DE19718687A1 - Brennstoffzellenanordnung zur Erhöhung der Spannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, beispielsweise bekannt aus "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokio".

Eine einzelne Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.

Brennstoffzellen lassen sich in verschiedene Typen un­ terteilen. Bekannt ist beispielsweise die sogenannte SOFC-Brennstoffzelle.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtempera­ tur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxi­ dationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser­ stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro­ nen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie­ lung großer Leistungen mechanisch und elektrisch mit­ einander zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel verbunden.

Ein verbindendes Element zweier Brennstoffzellen in ei­ nem Brennstoffzellenstapel ist aus DE 196 098 813 unter der Bezeichnung "bipolare Platte" bekannt. Dem vorge­ nannten Stand der Technik ist zu entnehmen, daß bei ho­ hen Betriebstemperaturen thermische Ausdehnungen sowie chemische Wechselwirkungen Probleme bereiten.

Der Elektrolyt einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle be­ steht regelmäßig aus ZrO₂-Keramik. Diese Keramik weist einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von etwa 10.10^-6 1/K auf. Andere Teile der Hochtemperatur-Brenn­ stoffzelle, wie die Stromableiter und die verbindenden Elemente zwischen den einzelnen Brennstoffzellen werden u. a. aus Metall gefertigt, damit eine ausreichende Stromleitfähigkeit vorhanden ist. Temperaturbeständige Metalle weisen in der Regel einen höheren Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten von ca. 14.10^-6 bis 18.10^-6 1/K auf. Es ist dann problematisch, die notwendigen gasdichten Verbindungen zwischen den Metallen und den verwendeten Keramiken zu gewährleisten. Es sind schließlich starke Temperaturschwankungen von 200 bis 1000°C und folglich große mechanische Spannungen an den Fügestellen sowie in den Bauteilen zu verkraften.

Um die thermisch bedingten mechanischen Spannungen im Stapel zu vermeiden, werden bipolare Platte aus Metal­ len mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, die im wesentlichen aus Chrom mit 5% Eisen und 1% Yttritriumoxyd bestehen. Die Temperaturbeständigkeit der Metalle sind jedoch unbefriedigend. Außerdem ist der Werkstoff aufgrund seiner pulvermetallurgischen Herstellung sehr teuer.

Zur Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten an den Koef­ fizienten von ZrO₂ wird daher auch versucht, bipolare Platten aus Keramik mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizi­ enten einzusetzen. Nachteilig bei Keramiken ist die schlechte elektrische Leitfähigkeit, die zu relativ ho­ hen Leistungsverlusten in einem Zellenstapel führen.

Ein weiteres Problem stellt bei der geringen Zellspan­ nung die sehr hohe Stromstärke einer einzelnen großen Zelle dar. Bei einer Zellenfläche von z. B. 25 cm × 25 cm beträgt die Stromstärke etwa 300 A.

Die Spannung wird durch Reihenschaltung von einzelnen Zellen mittels Zellstapelung erhöht. Die Stromstärke eines solchen Zellenstapels ist unverändert hoch. Somit ist weiterhin eine aufwendige bzw. verlustreiche Strom­ ableitung bei nahezu 1000°C gegeben. Durch eine Zelle mit höherer Zellspannung und somit verringert er Strom­ stärke könnten diese Verluste vermindert werden.

Die Zellspannung nimmt im Prinzip mit der Länge der Zelle ab. Verantwortlich hierfür ist die Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum bzw. die Ab­ nahme der Brenngaskonzentration im Anodenraum mit zu­ nehmender Zellenlänge, da die Zellspannung eine Funk­ tion der Gasbestandteile ist. Am Eingang einer großen Zelle ist demnach theoretisch die Zellspannung höher als am Ausgang dieser Zelle. Bei der üblichen Verbin­ dung der Zellen zu einem Zellenstapel mit einer großen leitenden Verbindungsplatte wird diese unterschiedliche Zellspannung zu einer mittleren Zellspannung ausgegli­ chen. Insgesamt ist dies mit einer Verminderung der Zelleistung verbunden.

Aus der Druckschrift "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokio" ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Brenn­ stoffzellen besteht. Die Brennstoffzellen sind mittels verbindender Elemente, die hier Interkonnektoren ge­ nannt werden, gestapelt sowie elektrisch in Reihe ge­ schaltet. Die Stapelung ergibt ein Rohr, welches aus einer Mehrzahl an Brennstoffzellen mit vergleichsweise kleinen Grundflächen besteht.

Einen Brennstoffzellenstapel aus vielen Brennstoffzel­ len (Segmenten) mit vergleichsweise kleinen Flächen aufzubauen, hat zur Folge, daß keine hohen elektrischen Stromstärken erzeugt werden. Die angesprochenen Leistungsverluste infolge von gemittelten Spannungswer­ ten bei großflächigen Brennstoffzellen treten praktisch nicht auf. Jede einzelne Brennstoffzelle ist relativ bruchsicher. Zerstörerisch wirkende thermische Spannun­ gen zwischen Elektrolytschichten und darauf angebrach­ ten Elektroden werden aufgrund der kleinen statischen Kontaktflächen wesentlich vermindert.

Die vorgenannte Vorrichtung weist eine relativ große Anzahl verbindender Elemente auf. Zwischen den verbin­ denden Elementen und den rohrförmigen Brennstoffzellen­ segmenten treten nachteilhaft entsprechend häufiger thermische Spannungen auf.

Gasdichte Verbindungen zwischen den rohrförmigen Brenn­ stoffzellen (Segmente) und den verbindenden Elementen sind erforderlich, um den Anoden- vom Kathodenraum zu trennen. Möglichst geringe Fertigungstoleranzen müssen daher eingehalten werden.

Um den Fertigungsaufwand in Grenzen zu halten, dürfen verbindende Elemente sowie Brennstoffzellensegmente keine komplexen Formen aufweisen. Hierdurch wird die Formenvielfalt nachteilhaft eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenn­ stoffzellenstapels, bei dem die thermische Spannungen, Leistungsverluste und Stromstärken gering gehalten wer­ den werden können, eine große Formenvielfalt und gas­ dichte Verbindungen zwischen Brennstoffzellen und ver­ bindenden Elementen kostengünstig möglich sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezoge­ nen Ansprüchen.

Die Problemlösung erfolgt durch Auftrennen der üblichen "großen" Einzelzelle in einzelne Segmente, die mitein­ ander mittels eines Klebstoffs verklebt werden. Jedes einzelne Segment stellt letztlich wieder eine normale Brennstoffzelle dar, die jedoch hier bewußt relativ klein gehalten und deshalb Segment genannt wird. Mit­ tels der Segmente lassen sich daher bei gleicher Ge­ samtleistung die Stromstärke deutlich unter die ein­ gangs genannten 300 Ampère vermindern.

Unter Klebstoff ist jeder nichtmetallische Werkstoff zu verstehen, der zwei Bauteile einer Hochtemperaturbrenn­ stoffzelle fest miteinander verbindet, ohne ihr Gefüge zu verändern.

Der verwendete Klebstoff stellt je nach Anwendungsfall einen elektrischen Isolator oder Leiter dar. Die elek­ trische Reihenschaltung erfolgt erforderlichenfalls mittels eines aus Metall bestehenden Drahtes. Der Draht ist erforderlich, wenn die Reihenschaltung nicht durch den Kleber bewirkt wird. Er ist ferner erforderlich, wenn eine feste, das heißt starre Verbindung zwischen einem Teil des Brennstoffzellenstapels und dem strom­ führenden elektrischen Leiter vorliegt, der die Reihen­ schaltung zweier Brennstoffzellen bewirkt. Der Draht stellt dann den elektrischen Leiter dar.

Beispiele für eine starre Verbindung sind eine geklebte oder eine gelötete Verbindung zwischen dem (dann als Draht vorliegenden) elektrischen Leiter und einem Teil des Brennstoffzellenstapels.

Neben der Stromführung bewirkt das Vorsehen eines Drah­ tes, daß z. B. nur kleine, starr miteinander verbundene Kontaktflächen zwischen dem elektrischen Leiter und den Elektroden vorliegen. Es können dann praktisch keine zerstörerisch wirkenden thermischen Spannungen zwischen dem elektrischen Leiter und den hiermit fest verbunde­ nen Teilen eines Brennstoffzellenstapels auftreten.

Fertigungstoleranzen stellen kein Problem dar, da le­ diglich geklebt wird. Auch lassen sich kostengünstig viele verschiedene (auch komplexe) Formen durch geeig­ netes Zusammenkleben realisieren.

Ein Segment im Sinne des Anspruchs liegt insbesondere dann vor, wenn durch ein Segment ein Strom von maximal 50 Ampère, insbesondere von 10 Ampère erzeugt werden kann. Kann pro cm² Brennstoffzellenfläche ein maximaler Strom von 1 Ampère erzeugt werden, so entsprechen die vorgenannten Werte einer Grundfläche von 50 cm² bzw. 10 cm² pro Segment.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Kanten zweier Segmente miteinander verklebt. So wird die zu verklebende Fläche minimiert. Je kleiner die zu verklebende Fläche ist, desto geringer sind die auftretenden thermisch bedingten Spannungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung wird der Draht zwischen den verklebten Flächen bzw. Kanten hindurchgeführt. So ist es auf einfache Weise möglich, die Segmente gasdicht zusammenzufassen. U. a. kann dann die eine Seite der gasdicht zusammenge­ faßten Segmente, an der die Anoden angebracht sind, ei­ nem Schutzgas ausgesetzt werden, ohne daß die andere, hiervon gasdicht getrennte Seite mit den daran be­ festigten Kathoden betroffen ist. Die Seite mit den Ka­ thoden darf nämlich regelmäßig keinem Schutzgas wie Stickstoff oder Argon ausgesetzt werden, da dann die üblicherweise als Kathodenmaterial vorgesehenen Vertre­ ter der Perowskitgruppe vom Typ ABO₃ zerfallen würden.

Durch die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung kann nun ohne Zerstörung der Kathodenmaterialien z. B. der anspruchsgemäße Draht an den Anoden in einer Schutz­ gasatmosphäre durch Hochtemperaturlöten einfach und zu­ verlässig befestigt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente rohr- oder konusförmig ausgestaltet. Sind dann die Kanten der konus- oder rohrförmigen Segmente miteinander gasdicht verklebt und werden erforderli­ chenfalls Drähte durch die Klebestellen hindurchge­ führt, so entsteht im Inneren der Rohre oder Konusse ein gasdicht abgeschirmter Raum. Durch diesen Raum kann problemlos Schutzgas geleitet werden, ohne daß die Außenwand hiervon betroffen ist und umgekehrt. Darüber hinaus können die Betriebsmittel ohne zusätzliche Dich­ tungen getrennt an den jeweiligen Elektroden entlangge­ leitet werden.

In einer weiteren Ausfürungsform der Erfindung sind Segmente plattenförmig ausgestaltet und insbesondere an den Kanten miteinander verklebt. Durch die Klebestelle werden Drähte geführt, um so die Segmente elektrisch in Reihe zu schalten. Insgesamt kann die Verklebung mehre­ rer, kleiner, plattenförmiger Segmente zu einer großen Platte von z. B. 25 cm.25 cm führen. Diese große Platte erzeugt bei vergleichbarer Leistung einen Strom von deutlich weniger als die eingangs genannten 300 Ampère.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Drahtstück gegen die zugehörige Elektrode gepreßt oder gedrückt, um so den elektrischen Kontakt zu bewirken. Dies kann mittels einer Feder geschehen, um thermische Spannungen zu vermeiden. Alternativ wird z. B. ein rohrförmiges Segment von einem Spannring ein­ geschlossen. Das Material des Spannrings weist einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das rohrförmige Element. Ein Stück des Drahtes befindet sich zwischen Spannring und rohrförmigem Element.

Wird die vorgenannte Anordnung auf Betriebstemperatur gebracht, so wird der Draht (die Drähte) aufgrund der entsprechend gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizi­ enten der jeweiligen Materialien gegen die Außenwand des rohrförmigen Segmentes und damit gegen die dort be­ findliche Elektrode gepreßt. Bei dieser handelt es sich z. B. um eine Kathode, die aus einem Perowskiten vom Typ ABO₃ besteht. Die Innenwand wird zumindest überwie­ gend durch Anoden gebildet, an denen jeder zugehörige Draht vorzugsweise festgelötet ist.

Ein Drahtstück kann auch in gleichwirkender Weise gegen die Anode durch ein innen befindliches Rohr oder zylin­ derförmiges Element gepreßt werden, wenn dieses einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als das rohrförmige Segment aufweist.

Ein rohrförmiges Segment weist bei einer weiteren Aus­ führungsform eine selbstragende, rohrförmige Elektrode auf, auf der eine mehrfach dünnere Elektrolytschicht aufgebracht ist. Auf der Elektrolytschicht ist dann eine weitere Elektrode aufgebracht.

Dünne Elektrolytschichten können schnell von den Sauer­ stoffionen passiert werden. Daher sollten diese im Bei­ spielsfall sowie auch bei den übrigen Ausführungsformen der Erfindung maximal 50 µm, vorzugsweise maximal 20 µm dick sein.

Das an einem Beispiel verdeutlichte Prinzip, mittels unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten ein Drahtstück durch Aufheizen auf Betriebstemperaturen an eine Elektrode zu pressen, ist nicht auf diese spe­ zielle Ausgestaltung beschränkt, sondern entsprechend übertragbar.

Vorteilhaft ist die Verbindung zwischen einem an eine Elektrode gepreßten Drahtstück und der Elektrode regel­ mäßig nicht starr. Es treten dann keine thermischen Spannungen auf. In einem solchen Fall ist es zwar u. U. zweckmäßig, jedoch nicht mehr notwendig, den elektri­ schen Leiter im Bereich der Elektrode drahtförmig zu gestalten.

Die geschilderten Maßnahmen zum rohrförmigen Segment zur Erzielung der geschilderten Wirkungen sind insbe­ sondere auch auf konusförmige Segmente entsprechend übertragbar.

Eine Kombination verschieden geformter Segmente ist i. a. problemlos möglich.

Bei den anspruchsgemäßen Vorrichtungen bzw. beschriebe­ nen Ausführungsformen sind die Stromstärken gering und die Spannungen hoch. Leistungsabfälle aufgrund von ge­ mittelten Spannungen treten praktisch nicht auf. Das Problem bezüglich thermischer Spannungen ist aufgrund durchweg kleiner statisch, also fest miteinander ver­ bundenen Kontaktflächen wesentlich verringert worden. Es sind im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik aufgrund möglicher kleiner Abmessungen vorteil­ haft nur geringe Form- und Maßtoleranzen einzuhalten.

Die anspruchsgemäße Verbindung ermöglicht auf einfache Weise eine große Formenvielfalt. So kann beispielsweise eine Rohrform kostengünstig aus mehreren, kleinen plat­ tenförmigen Brennstoffzellen-Segmenten gebildet werden.

Thermische Spannungen an den Verbindungsstellen zwi­ schen den aneinander geklebten Brennstoffzellen-Segmen­ ten sind aufgrund kleiner statisch miteinander verbun­ denen Kontaktflächen gering und wirken sich unabhängig von der gewählten Ausgestaltung praktisch nicht zerstö­ rerisch aus. Die miteinander verklebten Kontaktflächen sind auf einfache Weise gasdicht miteinander verbunden.

Als Klebstoff ist insbesondere ein Stoff auszuwählen, der die in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle herr­ schenden Temperaturen und Atmosphären verträgt. Der Klebstoff muß bei Temperaturen verbinden, die die zu verklebenden Materialien nicht zerstören. Der thermi­ sche Ausdehnungskoeffizient des Klebers sollte an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien angepaßt sein, die zu verkleben sind.

Als Klebstoff ist aus vorgenannten Gründen Glaslot ge­ eignet. Ein Glaslot verbindet in der Regel bei Tempe­ raturen von 900°C. Die zu verklebenden Materialien werden daher nicht den besonders zerstörerisch wirken­ den Temperaturen oberhalb von 1000°C ausgesetzt. Glas­ lot weist regelmäßig geeignete thermische Ausdehnungs­ koeffizienten auf. Glaslot verhält sich darüber hinaus vorteilhaft plastisch und ist auch aus diesem Grunde verhältnismäßig unempfindlich gegenüber thermischen Spannungen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. l bis 4 nebst zugehöriger Beschreibungen weiter erläu­ tert.

Die Fig. 1 zeigt die Verbindung von drei Brennstoff­ zellen-Segmenten, die aus dicken Anodenschichten 1, mehrfach dünneren Elektrolytschichten 2 sowie dünnen Kathodenschichten 3 bestehen.

Die drei Segmente sind an ihren Kanten (Stirnflächen) mittels eines elektrisch nicht leitenden Glaslotes 4 an­ einander geklebt. Metalldrähte 5 schalten die Segmente elektrisch in Reihe. Die Drähte 5 sind durch den Kleb­ stoff 4 hindurchgeführt.

Die gezeigte Anordnung weist somit nun nicht mehr eine Betriebsspannung von ca. 0,7 V, sondern von 3 × 0,7 V = 21 V auf. Entsprechend wird die Stromstärke bei gleicher Gesamtleistung auf 1/3 reduziert.

Durch die Aufteilung einer Fläche in drei miteinander verklebte Segmente ist es nicht mehr erforderlich, daß die ganze Zelle, d. h. im vorliegenden Fall jedes Zel­ lensegment, die gleiche Spannung erzeugt. Vielmehr kann sich bei Abnahme der Gaskonzentration entlang der Seg­ mente eine unterschiedliche Spannung einstellen. Am An­ fang, also wie in der Fig. 1 angedeutet im Bereich des Gaseintrittes (hier: H₂, O₂) kann eine höhere Spannung entstehen als am Ende. Eine Leistungseinbuße der gesam­ ten Anordnung durch den Spannungsausgleich über eine bipolare Platte ist nicht mehr gegeben.

Die jeweiligen Stromableiter an der Anode und der Ka­ thode eines Elektrolyten müssen keine gute Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, da die Abmes­ sungen relativ klein sind. Die Materialspannungen in zwei fest miteinander verbundenen Bauteilen bei Tempe­ raturänderung sind nämlich u. a. von der Bauteilabmes­ sung abhängig.

Die elektrische Verbindung von der Kathode 3 des einen Segments zur Anode 1 des anderen Segments, d. h. die Reihenschaltung, erfolgt über einen Draht 5 oder meh­ rere dünne Drähte 5, die in ihren Durchmessern so klein gewählt sind, daß nur verträgliche Materialspannungen im Verbindungswerkstoff entstehen. So ist z. B. der Drahtdurchmesser ≦ 1 mm zur Vermeidung von thermisch bedingten Spannungen regelmäßig geeignet.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann in einer modifi­ zierten, aber im wesentlichen gleichwirkenden Ausfüh­ rungsform einen durchgehenden Elektrolyten mit Löchern an den Positionen 4 aufweisen, durch die die Drähte 5 geführt werden. Die Anoden 1 und Kathoden 3 sind dann unverändert in drei Segmente eingeteilt. Zur Fixierung und Abdichtung des Kathodenraumes gegenüber dem Anoden­ raum sind die Löcher mit einem Kleber 4 verschlossen.

Fig. 2 zeigt im Schnitt röhrenförmige Segmente. Neben den bereits in Fig. 1 gezeigten Elementen sind gemäß Fig. 2 Lötverbindungen 6 vorgesehen, die die Drähte 5 mit den Stirnflächen (Kanten) von Anoden 1 verbinden. Die aus Al₂O₃ bestehenden Spannringe 7 weisen einen ge­ ringeren Ausdehnungskoeffizienten auf, als die rohrför­ migen Segmente. Diese dehnen sich bei Aufheizen auf Be­ triebstemperatur stärker aus als die Spannringe 7. Folglich werden die zwischen Spannringen 7 und Kathoden 3 befindlichen Stücke der Drähte 5 (erst) im Betriebs­ zustand gegen die Anoden gepreßt. Wird die Brennstoff­ zelle wieder abgekühlt, so lockert sich die Preßverbin­ dung und thermische Spannungen werden vermieden.

Bei der vorbeschriebenen Preßverbindung bewirken Drähte 5 die erforderliche Querleitfähigkeit der Kathoden 3.

Da bei der Ausführungsform mit dem Preßring 7 keine statische Verbindung vorliegt, thermische Spannungen zwischen dem die Reihenschaltung bewirkenden elektri­ schen Leiter 5 und einer Kathode 3 somit nicht entste­ hen können, ist es hier nicht wesentlich, auf kleine Kontaktflächen zwischen elektrischem Leiter 5 und Elek­ troden 3 zu achten. Daher kann in diesem Bereich statt eines Drahtes auch ein flächenförmiger elektrischer Leiter vorgesehen werden. Der flächenförmige elektri­ sche Leiter geht in eine Drahtform über, sobald ein Durchgang durch den Klebstoff 4 oder eine Lötstelle 6 betroffen ist und damit eine feste (statische) Verbin­ dung vorliegt.

Die in Fig. 2 gezeigten rohrförmigen Segmente weisen einen Durchmesser sowie eine Länge von 2 cm auf. Die Drähte 5 bestehen aus dem ferritischen Chromstahl 1.4742.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel mit den vorgenann­ ten Bauelementen. Statt eines elektrisch isolierenden Glaslotes kann hier auch YSZ als Klebstoff 4 verwendet werden. YSZ wird auf eine Stirnseite eines Segmentes aufgetragen, an die andere zu verklebende Stirnfläche gedrückt und dann gesintert.

Die elektrische Verbindung 5 kann durch NiAl/Al₂O₃, LaCaCrO₃, Cr5Fe1Y₂O₃ oder 1.4741 erfolgen. Aufgrund der speziellen Bauform muß hier die elektrische Verbindung nicht durch einen Draht realisiert werden. Die elek­ trisch leitenden Materialien können statt dessen durch Plasmaspritzen aufgebracht werden, da kleine Kontakt­ flächen vorhanden sind. Da kleinen Kontaktflächen in diesem Sonderfall vorliegen, stellt die mittels Plas­ maspritzens bewirkte elektrische Reihenschaltung eine äquivalente Realisierung des Merkmals "Draht" dar.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit konusförmigen Segmenten, bei der der Klebstoff elektrisch leitend ist und dieser gleichzeitig die Reihenschaltung bewirkt. Hier ist ein Draht zur Herstellung der elektrischen Reihenschaltung entbehrlich.

Die vorbeschriebenen Segmente sind im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik bruchfest. Es tre­ ten keine Undichtigkeiten aufgrund langer Randfugen auf. Sie können schnell aufgeheizt oder abgekühlt wer­ den, da nur vergleichsweise kleine thermische Spannun­ gen auftreten. Große, teure externe Wärmetauscher kön­ nen eingespart werden.

Bei selbsttragenden Anoden ist die Querleitfähigkeit aufgrund der Dicke von ca. 2000 µm sichergestellt. Eine ausreichende Elektrodenquerleitfähigkeit kann durch An­ pressen von Drähten insbesondere gemäß Fig. 2 sicher­ gestellt werden. Die Elektrolytschicht ist typischer­ weise 20 µm und die Kathodenschicht 200 µm dick.

Große metallische oder elektrisch leitende keramische bipolare Platten sind nicht erforderlich.

Im allgemeinen übernimmt die nach dem Stand der Technik bekannte bipolare Platte drei Funktionen, nämlich die gasdichte Trennung von Anoden- und Kathodenraum zwi­ schen zwei Zellen, die elektrische Verbindung der bei­ den Zellen sowie den elektrischen Kontakt zur Anode bzw. zur Kathode. Dies begründet im Prinzip die sehr schwierige Auswahl für den Werkstoff.

Bei der Erfindung sind diese Funktionen auf drei ver­ schiedene Elemente aufgeteilt, nämlich die gasdichte Wand zwischen den zwei Zellen, die stromführenden Ver­ bindungsdrähte zwischen den beiden Zellen und die klei­ nen elektrischen Kontakte (Stromabnehmer) auf den einzelnen Zellsegmenten. Der mechanische Aufbau der Hochtemperaturkonstruktion wird so wesentlich verein­ facht. Die gasdichten Wände zwischen zwei Zellen bzw. Segmenten können nun sehr unterschiedlich ausgeführt werden, da sie - im Gegensatz zur bipolaren Platte - nun nur noch gasdicht und hochtemperaturfest sein müs­ sen.

Insbesondere bei rohrförmiger Bauweise entfällt die gasdichte Wand.

Claims (9)

1. Brennstoffzellenstapel, bestehend aus Brennstoffzel­ len-Segmenten (1, 2, 3), bei dem sich ein mittels eines Klebstoffes (4) verklebter Bereich zwischen zwei Segmenten befindet und bei dem zur elektrischen Reihenschaltung von Brennstoffzellen-Segmenten Drähte (5) vorgesehen sind, soweit die elektrische Reihenschaltung nicht durch Klebstoff (4) bewirkt wird.

2. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des vorher­ gehenden Anspruchs, bei dem die Segmente an ihren Kanten miteinander verklebt sind.

3. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Drähte (5), die der Reihenschaltung dienen, zwischen verklebten Flächen oder Kanten hindurchgeführt sind.

4. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Drähte (5), die der Reihenschaltung dienen, an Elektroden (1, 2) festgelötet sind.

5. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Drähte (5), die der Reihenschaltung dienen, auf Elektroden (3) gepreßt sind.

6. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Glaslot als Klebstoff (4) vorgesehen ist.

7. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in Reihe geschalteten Segmente so dimensioniert sind, daß diese einen Strom von maximal 50 Ampère erzeugen können.

8. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Elektrode (1) eines Segmentes selbsttragend und die darauf be­ findliche Elektrolytschicht (2) mehrfach dünner ist.

9. Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Durchmes­ ser der Drähte (5) kleiner oder gleich 1 mm ist.