DE10238860A1

DE10238860A1 - Brennstoff-Zelle mit einer das Brenngas über der Elektroden-Oberfläche verteilenden perforierten Folie

Info

Publication number: DE10238860A1
Application number: DE10238860A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Danzer; Franz-Josef Dr. Wetzel; Thomas Dr. Höfler; Olav Finkenwirth; Bernd Kuhn; Andreas Oswald Störmer; Xiaofeng Dr. Yan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-24
Filing date: 2002-08-24
Publication date: 2004-03-04
Also published as: WO2004021487A3; US20050175884A1; EP1530812A2; US7261969B2; WO2004021487A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie gebildet ist. Die Längsachsen zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen sind unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt, derart, dass auf der Seite des Brenngas-Eintritts in die Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandte Austrittsöffnung der Löcher vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, während auf der Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandte Eintrittsöffnung der Löcher vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Eintritts in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist. Es können aber auch Löcher, deren der Elektrode abgewandte Eintrittsöffnung zur Seite der Brenngas-Zufuhr hin gerichtet sind, und Löcher, deren der Elektrode abgewandte Austritsöffnung zur Seite des Brenngas-Austritts hin gerichtet ist, im Wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie vorgesehen sein. Die Löcher in der Folie können mittels Laser oder Elektronenstrahl oder Kernspur oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens erzeugt sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie gebildet ist. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 43 40 153 C1 verwiesen.

In der genannten Schrift ist eine Festoxid-Brennstoff-Zelle (Solid Oxide Fuell Cell, SOFC) gezeigt, bei der neben einer eigenständig vorgefertigten Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eine eigenständige Zwischenlage zwischen den Elektroden und den (dem Fachmann bekannten) Bipolarplatten oder Trennplatten vorgesehen ist. Diese eigenständige Zwischenlage ist als ein elektrisch leitendes, elastisches und gasdurchlässiges Kontaktkissen mit einer verformbaren Oberflächenstruktur ausgebildet, wobei die sog. Kissenfüllung ein hochelastisches Metallgewebe und der sog. Kissenbezug bspw. ein perforiertes Blech sein kann. Der Zweck dieses sog. Kontaktkissens besteht darin, einen optimalen elektrischen Kontakt der Elektroden zu erreichen, wobei gleichzeitig eine weniger exakte Oberflächengüte bspw. der Anoden und Kathoden in Kauf genommen werden kann, ohne dass es zu Nachteilen in der (elektrischen) Kontaktierung innerhalb der Brennstoff-Zelle oder eines aus mehreren Einzel-Brennstoff-Zellen aufgebauten Brennnstoffzellen-Stacks oder -Stapels kommt.

Ein wesentliches Kriterium für eine optimale Brennstoffzellen-Funktion ist jedoch nicht nur ein ausreichender elektrischer Kontakt der einzelnen Zellen-Elemente, sondern nahezu ebenso wichtig ist auch eine gute Anströmung der Brennstoff-Zellen-Elektroden insbesondere mit dem sog. Brenngas oder Arbeitsgas, aber auch mit Sauerstoff bzw. Umgebungsluft.

Im Hinblick hierauf an einer Brennstoffzelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie gebildet ist, eine Verbesserung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Es wurde erkannt, dass es im Hinblick auf den Betrieb der Brennstoffzelle äußerst vorteilhaft ist, wenn die Anströmrichtung des Brenngases oder des Luft-Sauerstoffs zur jeweiligen Elektrode hin zumindest teilweise schräg zur jeweiligen Elektroden-Oberfläche verläuft, um eine gute Stoffversorgung der betroffenen Elektrode zu gewährleisten. Erfindungsgemäß sind demzufolge die Längsachsen von Löchern oder Durchtrittsöffnungen, die die (bekannte) Perforation in der besagten Folie bilden, an deren Oberfläche eine Elektrode der Brennstoffzelle anliegt, gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt.

Dabei können die Längsachsen zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sein, je nachdem, an welcher Stelle sich bezüglich der Brennstoffzelle bzw. des darin geführten Brenngas-Stromes die Löcher oder Durchtrittsöffnungen befinden. So können auf der Seite des Brenngas-Eintritts oder der Brenngas-Zufuhr in die Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandten Austrittsöffnungen der Löcher vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle hin gerichtet sein, damit sich ein gezielter Brenngas-Strom auch entlang der Elektroden-Oberfläche einstellt und das Brenngas demzufolge relativ gleichmäßig über der Elektrodenoberfläche verteilt wird. Im gleichen Sinne können dann auf der Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle die der Elektrode zugewandte Eintrittsöffnungen der das verbrannte Gas bzw. die Reaktionsprodukte von der Elektrode quasi wegführenden Löcher oder Durchtrittsöffnungen vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Eintritts (= der Brenngas-Zufuhr) in die Brennstoffzelle hin gerichtet sein. Auf diese Weise kann das Gas optimal in diese Durchtrittsöftnungen eintreten. Dabei besagt das oben verwendete Wort „vorrangig", dass nicht sämtliche Löcher im jeweils genannten Bereich in dieser beschriebenen Weise geneigt sein müssen, vielmehr können auch nur einige der Löcher solchermaßen geneigt sein und andere Löcher in diesem Bereich eine andere oder überhaupt keine Neigung gegenüber der Folien-Oberfläche aufweisen.

Vorteilhaft sind mit ihren Längsachsen geneigte Löcher oder Durchtrittsöftnungen, die auch als Bohrungen bezeichnet werden können, aber auch auf der Seite des Brenngas-Eintritts (bzw. der Brenngas-Zufuhr) in die Brennstoffzelle, wenn die Eintrittsöffnungen dieser eintrittsseitigen Löcher (abermals vorrangig) zumindest geringfügig zum Brenngas-Eintritt hin gerichtet sind. Im gleichen Sinne können auf der Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle die Austrittsöffnungen dieser austrittsseitigen Löcher (abermals vorrangig) zumindest geringfügig zum Brenngas-Austritt (bzw. zur Seite der Brenngas-Abfuhr) hin gerichtet sein. Auch hierdurch wird eine optimierte Brenngasführung erreicht, da das frische Brenngas sowohl gut in die jeweiligen Durchtrittsöftnungen eintreten kann als auch das verbrannte Gas bzw. die entsprechenden Reaktionsprodukte gut aus den jeweiligen Durchtrittsöffnungen zum Brenngas-Austritt (zur Brenngas-Abfuhr) aus der Brennstoffzelle austreten kann. Wenn dabei die jeweiligen Durchtrittsöffnungen geradlinig verlaufende Längsachsen aufweisen, so können vorteilhafterweise die jeweiligen Durchtrittsöffnungen sowohl die in diesem Absatz geschilderten Bedingungen als auch gleichzeitig die im vorhergehenden Absatz geschilderten Bedingungen erfüllen.

Es ist jedoch auch möglich, dass Löcher, deren der Elektrode abgewandte Eintrittsöffnung zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr hingerichtet sind, und Löcher, deren der Elektrode abgewandte Austrittsöffnung zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, im wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie vorgesehen sind. Hierdurch können quasi nebeneinander Reaktionsprodukte von der Elektrode abgeführt und neues, frisches Brenngas zur Elektrode hingeführt werden.

Erfindungsgemäß mit ihren Längsachsen über der Folien-Oberfläche geneigte Löcher oder Durchtrittsöffnungen in einer Folie einer Brennstoffzelle, an der eine Elektrode der Brennstoffzelle anliegt, besitzen einen weiteren Vorteil, und zwar im Hinblick auf ein spezielles Brennstoffzellen-Herstellverfahren. Während nämlich bei einer Brennstoffzelle nach der genannten DE 43 40 153 C1 die keramischen Schichten der Festoxidbrennstoffzellen beispielsweise durch Sintern von Grünlingen der jeweiligen Schichten (nämlich Kathode, Elektrolyt und Anode) einzeln erzeugt werden, können die einzelnen Elektrodenschichten aufeinanderfolgend auf insbesondere metallische oder keramische Substrate aufgesprüht werden. Für dieses Applizieren durch Aufsprühen kommen dabei geeignete thermische Sprühverfahren in Frage, wie bspw. das Vakuum-Plasmasprühen (auch Vakuum-Plasmaspritzen genannt), atmosphärisches Plasmaspritzen, Flammspritzen, oder andere. Das sog. Substrat kann dabei die tragende Struktur der Brennstoffzelle bilden, wobei für dieses Substrat insbesondere bei vakuumplasmagespritzten Brennstoff-Zellen poröse und somit gasdurchlässige sowie gleichzeitig stromleitende (und daher zumeist metallische) Materialien verwendet werden, um die Eduktzufuhr, die Produktabfuhr und die elektrische Stromleitung innerhalb der Brennstoffzelle bestmöglich zu gewährleisten.

Wenn nun die perforierte Folie als ein derartiges Träger-Substrat für die Elektrodenschichten dient, auf die folglich die erste Elektroden-Schicht durch ein thermisches Sprühverfahren pulverisiert aufgebracht wird, so kann dann, wenn die Löcher schrägwinkelig zur Folien-Oberfläche eingebracht sind, bei einem rechtwinkelig zur Folien- bzw. Substrat-Oberfläche erfolgenden sprühtechnischen Beschichtungsprozess ein guter Pulverrückhalt erzielt werden, ohne dass der Durchmesser der Löcher wesentlich geringer als der Durchmesser der Körner des aufzubringenden Elektroden-Pulvers sein muss. Ein grundsätzlich unerwünschter Durchtritt der Pulver-Körner beim thermischen Aufsprühen desselben auf die Folie durch die darin vorgesehenen Löcher hindurch kann aufgrund der gegenüber der Folien-Oberfläche geneigten Längsachsen der Löcher weitestgehend vermieden werden.

Die Perforation in der Folie bzw. die Löcher bzw. Durchtrittsöffnungen oder Bohrungen können bspw. mittels Laserstrahl oder Elektronenstrahl oder Kernspur erzeugt werden können. Gebildet werden können diese Löcher jedoch auch durch elektrochemische Verfahren oder durch Maskieren und Ätzen, wobei sich all diese genannten Verfahren besonders gut für eine Großserien-Fertigung eignen. Insbesondere für den Fall eines Elektrodenauftrags auf die Folie durch ein thermisches Sprühverfahren wird vorgeschlagen, diese Löcher bevorzugt von der nicht mit dem Elektrodenmaterial zu beschichtenden Seite der Folie bzw. des Substrats einzubringen, denn die dann auf der Rückseite und somit auf der Auftragsseite für das Elektrodenmaterial entstehenden Erhebungen der Lochränder sind für eine bessere Verzahnung der keramischen Elektrode mit der Folie (bzw. einem entsprechenden Band) hilfreich.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die erfindungsgemäß perforierte Folie bzw. ein entsprechendes Blech oder Band aus einem geeigneten metallischen Werkstoff bestehen und mit einer weiteren Struktur zu einer einen Hohlraum aufweisenden sog. Kassette zusammengesetzt sein, wobei diese weitere Struktur ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff besteht, so dass dieses zusammengesetzte Gebilde letztlich eine bzw. die Bipolarplatte der Brennstoff-Einzelzelle bilden kann, auf die, genauer auf deren perforierte Folie, eine Elektrodenschicht der Kathoden-Elektolyt-Anoden-Einheit bspw. durch ein thermisches Sprühverfahren quasi direkt aufgebracht sein kann. Über den besagten Hohlraum dieser sog. Kassette kann dann das Brenngas bzw. der Luftsauerstoff zur jeweiligen Elektrode hin bzw. von dieser weggeführt werden. Bei dieser Kassette handelt sich also um einen Hohlkörper, der bevorzugt aus einer Oberschale und einer Unterschale besteht, welche bevorzugt entlang ihrer Ränder miteinander verschweißt, allgemein stoffschlüssig verbunden sind, um eine ausreichende Gasdichtheit in diesem Bereich zu gewährleisten.

Hierbei sind grundsätzlich zwei Ausführungsformen möglich. Nach einer ersten Variante kann in eine sog. Oberschale der Kassette, die einen rechteckigen, quadratischen, runden oder beliebig ovalen Ausschnitt aufweisen kann, die bevorzugt vorher perforierte Folie als Substrat eingeschweißt werden. Dazu wird eine entsprechende Folie, ein Band oder ein Blech zunächst perforiert (in Bandform oder Stück für Stück) und danach in einen entsprechenden Ausschnitt der Oberschale einer herzustellenden Brennstoffzellen-Kassette eingeschweißt. Eine solche Schweißnaht ersetzt dabei die üblicherweise bei einer planaren Festoxid-Brennstoffzelle unabdingbare Eindichtung der Brennstoffzelle in deren Bipolarplatte mittels Glaslot oder sonstigem keramischem oder metallischem Klebstoff.

Anschließend kann die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren direkt auf die eingeschweißte perforierte Metallfolie gesprüht werden, wobei zunächst die Anode bevorzugt unter Nutzung einer Sprühmaske bis knapp zur Schweißnaht zwischen der perforierten Folie und der Oberschale aufgesprüht wird. Anschließend kann mit einer größeren Maske die Elektrolytschicht auf die Anodenschicht aufgetragen werden, wodurch diese gasdicht gemacht sowie elektrisch isoliert und zusätzlich die Schweißnaht und ein kleiner Rand des darum befindlichen Bleches im gleichen Arbeitsgang mittels Elektrolytmaterial sprühtechnisch abgedichtet werden kann. Darauf kann die Kathodenschicht mittels einer Maske sprühtechnisch exakt auf die Fläche der Anode appliziert werden.

Nach einer zweiten Ausführungsform kann die Oberschale direkt als Träger-Substrat für die aufzusprühende Anodenschicht dienen. Sie weist in diesem Fall keine Aussparung auf. Stattdessen wird im Bereich der später durch ein thermisches Pulver-Sprühverfahren zu applizierenden Anode die Oberschale selbst perforiert, so dass die Kassetten-Oberschale selbst also die erfindungsgemäße perforierte Folie ist. Die Perforation kann dabei entweder vor oder nach dem Verschweißen der beiden Kassettenhälften, d.h. der genannten Oberschale mit der genannten Unterschale, erfolgen. Die Applizierung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit erfolgt dann wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Die Abdichtfunktion des Elektrolyten beschränkt sich dabei jedoch auf die Abdichtung der porösen Anodenschicht.

Mehrere derartige übereinander angeordnete Kassetten, die auf ihrer sog. Oberschale jeweils mit einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit versehen sind, und wobei die zusammengefügte Oberschale und Unterschale jeweils als Bipolarplatte fungieren, innerhalb derer das Brenngas zur Anodenschicht geführt werden kann, können einen grundsätzlich bekannten Brennstoffzellen-Stack bilden. Nachdem dann zwischen der Außenseite der Unterschale einer ersten Kassette und der obenliegenden Elektrodenschicht der im Brennstoffzellen-Stack unter dieser ersten Kassette liegenden zweiten Kassette ein Gasverteilungsraum oder Strömungsraum für Umgebungsluft bzw. den Luft-Sauerstoff geschaffen werden muss, kann die Außenseite der Unterschale mit einer entsprechenden, einen solchen Strömungsraum schaffenden Prägestruktur versehen werden. Die entsprechenden Einprägungen können bspw. in und quer zur Strömungsrichtung eine Mäanderstruktur, unterbrochene und seitlich versetzte Kanäle, eine Einlaufzone u.v.m. aufweisen.

Beigefügt ist eine einzige Figur, in der stark abstrahiert ein Querschnitt durch eine Kassette, wie sie oben als zweite Ausführungsform bereits erwähnt wurde, dargestellt ist. Diese Kassette bildet eine einzelne Festoxid-Brennstoff-Zelle und kann somit Bestandteil eines Brennstoffzellen-Stacks oder -Stapels sein.
Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 eine metallische Folie bezeichnet, die gleichzeitig die sog. Oberschale einer sog. Kassette 4 darstellt. Wie ersichtlich ist diese sich selbstverständlich über ein gewisses Längenmass senkrecht zur Zeichenebene erstreckende Folie 1 perforiert, d.h. mit Löchern 2, 2' versehen, die bzw. deren Längsachsen 2a, 2a' gegenüber der Oberfläche der Folie 1 geneigt sind.
Zusammen mit einer weiteren als Unterschale 3 bezeichneten Struktur (ebenfalls mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet) bildet die Oberschale 1 oder Folie 1 die genannte Kassette 4, die einen Hohlraum einschließt. In einen Teilbereich dieses Hohlraumes kann ein metallisches Drahtgewirk oder dgl. eingebracht sein was hier jedoch nicht gezeigt ist. In ihren Randbereichen sind die Oberschale 1 und die Unterschale 3 miteinander verschweißt, d.h. über eine rundum verlaufende Schweißnaht 6 stoffschlüssig und somit gasdicht miteinander verbunden.
Im wesentlichen im Überdeckungsbereich mit den Durchtrittsöffnungen oder Löchern 2, 2' ist auf der dem Hohlraum abgewandten Außenseite der Folie 1 bzw. Oberschale 1 eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7 aufgetragen, wobei die an der Folie 1 anliegende Schicht die Anodenschicht 7A ist. Diese wird im Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Einzel-Brennstoft-Zelle als erste Schicht mittels eines thermischen Pulver-Sprühverfahrens (bevorzugt durch Vakuumplasmaspritzen) aufgetragen. Hierauf kann dann – wie bereits erläutert wurde – eine Elektrolytschicht 7E und auf diese eine Kathodenschicht 7K aufgebracht werden.
In den Hohlraum der Kassette 4 wird das für die Brennstoffzelle bzw. für den darin erfolgenden elektrochemischen Umwandlungsprozess benötigte Brenngas zugeführt, wobei die Brenngas-Zufuhr 8Z im in der Zeichnung linksseitigen Bereich des Hohlraums liege, während die Brenngas-Abfuhr 8A im rechtsseitigen Abschnitt des Kassetten-Hohlraums liege. Innerhalb des Hohlraumes wird dieses Brenngas dabei geeignet auf die einzelnen Löcher 2, 2' verteilt, so dass es dann durch diese zur Anodenschicht 7A gelangen und dort entsprechend reagieren kann. Die Abfuhr der Reaktionsprodukte erfolgt ebenfalls über Löcher 2 bzw. 2' zur Brenngas-Abfuhr 8A hin.
Dadurch, dass die Längsachsen 2a zumindest einiger Löcher 2 wie figürlich dargestellt derart gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, dass bspw. bzw. insbesondere im Bereich der Brenngas-Zufuhr 8Z, d.h. im Brenngas-Eintrittsbereich die der Brenngas-Zufuhr 8Z zugewandte (und somit der Elektrode 7A abgewandte) Eintrittsöffnung 2b bevorzugt der nahe der Brenngas-Eintritts-Seite liegenden Löcher 2 zum Brenngas-Eintritt 8Z hin gerichtet ist, ergibt sich eine verbesserte Einströmung von Brenngas in diese Durchtrittsöftnungen oder Löcher 2. Dadurch dass deren der Elektrode 7A zugewandte Austrittsöffnung 2c zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, ergibt sich weiterhin eine verbesserte Anströmung der Kathoden-Elektrolyt-Anoden- Einheit 7. Dabei sind vorteilhafterweise diese beiden Kriterien gleichzeitig erfüllt, wenn die Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2 eine geradlinige Längsachse 2a aufweisen.
Anders als die Löcher 2 ausgerichtet bzw. geneigt sind Löcher 2', die vorrangig im Bereich der Brenngas-Abfuhr 8A bzw. des Brenngas-Austritts 8A liegen können, wenngleich im vorliegenden Ausführungsbeispiel Löcher 2 und Löcher 2' mit ihren beschriebenen unterschiedlichen Neigungen im wesentlichen gleichverteilt und dabei nebeneinander über der Oberfläche der Folie 1 verteilt angeordnet sind. Dadurch, dass bei den Löchern 2' deren Längsachsen 2a' zumindest geringfügig wie figürlich dargestellt derart gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, dass im Bereich der Brenngas-Abfuhr 8A, d.h. im Brenngas-Austrittsbereich die der Brenngas-Abfuhr 8A zugewandte (und somit der Elektrode 7A abgewandte) Austrittsöffnung 2b' der nahe der Brenngas-Austritts-Seite liegenden Löcher 2' zum Brenngas-Austritt 8A hin gerichtet ist, ergibt sich eine verbesserte Abströmung von verbranntem Gas aus diesen Durchtrittsöffnungen oder Löchern 2' heraus. Dadurch dass deren der Elektrode 7A zugewandte Eintrittsöffnung 2c' zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Eintritts 8Z (= der Brenngas-Zufuhr 8Z) in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist, ergibt sich weiterhin eine verbesserte Abfuhr von verbranntem Gas bzw. der Reaktionsprodukte weg von der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7. Dabei sind vorteilhafterweise diese beiden Kriterien gleichzeitig erfüllt, wenn die Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2' eine geradlinige Längsachse 2a' aufweisen.
Ein bevorzugter Neigungswinkel zwischen den Längsachsen 2a bzw 2a' der Löcher 2 bzw. 2' und der Oberfläche der Folie 1 liegt dabei in der Größenordnung von 45° bis 75°. Wie bereits erwähnt wurde, können dabei Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2, deren in der Figur unten liegenden Öffnungen 2b teilweise zur Brenngas-Zufuhr 8Z hingerichtet sind, vorrangig im Bereich dieser Brenngas-Zufuhr 8Z vorgesehen, wenngleich einige wenige Löcher 2 mit einer solchermaßen geneigten Längsachse 2a auch im in der Figur rechtsseitigen Bereich nahe der Brenngas-Abfuhr 8A vorgesehen sein können. Hingegen sind Durchtrittsöffnungen oder Löcher 2', deren in der Figur unten liegenden Öffnungen 2b' teilweise zur Brenngas-Abfuhr 8A hingerichtet sind, vorrangig im Bereich dieser Brenngas-Abfuhr 8A vorgesehen, wenngleich einige wenige Löcher 2' mit einer solchermaßen geneigten Längsachse 2a' auch im in der Figur linksseitigen Bereich nahe der Brenngas-Zufuhr 8B vorgesehen sein können. (Abweichend hiervon ist die figürliche Darstellung mit abwechseln im wesentlichen gleichverteilten Löchern 2, 2' bzw. Duurchtrittsöftnungen 2, 2').
Wie bereits erwähnt erfolgt über die Löcher oder Durchtrittsöffnungen 2 bzw. 2' die Zufuhr bzw. Abfuhr von Brenngas zur Anodenschicht 7A der Kathoden-Elektrolyt-Anodeneinheit 7. Damit an der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7 die gewünschte elektrochemische Reaktion ablaufen kann, ist es (bekanntermaßen) zusätzlich erforderlich, die Kathode 7K mit Sauerstoff zu beaufschlagen. Auch hierfür muss also ein gewisser Freiraum geschaffen werden, wenn – wie üblich und bekannt – mehrere Einzel-Brennstoffzellen in Form der gezeigten Kassette 4 übereinander gestapelt sind. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Außenseite 3a bzw. in der Figur die Unterseite 3a der Unterschale 3 mit einer entsprechenden, einen solchen Freiraum schaffenden Prägestruktur versehen wird. Alternativ kann – wie in der Figur dargestellt – an die Unterseite 3a der Unterschale 3 ein geeignetes Drahtgestrick 9 oder dgl. angebracht (bspw. angelötet) sein. Entweder durch die genannten Einprägungen oder durch dieses Drahtgestrick 9 kann dann Luft-Sauerstoff zur Kathode (7K) einer in einem nicht dargestellten Brennstoffzellen-Stack unterhalb der figürlich dargestellten Einzel-Brennstoffzelle bzw. Kassette 4 liegenden Einzel-Brennstoffzelle bzw. Kassette gelangen.
Bekanntermaßen sollen die in einem Brennstoffzellen-Stack oder -Stapel übereinander angeordneten Einzel-Brennstoffzellen elektrisch gut leitend miteinander verbunden sein, um die ohmschen Verluste in diesem Stack zu minimieren. In diesem Sinne ist das besagte metallische Drahtgestrick 9 auch besonders vorteilhaft. Ebenfalls in diesem Sinne sollten die beiden Kassetten-Schalen, d.h. die Oberschale 1 und die Unterschale 3 ebenfalls elektrisch gut miteinander kontaktiert sein. Dies kann über die bereits genannte Schweißnaht 6 erfolgen, die hierzu in der betroffenen Fläche entlang von Mäandern geführt sein kann.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich aufgrund der vorgeschlagenen Ausbildung der Löcher 2, 2' oder Durchtrittsöffnungen durch einen optimierten Materialtransport aus, was sich auf den Wirkungsgrad der Bennstoffzelle vorteilhaft auswirkt. Ferner ist auch für eine Großserie eine einfache Fertigung möglich. Die aus der Verwendung der vorgeschlagenen Folie 1 stark verbesserte Ebenheit der Applikationsfläche für die Anoden-Schicht 7A ermöglicht die Umsetzung geringerer Dicken der keramischen Reaktionsschichten (d.h. der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 7) und damit sowohl einen geringeren Materialverbrauch als auch geringere Reaktionsverluste wegen geringerer und optimierter Transportwege. Auch bezüglich der Kontaktschicht zur Kathode 7K, die hier durch das Drahtgestrick 9 realisiert wird, ergeben sich dann geringere ohmsche Verluste und geringere Transportwiderstände. Insgesamt können durch eine verbesserte elektrische Quer- und Längsleitung des sog. Substrats, d.h. der Folie 1, die chemischen Prozesse in der Brennstoffzelle verbessert und die ohmschen Verluste in der Kassette 4 verringert werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Ausführungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Brennstoff-Zelle, die neben einer Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (7) eine das Brenngas über deren Elektroden-Oberfläche verteilende Struktur aufweist, deren der Elektrode (7A) zugewandte Oberfläche durch eine perforierte Folie (1) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (2a, 2a') zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher (2, 2') oder Durchtrittsöffnungen gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind.
Brennstoff-Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (2a, 2a') zumindest einiger der die Perforation bildenden Löcher (2, 2') oder Durchtrittsöftnungen unterschiedlich gegenüber der Folien-Oberfläche geneigt sind, derart, dass auf der Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) in die Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Austrittsöffnung (2c) der Löcher (2) vorrangig zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, und dass auf der Seite des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) zugewandte Eintrittsöffnung (2c') der Löcher (2') vorrangig zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) in die Brennstoffzelle hin gerichtet ist.
Brennstoff-Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Brenngas-Eintritts (8Z) in die Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) abgewandte Entrittsöffnung (2b) der Löcher (2) vorrangig zum Brenngas-Eintritt (8Z) hin gerichtet ist und dass im Bereich des Brenngas-Austritts (8A) aus der Brennstoffzelle die der Elektrode (7A) abgewandte Austrittsöffnung (2b') der Löcher (2') vorrangig zum Brenngas-Austritt (8A) hin gerichtet ist.
Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Löcher (2), deren der Elektrode (7A) abgewandte Eintrittsöffnung (2b) zumindest geringfügig zur Seite der Brenngas-Zufuhr (8Z) hingerichtet sind, und Löcher (2'), deren der Elektrode (7A) abgewandte Austrittsöffnung (2b') zumindest geringfügig zur Seite des Brenngas-Austritts (8A) der Brennstoffzelle hin gerichtet ist, im wesentlichen abwechselnd nebeneinander in der Folie (1) vorgesehen sind.
Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (2, 2') in der Folie (1) mittels Laser oder Elektronenstrahl oder Kernspur oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens erzeugt sind.
Brennstoff-Zelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial in Form keramischer Schichten (7A, 7E, 7K) durch ein thermisches Sprühverfahren im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche Folie aufgebracht ist.