. Verbindungselement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Silizium wenigstens 0,5 Gew.-% be­ trägt.

5. Verbindungselement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 12 bis 14 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,7 bis 1,2 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium aufweist.

6. Verbindungselement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 17 bis 19 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 0,7 bis 1,2 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium aufweist.

7. Verbindungselement (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff einen Gehalt an 0 bis 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 23 bis 26 Gew.-% Chrom, 0 bis 1 Gew.-% Mangan, 1,2 bis 1,7 Gew.-% Aluminium und 0,7 bis 1,4 Gew.-% Silizium aufweist.

8. Brennstoffzellen-Stapel (26), bei dem zwischen jeweils zwei Brennstoff­ zellen (10) ein Verbindungselement (18) nach einem der vorhergehenden An­ sprüche angeordnet ist und die Brennstoffzellen (10) substratgestützte Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind.

9. Brennstoffzellen-Stapel (26) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff Betriebstemperaturen von höchstens 900°C ausgesetzt ist.