DE10358457B4

DE10358457B4 - Distanzhalterelement für einen Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzelleneinheit mit einem solchen Distanzhalterelement

Info

Publication number: DE10358457B4
Application number: DE10358457A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Clauß
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2023-12-14
Also published as: DE10358457A1; US20050181265A1; US7651808B2

Abstract

Distanzhalterelement für einen Brennstoffzellenstapel (100), das im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels (100) an einem ersten Bauteil (108) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) und an einem zweiten Bauteil (110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) anliegt und das erste Bauteil (108) und das zweite Bauteil (110) auf Abstand voneinander hält, umfassend eine Abstützwand (220) mit einer Innenseite und einer Außenseite und mindestens einen die Abstützwand (220) von der Innenseite zu der Außenseite durchsetzenden Gasdurchtrittskanal (212), wobei das Distanzhalterelement (160) mindestens zwei Materiallagen (180) umfasst, die längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander gestapelt sind, wobei mindestens eine der Materiallagen (180) ein Trägerelement (186), das sich in einer Umfangsrichtung des Distanzhalterelements (160) erstreckt, und mindestens zwei von dem Trägerelement (186) quer zu der Umfangsrichtung abstehende Kanalbegrenzungselemente (196) umfasst, welche seitliche Begrenzungen eines Abschnitts (200) eines Gasdurchtrittskanals (212) des Distanzhalterelements (160) bilden, und wobei im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) das Trägerelement (186) und...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Distanzhalterelement für einen Brennstoffzellenstapel, das im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels an einem ersten Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels und an einem zweiten Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellenstapels anliegt und das erste Bauteil und das zweite Bauteil auf Abstand voneinander hält, wobei das Distanzhalterelement eine Abstützwand mit einer Innenseite und einer Außenseite und mindestens einen die Abstützwand von der Innenseite zu der Außenseite durchsetzenden Gasdurchtrittskanal umfasst und wobei das Distanzhalterelement mindestens zwei Materiallagen umfasst, die längs einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt sind.

Solche Distanzhalterelemente für einen Brennstoffzellenstapel sind aus der EP 1 278 258 A2 bekannt.

Die aus der EP 1 278 258 A2 bekannten Distanzhalterelemente werden jeweils aus einer im wesentlichen ebenen Distanzhalterelement-Vorform gebildet, welche ringförmige Trägerelemente und von den ringförmigen Trägerelementen in radialer Richtung abstehende Laschen umfasst. Zur Bildung des Distanzhalterelements aus dieser Distanzhalterelement-Vorform werden die radial abstehenden Laschen auf das jeweils zugeordnete Trägerelement gefaltet, und anschließend werden die Trägerelemente mit den darauf gefalteten Laschen so aufeinander gefaltet, dass sich in dem fertig gefalteten Distanzhalterelement Materiallagen, welche lediglich ein ringförmiges Trägerelement umfassen, mit Materiallagen abwechseln, in denen lediglich zurückgefaltete Laschen enthalten sind, wobei zwischen den Laschen eine Abstützwand des Distanzhalterelements von deren Innenseite zu deren Außenseite durchsetzende Gasdurchtrittskanäle ausgebildet sind.

Die in der EP 1 278 258 A2 offenbarten Distanzhalterelemente erfüllen die damit angestrebte Funktion, erfordern für ihre Herstellung jedoch eine Vielzahl von Faltvorgängen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Distanzhalterelement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfach und rasch herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Distanzhalterelement für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Distanzhalterelement unterscheidet sich von den bekannten Distanzhalterelementen gemäß der EP 1 278 258 A2 insbesondere dadurch, dass im fertig montierten Zustand des erfindungsgemäßen Distanzhalterelements in derselben Materiallage sowohl ein Trägerelement als auch mindestens zwei von dem Trägerelement quer zu der Umfangsrichtung abstehende Kanalbegrenzungselemente enthalten sind, während bei den Distanzhalterelementen gemäß der EP 1 278 258 A2 im fertig montierten Zustand einerseits Materiallagen vorhanden sind, welche ausschließlich ein Trägerelement umfassen, und andererseits Materiallagen vorhanden sind, welche ausschließlich Kanalbegrenzungselemente, nicht jedoch ein Trägerelement, umfassen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Distanzhalterelements ist es möglich, das erfindungsgemäße Distanzhalterelement aus einer Distanzhalterelement-Vorform herzustellen, indem lediglich die Materiallagen, welche jeweils ein Trägerelement und daran angeordnete Kanalbegrenzungselemente umfassen, aufeinandergefaltet werden, ohne daß es erforderlich ist, die einzelnen Kanalbegrenzungselemente auf das jeweils zugeordnete Trägerelement umzufalten.

Hierdurch wird eine deutliche Reduktion der erforderlichen Faltschritte erzielt, so daß das erfindungsgemäße Distanzhalterelement einfach und rasch herstellbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Distanzhalterelements ist vorgesehen, daß das Trägerelement, von dem die Kanalbegrenzungselemente abstehen, ringförmig geschlossen ausgebildet ist.

Wenn das Trägerelement im wesentlichen kreisringförmig oder kreisringabschnittsförmig ausgebildet ist, so hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Kanalbegrenzungselemente in im wesentlichen radialen Richtungen von dem Trägerelement abstehen.

Um Gasdurchtrittskanäle zu bilden, welche alle im wesentlichen denselben durchströmbaren Querschnitt aufweisen, und somit eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Distanzhalterelements zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn von dem Trägerelement abstehende Kanalbegrenzungselemente längs der Umfangsrichtung des Distanzhalterelements im wesentlichen äquidistant zueinander angeordnet sind.

Wenn das Trägerelement eine einer Mittelachse der Materiallage zugewandte Innenseite und eine der Mittelachse der Materiallage abgewandte Außenseite aufweist, so können die Kanalbegrenzungselemente von der Innenseite oder von der Außenseite des Trägerelements abstehen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Distanzhalterelements ist vorgesehen, daß alle Kanalbegrenzungselemente, die von dem Trägerelement einer Materiallage abstehen, entweder alle von der Innenseite oder alle von der Außenseite des Trägerelements abstehen.

Vorzugsweise umfaßt das Distanzhalterelement mindestens eine erste Materiallage mit einem ersten Trägerelement und mindestens zwei von dem ersten Trägerelement abstehenden ersten Kanalbegrenzungselementen, die seitliche Begrenzungen eines ersten Gasdurchtrittskanalabschnitts bilden, und mindestens eine zweite Materiallage mit einem zweiten Trägerelement und mindestens zwei von dem zweiten Trägerelement abstehenden zweiten Kanalbegrenzungselementen, die seitliche Begrenzungen eines zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitts bilden.

In diesem Fall ist es günstig, wenn das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement im montierten Zustand des Distanzhalterelements so gegeneinander versetzt sind, daß zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement ein Zwischenraum verbleibt, welcher den ersten Gasdurchtrittskanalabschnitt und den zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitt miteinander verbindet.

Auf diese Weise ist gewährleistet, das Gas von dem ersten Durchtrittskanalabschnitt der ersten Materiallage in den zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitt der zweiten Materiallage oder, umgekehrt, von dem zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitt der zweiten Materiallage in den ersten Gasdurchtrittskanalabschnitt der ersten Materiallage gelangen kann.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der erste Gasdurchtrittskanalabschnitt, der zweite Gasdurchtrittskanalabschnitt und der Zwischenraum zwischen den Trägerelementen zusammen einen die Innenseite der Abstützwand des Distanzhalterelements mit der Außenseite der Abstützwand des Distanzhalterelements verbindenden Gasdurchtrittskanal bilden. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß in der Abstützwand des Distanzhalterelements ein die Abstützwand von deren Innenseite bis zu deren Außenseite durchsetzender Gasdurchtrittskanal ausgebildet ist, auch wenn der erste Gasdurchtrittskanalabschnitt sich nicht durch die gesamte erste Materiallage und der zweite Gasdurchtrittskanalabschnitt sich nicht durch die gesamte zweite Materiallage hindurch erstrecken, sondern jeweils an dem zugehörigen Trägerelement der Materiallage enden.

Der aus dem ersten Gasdurchtrittskanalabschnitt der ersten Materiallage, dem zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitt der zweiten Materiallage und dem Zwischenraum zwischen den Trägerelementen gebildete Gasdurchtrittskanal ist (in einem radialen Längsschnitt durch die Abstützwand gesehen) treppenförmig gestuft ausgebildet.

Wenn das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement jeweils eine der Mittelachse der jeweiligen Materiallage zugewandte Innenseite und eine der Mittelachse der jeweiligen Materiallage abgewandte Außenseite aufweisen, so ist es für die Erzeugung eines die Abstützwand des Distanzhalterelements durchsetzenden Gasdurchtrittskanals von Vorteil, wenn die ersten Kanalbegrenzungselemente von der Innenseite des ersten Trägerelements und die zweiten Kanalbegrenzungselemente von der Außenseite des zweiten Trägerelements abstehen oder wenn, alternativ hierzu, die ersten Kanalbegrenzungselemente von der Außenseite des ersten Trägerelements und die zweiten Kanalbegrenzungselemente von der Innenseite des zweiten Trägerelements abstehen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Distanzhalterelements ist ferner vorgesehen, daß die erste Materiallage und die zweite Materiallage im wesentlichen eben ausgebildet sind.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die erste Materiallage und die zweite Materiallage durch Heraustrennen, insbesondere durch Ausstanzen oder Ausschneiden, aus einer im wesentlichen ebenen Lage eines Ausgangsmaterials, insbesondere eines Stahlblechs, gebildet sind.

Um das Distanzhalterelement in einfacher Weise handhaben zu können, ist es von Vorteil, wenn die erste Materiallage und die zweite Materiallage einstückig miteinander verbunden sind.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die erste Materiallage und die zweite Materiallage über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements gebogenen Bereich miteinander verbunden sind.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß ein Kanalbegrenzungselement der ersten Materiallage über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements gebogenen Bereich mit dem Trägerelement der zweiten Materiallage verbunden ist.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, daß das Trägerelement der ersten Materiallage über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements gebogenen Bereich mit einem Kanalbegrenzungselement der zweiten Materiallage verbunden ist.

Grundsätzlich könnte vorgesehen sein, daß zwischen der ersten und der zweiten Materiallage des Distanzhalterelements ein oder mehrere weitere Materiallagen angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Distanzhalterelements ist jedoch vorgesehen, daß die erste Materiallage und die zweite Materiallage im montierten Zustand des Distanzhalterelements flächig aneinander anliegen.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, daß mindestens ein Kanalbegrenzungselement der ersten Materiallage und mindestens ein Kanalbegrenzungselement der zweiten Materiallage im montierten Zustand des Distanzhalterelements, vorzugsweise im wesentlichen kongruent, flächig aneinander anliegen. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks innerhalb der Abstützwand des Distanzhalterelements erreicht.

Vorzugsweise sind die erste Materiallage und die zweite Materiallage des Distanzhalterelements im montierten Zustand des Distanzhalterelements aufeinander gefaltet.

Das Distanzhalterelement kann auch mehr als zwei, insbesondere mindestens drei, Materiallagen umfassen, die im montierten Zustand des Distanzhalterelements aufeinander gefaltet sind.

In diesem Fall kann vorgesehen sein, daß das Distanzhalterelement aus einer im wesentlichen ebenen Distanzhalterelement-Vorform gebildet ist, in welcher die Mittelpunkte der Materiallagen auf einer Verbindungsgeraden liegen.

Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß das Distanzhalterelement aus einer im wesentlichen ebenen Distanzhalterelement-Vorform gebildet ist, in welcher die Mittelpunkte der ersten Materiallage und der zweiten Materiallage auf einer ersten Verbindungsgeraden und die Mittelpunkte der zweiten Materiallage und der dritten Materiallage auf einer zweiten Verbindungsgerade liegen, wobei die zweite Verbindungsgerade quer, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht, zu der ersten Verbindungsgeraden ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Distanzhalterelement-Vorform eine kompakte Außenkontur aufweist, so daß das Ausgangsmaterial, aus welchem die Distanzhalter-Vorform herausgetrennt wird, möglichst gut ausgenutzt werden kann.

Wenn das Distanzhalterelement mindestens vier Materiallagen umfaßt, die im montierten Zustand des Distanzhalterelement aufeinander gefaltet sind, so kann vorgesehen sein, daß die Mittelpunkte der dritten Materiallage und der vierten Materiallage auf einer dritten Verbindungsgeraden liegen, welche quer, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht, zu der zweiten Verbindungsgeraden ausgerichtet ist.

In diesem Fall kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Mittelpunkte der vier Materiallagen auf den Eckpunkten eines Quadrates liegen.

Um das Distanzhalterelement in einfacher Weise an einem Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit festlegen zu können, kann vorgesehen sein, daß mindestens eine der Materiallagen eine Befestigungslasche umfaßt, welche über die Außenkonturen der übrigen Materiallagen des Distanzhalterelements vorsteht.

Die Befestigungslasche kann in beliebiger Weise, insbesondere durch Verschweißen und/oder Verkleben und/oder Verlöten, mit einem Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit verbunden sein.

Grundsätzlich könnte vorgesehen sein, daß das Distanzhalterelement einstückig mit dem ersten Bauteil und/oder einstückig mit dem zweiten Bauteil einer Brennstoffzelleneinheit, zwischen denen das Distanzhalterelement angeordnet wird, ausgebildet ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß das Distanzhalterelement als ein von dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil separates Teil ausgebildet ist.

Um eine gute Einleitung des Anpressdrucks in die Abstützwand des Distanzhalterelements zu erzielen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Distanzhalterelement im montierten Zustand mit einer ersten Anlagefläche flächig an dem ersten Bauteil und mit einer zweiten Anlagefläche flächig an dem zweiten Bauteil anliegt.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das erste Bauteil eine erste Gasdurchgangsöffnung und das zweite Bauteil eine zweite Gasdurchgangsöffnung aufweist und daß das Distanzhalterelement einen von einem Gas durchströmbaren Innenraum aufweist, der die erste Gasdurchgangsöffnung und die zweite Gasdurchgangsöffnung miteinander verbindet. Eine solche Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn das Distanzhalterelement einen den Brennstoffzellenstapel durchsetzenden Gaskanal umgeben soll.

Grundsätzlich kann es sich bei dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil, zwischen denen das Distanzhalterelement angeordnet wird, um beliebige Bauteile derselben Brennstoffzelleneinheit oder von zwei verschiedenen Brennstoffzelleneinheiten handeln.

Um zwei einander gegenüberliegende Gehäusewände eines Gehäuses einer Brennstoffzelleneinheit auf Abstand voneinander halten zu können und so ein Zusammendrücken des Gehäuses aufgrund des Anpreßdrucks, der auf das Gehäuse wirkt, zu verhindern, kann vorgesehen sein, daß das erste Bauteil als eine erste Gehäusewand einer Brennstoffzelleneinheit und das zweite Bauteil als eine zweite Gehäusewand einer Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.

Das Distanzhalterelement kann insbesondere ein metallisches Material, vorzugsweise ein Stahlblech, umfassen.

Besonders günstig ist es, wenn das Distanzhalterelement im wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus einem Stahlblech, gebildet ist. Ein solches Distanzhalterelement ist besonders leicht herstellbar und handhabbar.

Anspruch 27 ist auf eine Brennstoffzelleneinheit gerichtet, die ein Gehäuse mit einer ersten Gehäusewand und einer zweiten Gehäusewand und mindestens ein erfindungsgemäßes Distanzhalterelement umfaßt, das an der ersten Gehäusewand und an der zweiten Gehäusewand anliegt und die erste Gehäusewand und die zweite Gehäusewand auf Abstand voneinander hält.

Bei einer besonderen Ausgestaltung einer solchen Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, daß die erste Gehäusewand eine erste Gasdurchgangsöffnung aufweist und die zweite Gehäusewand eine zweite Gasdurchgangsöffnung aufweist und daß das Distanzhalterelement einen von einem Gas durchströmbaren Innenraum aufweist, der die erste Gasdurchgangsöffnung und die zweite Gasdurchgangsöffnung miteinander verbindet.

Das erfindungsgemäße Distanzhalterelement verhindert eine Verformung der einander gegenüberliegenden Gehäusewände aufgrund der Dichtflächenpressung, mit welcher das Gehäuse beaufschlagt wird, dadurch, daß das Distanzhalterelement die Dichtflächenpressung, mit welcher das Gehäuse beaufschlagt wird, aufnimmt und als Abstützelement dient, welches ein Zusammendrücken des Gehäuses verhindert, so daß ein für einen ausreichenden Zusammenhalt des Brennstoffzellenstapels ausreichender Anpreßdruck in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet werden kann.

Aufgrund der durch das mindestens eine Distanzhalterelement erhöhten Deformationsstabilität des Gehäuses kommt es auf die dem Material der Gehäusewände inhärente Deformationsstabilität nicht mehr an, so daß als Material der Gehäusewände auch ein Material verwendet werden kann, welches bei den hohen Betriebstemperaturen einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, leicht verformbar ist, aus dem aber die Bestandteile des Gehäuses besonders einfach herstellbar sind, wie beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl.

Insbesondere erlaubt es das erfindungsgemäße Distanzhalterelement, das Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit aus Blechformteilen zu bilden, welche durch einen oder mehrere Umformvorgänge, beispielsweise durch Prägen und/oder Tiefziehen, aus einem Metallblech, insbesondere aus einem hochtemperaturbeständigen Edelstahlblech oder einem mit einem anorganischen oder keramischen Material beschichteten Stahlblech, hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Distanzhalterelement eignet sich insbesondere zum Einsatz in einer SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, deren Betriebstemperatur im Bereich von ungefähr 600° C bis ungefähr 1.000° C liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels, der mehrere längs einer Stapelrichtung aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten umfaßt, von denen in 1 zwei dargestellt sind;
2 einen schematischen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel;
3 einen schematischen Schnitt durch ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil einer Brennstoffzelleneinheit und ein zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnetes Distanzhalterelement, im Bereich eines die Brennstoffzelleneinheit durchsetzenden Gaskanals;
4 eine schematische Draufsicht von oben auf das Distanzhalterelement aus 3;
5 einen schematischen Schnitt durch das Distanzhalterelement aus 4, längs der Linie 5-5 in 4;
6 eine Distanzhalterelement-Vorform, die aus einer ebenen Blechplatte ausgestanzt worden ist und vier Materiallagen mit längs einer Geraden angeordneten Mittelpunkten umfaßt;
7 eine alternative Ausführungsform einer Distanzhalterelement-Vorform, die aus einer ebenen Blechplatte ausgestanzt worden ist und vier Materiallagen umfaßt, deren Mittelpunkte an den Eckpunkten eines Quadrates liegen;
8 eine weitere Ausführungsform einer Distanzhalterelement-Vorform, die aus einer ebenen Blechplatte ausgestanzt ist und zwei Materiallagen umfaßt;
9 eine schematische Draufsicht von oben auf ein durch Aufeinanderfalten der beiden Materiallagen aus der in 8 dargestellten Vorform hergestellten Distanzhalterelements;
10 einen schematischen Schnitt durch das Distanzhalterelement aus 9 längs der Linie 10-10 in 9; und
11 eine weitere Ausführungsform einer Distanzhalterelement-Vorform, die aus einer ebenen Blechplatte ausgestanzt ist und acht Materiallagen umfaßt, deren Mittelpunkte längs einer Geraden angeordnet sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein in den 1 bis 3 dargestellter, als Ganzes mit 100 bezeichneter Brennstoffzellenstapel umfaßt mehrere Brennstoffzelleneinheiten 102 von jeweils gleichem Aufbau, welche längs einer vertikalen Stapelrichtung 104 aufeinander gestapelt sind.
Jede der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfaßt ein Gehäuse 106, das aus einem Gehäuseunterteil 108 und einem Gehäuseoberteil 110 zusammengesetzt ist.
Das Gehäuseunterteil 108 ist als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 112, welche an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 104 umgebogenen Randflansch 114 übergeht.
Das Gehäuseoberteil 110 ist ebenfalls als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 116, die an ihren Rändern in einen im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 104 umgebogenen, zu dem Gehäuseunterteil 108 weisenden und den Randflansch 114 des Gehäuseunterteils 108 übergreifenden Randflansch 118 übergeht.
Der Randflansch 118 des Gehäuseoberteils 110 ist längs einer umlaufenden Schweißnaht 120 gasdicht mit dem Randflansch 114 des Gehäuseunterteils 108 verbunden.
Das Gehäuseoberteil 110 und das Gehäuseunterteil 108 sind vorzugsweise aus einem hoch korrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise aus der Legierung Crofer 22, hergestellt.
Der Werkstoff Crofer 22 hat die folgende Zusammensetzung: 22 Gewichtsprozent Chrom, 0,6 Gewichtsprozent Aluminium, 0,3 Gewichtsprozent Silizium, 0,45 Gewichtsprozent Mangan, 0,08 Gewichtsprozent Titan, 0,08 Gewichtsprozent Lanthan, Rest Eisen.
Das Gehäuseoberteil 110 weist eine im wesentlichen rechteckige Durchtrittsöffnung 122 auf, in welcher ein im wesentlichen quaderförmiges Substrat 124 aufgenommen ist, das an seiner Oberseite eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit 126 trägt.
Die Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (KEA-Einheit) 126 umfasst eine direkt an der Oberseite des Substrats 124 angeordnete Anode 128, einen über der Anode 128 angeordneten Elektrolyten 130 und eine über dem Elektrolyten 130 angeordnete Kathode 132.
Die Anode 128 ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (von ungefähr 800° C bis ungefähr 900° C) elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus ZrO₂ oder aus einem NiZrO₂-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch), gebildet, welches porös ist, um einem durch das Substrat 124 hindurch gelangenden Brenngas den Durchtritt durch die Anode 128 zu dem an die Anoden 128 angrenzenden Elektrolyten 130 zu ermöglichen.
Als Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
Der Elektrolyt 130 ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt ausgebildet und beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid gebildet.
Die Kathode 132 ist aus einem bei der Betriebstemperatur elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus (La_0,8Sr_0,2)_0,98MnO₃, gebildet und weist eine Porosität auf, um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff, aus einem an die Kathode 132 angrenzenden Oxidationsmittelraum 134 den Durchtritt zu dem Elektrolyten 130 zu ermöglichen.
Der gasdichte Elektrolyt 130 erstreckt sich über den Rand der gasdurchlässigen Anode 128 und über den Rand der gasdurchlässigen Kathode 132 hinaus und liegt mit seiner Unterseite direkt auf der Oberseite eines Randbereichs des Substrats 124 auf. Der Randbereich des Substrats 124 ist gasdicht mit dem Gehäuseoberteil 110 verschweißt, wobei durch den Schweißvorgang in dem Randbereich des Substrats 124 eine gasdichte Zone 133 gebildet wird, welche sich über die gesamte Höhe des Randbereichs des Substrats 124 hindurch erstreckt. Diese gasdichte Zone 133 wird von dem Elektrolyten 130 überdeckt, so daß der von dem Innenbereich des Substrats 124 und dem Zwischenraum zwischen dem Gehäuseunterteil 108 und dem Gehäuseoberteil 110 gebildete Brenngasraum 136 der Brennstoffzelleneinheit 102 gasdicht von dem über dem Elektrolyten 130 liegenden Oxidationsmittelraum 134 getrennt ist.
Das Substrat 124 kann beispielsweise als ein Metallgestrick, Metallgewebe, Metallgeflecht, Metallvlies und/oder als ein aus gesinterten oder gepreßten Metallpartikeln bestehender poröser Körper ausgebildet sein.
Da das Substrat 124 mit der Anode 128 in elektrisch leitendem Kontakt steht, wird das Substrat 124 auch als Anodenkontaktkörper 138 bezeichnet.
An seiner der Anode abgewandten Unterseite ist der Anodenkontaktkörper 138 mit einem Kontaktfeld 140, das mittig an dem Gehäuseunterteil 108 angeordnet ist, verlötet.
Das Kontaktfeld 140 kann beispielsweise wellblechförmig ausgebildet sein.
Die Kathode 132 ist in elektrisch leitender Weise mit einem oberhalb der KEA-Einheit 126 angeordneten (in der Explosionsdarstellung der 1 nicht dargestellten) Kathodenkontaktkörper 142 verbunden, dessen der Kathode 132 abgewandte Oberseite mit der Unterseite des Gehäuseunterteils 108 einer in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden weiteren Brennstoffzelleneinheit 102 verlötet ist.
Über den Kathodenkontaktkörper 142, das Gehäuseunterteil 108 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 und den Anodenkontaktkörper 138 der benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 ist also die Kathode 132 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 elektrisch leitend mit der Anode 128 der in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 verbunden.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 weist die KEA-Einheit 126 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 eine Temperatur von beispielsweise ungefähr 850° C auf, bei welcher der Elektrolyt 130 für Sauerstoffionen leitfähig ist. Das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 134 nimmt an der Kathode 132 Elektronen auf und gibt zweiwertige Sauerstoffionen an den Elektrolyten 130 ab, welche durch den Elektrolyten 130 zur Anode 128 wandern. An der Anode 128 wird das Brenngas aus dem Brenngasraum 136 durch die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten 130 oxidiert und gibt dabei Elektronen an die Anode 120 ab.
Die bei der Reaktion an der Anode 132 frei werdenden Elektronen werden von der Anode 128 über den Anodenkontaktkörper 138, das Gehäuseunterteil 108 und den Kathodenkontaktkörper 142 der Kathode 132 einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 100 zugeführt und ermöglichen so die Kathodenreaktion.
Um den Brenngasräumen 136 der Brennstoffzelleneinheiten 102 Brenngas zuführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Brenngasdurchgangsöffnungen 144 und die Gehäuseoberteile 110 mit Brenngasdurchgangsöffnungen 146 versehen, welche miteinander fluchten, so daß die Brenngasdurchgangsöffnungen 144, 146 durchsetzende vertikale Brenngaskanäle 148 gebildet werden.
Um Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 abführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Abgasdurchgangsöffnungen 150 und die Gehäuseoberteile 110 mit Abgasdurchgangsöffnungen 152 versehen, welche miteinander fluchten, so daß ein oder mehrere vertikale, die Abgasdurchgangsöffnungen 150, 152 durchsetzende Abgaskanäle 154 gebildet werden.
Um den Oxidationsmittelräumen 134 der Brennstoffzelleneinheiten 102 Oxidationsmittel zuführen zu können und überschüssiges Oxidationsmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 100 abführen zu können, sind die Gehäuseunterteile 108 mit Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 156 und die Gehäuseoberteile 110 mit Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 158 versehen, welche miteinander fluchten, so daß die Oxidationsmitteldurchgangsöffnungen 156, 158 durchsetzende vertikale Oxidationsmittelkanäle gebildet werden.
Um einen elektrischen Kurzschluß zu verhindern, müssen jedoch die Gehäuse 106 längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten 102 elektrisch voneinander isoliert werden. Um diese elektrische Isolationswirkung zu erzielen, sind zwischen der Oberseite des Gehäuseoberteils 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 und der Unterseite des Gehäuseunterteils 108 der darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 Bauelemente angeordnet, welche bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 eine elektrische Isolationswirkung aufweisen und im folgenden als Isolationselemente 164 bezeichnet werden.
Jedes der Isolationselemente 164 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, mit parallel zur Stapelrichtung 104 ausgerichteter Ringachse, und umgibt ringförmig jeweils einen der Brenngaskanäle 148 oder einen der Abgaskanäle 154.
Jedes Isolationselement 164 umfaßt einen ringförmigen Grundkörper 166 aus einer metallischen Legierung, die Aluminium enthält.
Insbesondere kann der Grundkörper 166 aus einer Stahllegierung gebildet sein, die unter der Bezeichnung „FeCrAlY" oder auch „Aluchrom Y" bekannt ist.
Die Zusammensetzung der FeCrAlY-Legierung ist die folgende: 30 Gewichtsprozent Chrom, 5 Gewichtsprozent Aluminium, 0,5 Gewichtsprozent Yttrium, Rest Eisen.
Die Unterseite des ringförmigen Grundkörpers 166 ist über eine Lotschicht 168 mit der Oberseite eines Gehäuseoberteils 110 verbunden.
An der Oberseite des ringförmigen Grundkörpers 166 ist eine bei der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 elektrisch isolierende Isolationsschicht 170 aus Aluminiumoxid angeordnet, welche durch Oxidation von Aluminium aus der metallischen Legierung des Grundkörpers 166 erzeugt worden ist.
Da das Isolationselement 164 einen Brenngaskanal 148 umgibt und der Brenngaskanal 148 gasdicht von dem das Isolationselement 164 umgebenden Oxidationsmittelraum 134 getrennt werden muß, ist zwischen der Isolationsschicht 170 des Isolationselements 164 und der Unterseite des benachbarten Gehäuseunterteils 108 ein ringförmiges Dichtelement 172 angeordnet, welches aus einem gasdichten Material, beispielsweise aus einer keramischen Dichtmasse, gebildet ist.
Beispiele hierfür verwendbarer keramischer Dichtmassen sind insbesondere aus der DE 102 06 863 A1 bekannt.
Durch das Dichtelement 172 aus der keramischen Dichtmasse ist das Isolationselement 164 mit dem benachbarten Gehäuseunterteil 108 verklebt, wobei zugleich der von dem Isolationselement 164 umschlossene Gaskanal gasdicht von dem Außenraum des Isolationselements 164 getrennt wird.
Um die Isolationselemente 164, die jeweils zwischen den Gehäusen 106 zweier Brennstoffzelleneinheiten 102 angeordnet sind, in einfacher Weise als Einheit handhaben zu können, kann vorgesehen sein, daß diese ringförmigen Isolationselemente 164 über jeweils einen Steg 174 mit einem im wesentlichen rechteckigen Rahmen 176 verbunden sind, wobei der Rahmen 176 und die Stege 174 ebenso wie die ringförmigen Isolationselemente 164 selbst aus einem Grundkörper aus der metallischen Legierung und einer an dessen Oberseite erzeugten Aluminiumoxidschicht gebildet sind (siehe 1).
Um die mechanische Stabilität der Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 zu erhöhen, sind zwischen dem Gehäuseunterteil 108 und dem Gehäuseoberteil 110 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 jeweils die Brenngaskanäle 148 bzw. die Abgaskanäle 154 ringförmig umgebende Distanzhalterelemente 160 angeordnet, welche radiale Gasdurchtrittskanäle 162 aufweisen, um den Durchtritt von Brenngas aus den Brenngaskanälen 148 in die Brenngasräume 136 bzw. den Austritt von Abgas aus den Brenngasräumen 136 in die Abgaskanäle 154 zu ermöglichen.
Diese Distanzhalterelemente 160 sind in den 1 und 2 nur rein schematisch dargestellt.
Eines dieser Distanzhalterelemente 160, das beispielsweise einen der Abgaskanäle 154 ringförmig umgibt, ist in den 3 bis 5 im einzelnen dargestellt.
Dieses Distanzhalterelement 160 umfaßt vier Materiallagen 180, die längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgen und jeweils als eine im wesentlichen ebene Platte 182 ausgebildet sind.
Das Distanzhalterelement 160 wird aus der in 6 dargestellten Distanzhalterelement-Vorform 184 gebildet, welche aus einem Ausgangsmaterial, beispielsweise aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus einem Stahlblech, ausgestanzt oder ausgeschnitten wird.
Die Distanzhalterelement-Vorform 184 umfaßt eine erste Materiallage 180a mit einem ersten Trägerelement 186a, das im wesentlichen die Form eines Kreisringes mit dem Ringaußendurchmesser D₁ und dem Ringinnendurchmesser d₁ aufweist.
Von der der Mittelachse 188a abgewandten Außenseite 189 des ersten Trägerelements 186a steht nach außen eine Befestigungslasche 190 ab, mittels welcher das Distanzhalterelement 160 an einem der Gehäuseteile der Brennstoffzelleneinheit 102, beispielsweise an der Oberseite des Gehäuseunterteils 108, festlegbar ist (siehe 3).
Die Festlegung der Befestigungslasche 190 an dem Gehäuseteil kann insbesondere durch Verschweißung, beispielsweise an den Schweißpunkten 192a, 192b, mit dem betreffenden Gehäuseteil erfolgen.
Im übrigen ist die Außenseite 189 des ersten Trägerelements 186a im wesentlichen kreisförmig ausgebildet.
Von der der Mittelachse 188a der Materiallage 180a zugewandten Innenseite 194 des Trägerelements 186a stehen in radialer Richtung mehrere, beispielsweise acht, Kanalbegrenzungselemente 196 in Form von ersten Kanalbegrenzungslaschen 198a vor, die im Abstand d₂/2 von der Mittelachse 188a der ersten Materiallage 180 enden.
Die ersten Kanalbegrenzungslaschen 198a verjüngen sich mit kleiner werdendem Abstand von der Mittelachse 188a, so daß ihre seitlichen Ränder 199 im wesentlichen radial verlaufen, und sind längs der Umfangsrichtung des Trägerelements 188a voneinander beabstandet, so daß zwischen jeweils zwei längs des Umfangs des Trägerelements 186a aufeinanderfolgenden Kanalbegrenzungselementen 196 jeweils ein innerer Gasdurchtrittskanalabschnitt 200a ausgebildet ist, welcher zu beiden Seiten von jeweils einer ersten Kanalbegrenzungslasche 198a und an seinem radial äußeren Ende durch das Trägerelement 186a berandet ist, an seinem radial inneren Ende jedoch in den Ringinnenraum 202 der ersten Materiallage 180a mündet.
Eine zweite Materiallage 180b umfaßt ein zweites Trägerelement 186b, das im wesentlichen die Form eines Kreisrings mit dem Ringinnendurchmesser d₂ und dem Ringaußendurchmesser D₂ aufweist.
Der Ringinnendurchmesser d₂ des zweiten Trägerelements 186b stimmt im wesentlichen mit dem Durchmesser der Gasdurchgangsöffnungen 150, 152 in dem Gehäuseunterteil 108 bzw. in dem Gehäuseoberteil 110 überein.
Von der der Mittelachse 188b der zweiten Materiallage 180b abgewandten Außenseite 189 der zweiten Materiallage 180b stehen mehrere, beispielsweise acht, Kanalbegrenzungselemente 196 in Form von zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b radial nach Außen ab.
Die Anzahl der zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b stimmt mit der Anzahl der ersten Kanalbegrenzungslaschen 198a der ersten Materiallage 180a überein.
Die zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b erstrecken sich radial nach außen bis zu einem radial äußeren Endbereich, der den Abstand aus D₁/2 von der Mittelachse 188b aufweist.
Längs des Umfangs des Trägerelements 186b sind die zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b voneinander beabstandet, so daß zwischen jeweils zwei in der Umfangsrichtung des Trägerelements 186b aufeinanderfolgenden Kanalbegrenzungselementen 196 jeweils ein äußerer Gasdurchtrittskanalabschnitt 200b ausgebildet ist, welcher zu seinen beiden Seiten durch jeweils eine zweite Kanalbegrenzungslasche 198b und radial nach innen durch das zweite Trägerelement 186b berandet ist, während er sich an seinem radial äußeren Ende zur Außenseite der Materiallage 180b hin öffnet.
Die zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b sind längs des Umfangs des zweiten Trägerelements 186b äquidistant und in konstanten Winkelabständen voneinander verteilt.
Die zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b verbreitern sich mit wachsendem Abstand von der Mittelachse 188b der zweiten Materiallage 180b, so daß ihre seitlichen Ränder 199 im wesentlichen radial verlaufen.
Der radial äußere Rand einer der zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b, welche der ersten Materiallage 180a zugewandt ist, ist über einen Biegebereich 204a mit der Außenseite 189 des ersten Trägerelements 186a der ersten Materiallage 180a verbunden.
Die der Mittelachse 188b der zweiten Materiallage 180b zugewandte Innenseite 194 des zweiten Trägerelements 186b ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet.
Die Distanzhalterelement-Vorform 184 umfaßt eine dritte Materiallage 180c, die im wesentlichen genauso ausgebildet ist wie die erste Materiallage 180a, jedoch mit dem Unterschied, daß von der Außenseite 189 des Trägerelements 186c der dritten Materiallage 180c keine Befestigungslasche 190 nach außen absteht, sondern stattdessen die kreisförmige Außenseite 189 des Trägerelements 186c über einen Biegebereich 204b mit einem radial äußeren Rand einer der zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b der zweiten Materiallage 180b verbunden ist.
Ferner umfaßt die Distanzhalterelement-Vorform 184 eine vierte Materiallage 180d, welche im wesentlichen genauso aufgebaut ist wie die zweite Materiallage 180b, mit dem einzigen Unterschied, daß die vierte Materiallage 180d lediglich am radial äußeren Rand einer der zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b über einen Biegebereich 204c mit der Außenseite 189 des Trägerelements 186c der dritten Materiallage 180c verbunden ist, die dieser mit der dritten Materiallage 180c verbundenen Kanalbegrenzungslasche 198b gegenüberliegende Kanalbegrenzungslasche jedoch nicht mit einer weiteren Materiallage verbunden ist.
Aus der vorstehend beschriebenen Distanzhalterelement-Vorform 184 wird durch Biege- oder Faltvorgänge das in den 3 bis 5 dargestellte fertige Distanzhalterelement 160 gebildet.
Hierzu wird zunächst die zweite Materiallage 180b um den zwischen der ersten Materiallage 180b und der zweiten Materiallage 180b angeordneten Biegebereich 204a so um einen Winkel von ungefähr 180° auf die erste Materiallage 180a gefaltet, daß die Oberseite 206b der zweiten Materiallage 180b flächig auf der Oberseite 206a der ersten Materiallage 180a aufliegt, und zwar so, daß die zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b der zweiten Materiallage 180b flächig auf den ersten Kanalbegrenzungslaschen 198a der ersten Materiallage 180a aufliegen, wobei die seitlichen Ränder 199 der Kanalbegrenzungslaschen 198a, 198b im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die radial inneren Ränder der ersten Kanalbegrenzungslaschen 198a der ersten Materiallage 180a von dem Trägerelement 186b der zweiten Materiallage 180b überdeckt werden, während das Trägerelement 186a der ersten Materiallage 180a die radial äußeren Endbereiche der zweiten Kanalbegrenzungslaschen 198b der zweiten Materiallage 180b nach unten abstützt.
Bei diesem Faltvorgang wird der Biegebereich 204a zwischen der ersten Materiallage 180a und der zweiten Materiallage 180b in eine im wesentlichen U-förmige Gestalt gebogen.
Anschließend wird die dritte Materiallage 180c um einen Winkel von ungefähr 180° um den Biegebereich 204b zwischen der zweiten Materiallage 180b und der dritten Materiallage 180c so auf die zweite Materiallage 180b gefaltet, daß die Unterseite 208c der dritten Materiallage 180c flächig auf der Unterseite 208b der zweiten Materiallage 180b aufliegt, wobei der Biegebereich 204b in eine im Querschnitt im wesentlichen U-förmige Gestalt gebogen wird.
Schließlich wird die vierte Materiallage 180d um den Biegebereich 204c zwischen der dritten Materiallage 180c und der vierten Materiallage 180d so um einen Winkel von ungefähr 180° auf die dritte Materiallage 180c gefaltet, daß die Oberseite 206d der vierten Materiallage 180d flächig auf der Oberseite 206c der dritten Materiallage 180c aufliegt, wobei der Biegebereich 204c in eine im Querschnitt im wesentlichen U-förmige Gestalt gebogen wird.
Da der Ringinnendurchmesser d₁ der Trägerelemente 186a, 186c der ersten Materiallage 180a und der dritten Materiallage 180c größer ist als der Ringaußendurchmesser D₂ der Trägerelemente 186b, 186d der zweiten Materiallage 180b und der vierten Materiallage 180d, sind die Trägerelemente 186 längs der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender Materiallagen 180 jeweils in der Radialrichtung des Distanzhalterelements 160 gegeneinander versetzt, so daß zwischen den Trägerelementen 186 aufeinanderfolgender Materiallagen 180 jeweils ein Zwischenraum 210 entsteht, durch welchen jeweils ein innerer Gasdurchtrittskanalabschnitt 200a der ersten Materiallage 180a oder der dritten Materiallage 180c mit jeweils einem äußeren Gasdurchtrittskanalabschnitt 200b der zweiten Materiallage 180b oder der vierten Materiallage 180d verbunden ist, so daß aus jeweils einem inneren Gasdurchtrittskanalabschnitt 200a und einem zugeordneten äußeren Gasdurchtrittskanalabschnitt 200b sowie dem zugehörigen Zwischenraum 210 zwischen den Trägerelementen 186 jeweils ein Gasdurchtrittskanal 212 gebildet wird, der – in einem vertikalen Querschnitt durch das Distanzhalterelement 160 gesehen – treppenförmig ausgebildet ist und über den jeweils zugeordneten inneren Gasdurchtrittskanalabschnitt 200a in den Ringinnenraum 202 des Distanzhalterelements 160 und über den jeweils zugeordneten äußeren Gasdurchtrittskanalabschnitt 200b an der Außenseite des Distanzhalterelements 160 mündet, so daß ein Gas durch den Gasdurchtrittskanal 212 von dem das Distanzhalterelement 160 ringförmig umgebenden Brenngasraum 136 in den den Ringinnenraum 202 des Distanzhalterelements 160 durchsetzenden Abgaskanal 154 strömen kann (siehe 3).
Die in der Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelten Trägerelemente 186 und Kanalbegrenzungselemente 196 bilden somit eine ringförmige Abstützwand 220 des Distanzhalterelements 160, welche durch mehrere Gasdurchtrittskanäle 212 von ihrer Innenseite zu ihrer Außenseite durchsetzt wird.
Wie am besten aus 3 zu ersehen ist, ist das Distanzhalterelement 160 so mittels der Befestigungslasche 190 an der Oberseite des Gehäuseunterteils 180 der Brennstoffzelleneinheit 114 festgelegt, daß die kreisförmigen Innenseiten 194 der Trägerelemente 186b, 186d der zweiten Materiallage 180b und der vierten Materiallage 180d im wesentlichen mit den Abgasdurchgangsöffnungen 150, 152 in dem Gehäuseunterteil 108 bzw. in dem Gehäuseoberteil 110 fluchten.
Die an den Brenngaskanälen 148 angeordneten Distanzhalterelemente 160 sind genauso wie die an den Abgaskanälen 154 angeordneten Distanzhalterelemente 160 ausgebildet, werden jedoch von dem Gas in umgekehrter Richtung durchströmt, das heißt das Brenngas aus den Brenngaskanälen 148 strömt von den Ringinnenräumen 202 der Distanzhalterelemente 160 an den Brenngaskanälen 148 durch die Gasdurchtrittskanäle 212 in die die Distanzhalterelemente 160 ringförmig umgebenden Brenngasräume 136.
Wie am besten aus 3 zu ersehen ist, liegt jedes der Distanzhalterelemente 160 im fertig montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit mit der Unterseite 208a der ersten Materiallage 180a flächig an der Oberseite des Gehäuseunterteils 108 und mit der (nach oben geklappten) Unterseite 208d der vierten Materiallage 180d flächig an der Unterseite des Gehäuseoberteils 110 der Brennstoffzelleneinheit 102 an.
Durch das flächige Anliegen des Distanzhalterelements 160 an den benachbarten Gehäuseteilen 108, 110 der Brennstoffzelleneinheit 102 wird eine möglichst homogene Dichtpressungsverteilung an dem Distanzhalterelement 160 im eingebauten Zustand erzielt.
Die Gasdurchtrittskanäle 212, die in dem Distanzhalterelement 160 ausgebildet sind, ermöglichen einen Gasaustausch zwischen der Ringinnenseite und der Ringaußenseite des Distanzhalterelements 160 mit einem nur geringen Strömungswiderstand.
Durch die Wahl der Dicke des Ausgangsmaterials, aus dem die Distanzhalterelement-Vorform 184 ausgestanzt oder ausgeschnitten wird, kann die Gesamthöhe des fertigen Distanzhalterelements 160 auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden.
Ferner ist es auch möglich, die Anzahl der Materiallagen 180, aus denen das Distanzhalterelement 160 gebildet wird, zu verringern oder zu erhöhen, um so eine niedrigere oder eine höhere Einbaudicke des Distanzhalterelements 160 zu erzielen.
Außerdem könnten auch mehrere Distanzhalterelemente 160, die nicht einstückig miteinander verbunden sind, übereinander gestapelt werden, um die Distanz zwischen den Gehäuseteilen 108, 110 der Brennstoffzelleneinheit 102 zu überbrücken.
Bei der in 6 dargestellten und vorstehend beschriebenen Distanzhalterelement-Vorform 184 sind vier aus einem Ausgangsmaterial ausgestanzte oder ausgeschnittene Materiallagen 180 so angeordnet, daß ihre Mittelachsen 188 alle in derselben vertikalen Ebene liegen.
Eine alternative, in 7 dargestellte Distanzhalterelement-Vorform 184 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten Distanzhalterelement-Vorform lediglich dadurch, daß die Materiallagen 180 untereinander so über Biegebereiche 204 verbunden sind, daß die Mittelachsen 188 der Materiallagen 180 nicht alle in derselben vertikalen Ebene liegen, sondern längs vier paralleler Kanten eines Würfels ausgerichtet sind.
Anders ausgedrückt, ist eine erste Verbindungsgerade 214a, welche den Mittelpunkt 216a der ersten Materiallage 180a mit dem Mittelpunkt 216b der zweiten Materiallage 180a verbindet, senkrecht zu einer zweiten Verbindungsgerade 214b ausgerichtet, welche den Mittelpunkt 216b der zweiten Materiallage 180b mit dem Mittelpunkt 216c der dritten Materiallage 180c verbindet.
Ferner ist bei der in 7 dargestellten Distanzhalterelement-Vorform 184 eine dritte Verbindungsgerade 214c, welche den Mittelpunkt 216c der dritten Materiallage 180c mit dem Mittelpunkt 216d der vierten Materiallage 180d verbindet, im wesentlichen senkrecht zu der zweiten Verbindungsgerade 214b angeordnet.
Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Distanzhalterelement-Vorform 184, welche eine deutlich geringere größte Ausdehnung aufweist als die in 6 dargestellte Distanzhalterelement-Vorform und sich zur Vermeidung von Materialverlusten insbesondere dann eignet, wenn die Distanzhalterelement-Vorform 184 aus Blechscheiben des Durchmessers 6 ausgestanzt oder ausgeschnitten werden sollen.
Im übrigen stimmen die aus der Distanzhalterelement-Vorform 184 gemäß 7 gefalteten Distanzhalterelemente 160 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit den vorstehend beschriebenen, aus der Distanzhalterelement-Vorform 184 gemäß 6 gefalteten Distanzhalterelementen 160 überein.
Bei der Herstellung einer Brennstoffzelleneinheit 102 werden die fertig gefalteten Distanzhalterelemente 160 mit der Unterseite 208a der ersten Materiallage 180a auf die Oberseite des Gehäuseunterteils 108 aufgelegt und im Bereich der Befestigungslasche 190 durch Verschweißung mit dem Gehäuseunterteil 108 verbunden.
Anschließend wird das Gehäuseoberteil 110 auf das Gehäuseunterteil 108 aufgesetzt und längs der Schweißnähte 120 mit dem Gehäuseunterteil 108 verschweißt.
Anschließend werden die Grundkörper 166 der Isolationselemente 164 auf die Oberseite des Gehäuseoberteils 110 aufgelötet (das Auflöten der Grundkörper 166 kann jedoch auch bereits vor dem Verschweißen der Gehäuseteile 108, 110 erfolgen).
Anschließend wird die keramische Dichtungsmasse auf die freie Oberseite der. Isolationsschichten 170 und/oder auf die Unterseite der jeweils zugeordneten Gehäuseunterteile 108 aufgetragen, und die Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 des Brennstoffzellenstapels 100 mit den jeweils dazwischen angeordneten Isolationselementen 164 werden aufeinander gestapelt, worauf der Brennstoffzellenstapel 100 bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 70° C bis ungefähr 80° C getrocknet wird.
Eine Aushärtung der Dichtelemente 172 aus der keramischen Dichtmasse erfolgt beim ersten Aufheizen des Brennstoffzellenstapels 100 auf dessen Betriebstemperatur.
Um den Anpressdruck, mit dem die Distanzhalterelemente 160 und die Isolationselemente 164 gegen die Gehäuseteile 108, 110 gepreßt werden, auf einen gewünschten Wert einstellen zu können, kann der Brennstoffzellenstapel 100 mit einer (nicht dargestellten) Spanneinrichtung versehen sein, wie sie beispielsweise in der EP 1 278 258 A2 beschrieben und dargestellt ist.
Dabei wird ein Zusammendrücken der Gehäuse 106 der Brennstoffzelleneinheiten 102 unter dem Anpressdruck, mit welchem die Gehäuse 106 beaufschlagt werden, durch die das Gehäuseunterteil 108 und das Gehäuseoberteil 110 des Gehäuses 106 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 voneinander auf Abstand haltenden Distanzhalterelemente 160 verhindert.
Eine in den 8 bis 10 dargestellte weitere Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160 unterscheidet sich von der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß die in den 8 bis 10 dargestellte Ausführungsform aus lediglich zwei Materiallagen 180a, 180b zusammengesetzt ist, welche aufeinandergefaltet sind und im aufeinandergefalteten Zustand mit ihren einander zugewandten Stirnseiten flächig aneinander anliegen.
Wie am besten aus 10 zu ersehen ist, sind auch bei dieser Ausführungsform die Trägerelemente 186a, 186b der beiden Materiallagen 180a, 180b in radialer Richtung zueinander versetzt, so daß die inneren Gasdurchtrittskanalabschnitte 200a der ersten Materiallage 180a und die äußeren Gasdurchtrittskanalabschnitte 200b der zweiten Materiallage 180b zusammen mit den Zwischenräumen 210 zwischen den Trägerelementen 186a, 186b jeweils einen treppenförmigen Gasdurchtrittskanal 212 bilden, welcher den Ringinnenraum 202 des Distanzhalterelements 160 mit dem Außenraum des Distanzhalterelements 160 verbindet.
Da diese Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160 lediglich die doppelte Höhe des Ausgangsmaterials aufweist, aus welchem die Distanzhalterelement-Vorform 184 herausgetrennt worden ist, eignet sich diese Ausführungsform insbesondere zur Verwendung in Gehäusen 106 von Brennstoffzelleneinheiten 102, bei denen das Gehäuseunterteil 108 und das Gehäuseoberteil 110 im Bereich der Brenngaskanäle 148 und der Abgaskanäle 154 einen relativ geringen Abstand voneinander aufweisen.
Im übrigen stimmt die in den 8 bis 10 dargestellte Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160 hinsichtlich Aufbau und Funktion sowie in der Herstellungsweise mit der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform überein.
Eine weitere Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160, deren Distanzhalterelement-Vorform 184 in 11 dargestellt ist, unterscheidet sich von der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160 im wesentlichen nur dadurch, daß bei dem in 11 dargestellten Distanzhalterelement 160 acht Materiallagen 180 statt nur vier Materiallagen 180 aufeinander gefaltet sind.
Dadurch wird es möglich, bei gleicher Stärke des Ausgangsmaterials, aus dem die Distanzhalterelement-Vorform 164 herausgetrennt wird, eine doppelt so große Höhe, das heißt Ausdehnung parallel zur Stapelrichtung 104, des Distanzhalterelements 160 zu erzielen wie bei der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform.
Die in 11 dargestellte Distanzhalterelement-Vorform 164 ist linear ausgebildet, das heißt die Mittelpunkte 216 der Materiallagen 180 sind alle längs einer Verbindungsgeraden 214 angeordnet.
Um das Ausgangsmaterial, aus welchem die Distanzhalterelement-Vorform 184 herausgetrennt wird, besser auszunutzen, kann aber auch vorgesehen sein, daß die Distanzhalterelement-Vorform 184 gewinkelt ausgebildet ist, ähnlich wie die in 7 dargestellte Distanzhalterelement-Vorform, das heißt daß die Verbindungsgeraden 214, welche die Mittelpunkte 216 aufeinanderfolgender Materiallagen 180 in der Distanzhalterelement-Vorform 184 miteinander verbinden, quer, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht, zueinander ausgerichtet sind.
Im übrigen stimmt die in 11 als Distanzhalterelement-Vorform 184 dargestellte Ausführungsform eines Distanzhalterelements 160 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform überein.

Claims

Distanzhalterelement für einen Brennstoffzellenstapel (100), das im montierten Zustand des Brennstoffzellenstapels (100) an einem ersten Bauteil (108) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) und an einem zweiten Bauteil (110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) des Brennstoffzellenstapels (100) anliegt und das erste Bauteil (108) und das zweite Bauteil (110) auf Abstand voneinander hält, umfassend eine Abstützwand (220) mit einer Innenseite und einer Außenseite und mindestens einen die Abstützwand (220) von der Innenseite zu der Außenseite durchsetzenden Gasdurchtrittskanal (212), wobei das Distanzhalterelement (160) mindestens zwei Materiallagen (180) umfasst, die längs einer Stapelrichtung (104) aufeinander gestapelt sind, wobei mindestens eine der Materiallagen (180) ein Trägerelement (186), das sich in einer Umfangsrichtung des Distanzhalterelements (160) erstreckt, und mindestens zwei von dem Trägerelement (186) quer zu der Umfangsrichtung abstehende Kanalbegrenzungselemente (196) umfasst, welche seitliche Begrenzungen eines Abschnitts (200) eines Gasdurchtrittskanals (212) des Distanzhalterelements (160) bilden, und wobei im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) das Trägerelement (186) und die mindestens zwei von dem Trägerelement (186) abstehenden Kanalbegrenzungselemente (196) in derselben Materiallage enthalten sind.
Distanzhalterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (186) ringförmig geschlossen ausgebildet ist.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (186) im wesentlichen kreisringförmig oder kreisringabschnittsförmig ausgebildet ist und die Kanalbegrenzungselemente (196) in im wesentlichen radialen Richtungen von dem Trägerelement (186) abstehen.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Trägerelement (186) abstehende Kanalbegrenzungselemente (196) längs der Umfangsrichtung des Distanzhalterelements (160) im wesentlichen äquidistant zueinander angeordnet sind.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (186) eine einer Mittelachse (188) der Materiallage (180) zugewandte Innenseite (194) und eine der Mittelachse (188) der Materiallage (180) abgewandte Außenseite (189) aufweist und dass alle Kanalbegrenzungselemente (196), die von dem Trägerelement (186) abstehen, entweder alle von der Innenseite (194) oder alle von der Außenseite (189) des Trägerelements (186) abstehen.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) mindestens eine erste Materiallage (180a) mit einem ersten Trägerelement (186a) und mindestens zwei von dem ersten Trägerelement (186a) abstehenden ersten Kanalbegrenzungselementen (198a), die seitliche Begrenzungen eines ersten Gasdurchtrittskanalabschnitts (200a) bilden, und mindestens eine zweite Materiallage (180b) mit einem zweiten Trägerelement (186b) und mindestens zwei von dem zweiten Trägerelement (186b) abstehenden zweiten Kanalbegrenzungselementen (198b), die seitliche Begrenzungen eines zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitts (200b) bilden, umfasst, wobei das erste Trägerelement (186a) und das zweite Trägerelement (186b) im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) so gegeneinander versetzt sind, dass zwischen dem ersten Trägerelement (186a) und dem zweiten Trägerelement (186b) ein Zwischenraum (210) verbleibt, welcher den ersten Gasdurchtrittskanalabschnitt (200a) und den zweiten Gasdurchtrittskanalabschnitt (200b) miteinander verbindet.
Distanzhalterelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasdurchtrittskanalabschnitt (200a), der zweite Gasdurchtrittskanalabschnitt (200b) und der Zwischenraum (210) zusammen einen die Innenseite der Abstützwand (220) des Distanzhalterelements (160) mit der Außenseite der Abstützwand (220) des Distanzhalterelements (160) verbindenden Gasdurchtrittskanal (212) bilden.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (186a) und das zweite Trägerelement (186b) jeweils eine der Mittelachse (188a, 188b) der jeweiligen Materiallage (180a, 180b) zugewandte Innenseite (194) und eine der Mittelachse (188a, 188b) der jeweiligen Materiallage (180a, 180b) abgewandte Außenseite (189) aufweisen und dass die ersten Kanalbegrenzungselemente (198a) von der Innenseite (194) des ersten Trägerelements (186a) und die zweiten Kanalbegrenzungselemente (198b) von der Außenseite des zweiten Trägerelements (186b) abstehen oder dass die ersten Kanalbegrenzungselemente (198a) von der Außenseite (189) des ersten Trägerelements (186a) und die zweiten Kanalbegrenzungs elemente (198b) von der Innenseite (194) des zweiten Trägerelements (186b) abstehen.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materiallage (180a) und die zweite Materiallage (180b) im wesentlichen eben ausgebildet sind.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materiallage (180a) und die zweite Materiallage (180b) einstückig miteinander verbunden sind.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materiallage (180a) und die zweite Materiallage (180b) über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) gebogenen Bereich (204) miteinander verbunden sind.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanalbegrenzungselement (198a) der ersten Materiallage (180a) über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) gebogenen Bereich (204) mit dem Trägerelement (186b) der zweiten Materiallage (180b) oder das Trägerelement (186a) der ersten Materiallage (180a) über einen im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) gebogenen Bereich (204) mit einem Kanalbegrenzungselement (198b) der zweiten Materiallage (180b) verbunden ist.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materiallage (180a) und die zweite Material lage (180b) im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) flächig aneinander anliegen.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanalbegrenzungselement (198a) der ersten Materiallage (180a) und mindestens ein Kanalbegrenzungselement (198b) der zweiten Materiallage (180b) im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160), vorzugsweise im wesentlichen kongruent, flächig aneinander anliegen.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materiallage (180a) und die zweite Materiallage (180b) im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) aufeinander gefaltet sind.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) mindestens drei Materiallagen (180a, 180b, 180c) umfasst, die im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) aufeinander gefaltet sind.
Distanzhalterelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) aus einer im wesentlichen ebenen Distanzhalterelement-Vorform (184) gebildet ist, in welcher die Mittelpunkte (216) der Materiallagen (180) auf einer Verbindungsgeraden (214) liegen.
Distanzhalterelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) aus einer im wesentlichen ebenen Dis tanzhalterelement-Vorform (184) gebildet ist, in welcher die Mittelpunkte (216a, 216b) der ersten Materiallage (180a) und der zweiten Materiallage (180b) auf einer ersten Verbindungsgeraden (214a) und die Mittelpunkte (216b, 216c) der zweiten Materiallage (180b) und der dritten Materiallage (180c) auf einer zweiten Verbindungsgeraden (214b) liegen, wobei die zweite Verbindungsgerade (214b) quer, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht, zu der ersten Verbindungsgeraden (214a) ausgerichtet ist.
Distanzhalterelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) mindestens vier Materiallagen (180a, 180b, 180c, 180d) umfasst, die im montierten Zustand des Distanzhalterelements (160) aufeinander gefaltet sind, und dass die Mittelpunkte (216c, 216d) der dritten Materiallage (180c) und der vierten Materiallage (180d) auf einer dritten Verbindungsgeraden (214c) liegen, welche quer, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht, zu der zweiten Verbindungsgeraden (214b) ausgerichtet ist.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Materiallagen (180) eine Befestigungslasche (190) umfasst, welche über die Außenkonturen der übrigen Materiallagen des Distanzhalterelements (160) vorsteht.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement als ein von dem ersten Bauteil (108) und dem zweiten Bauteil (110) separates Teil ausgebildet ist.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) im montierten Zustand mit einer ersten Anlagefläche (208a) flächig an dem ersten Bauteil (108) und mit einer zweiten Anlagefläche (208d) flächig an dem zweiten Bauteil (110) anliegt.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (108) eine erste Gasdurchgangsöffnung (150) und das zweite Bauteil (110) eine zweite Gasdurchgangsöffnung (152) aufweist und dass das Distanzhalterelement (160) einen von einem Gas durchströmbaren Innenraum (202) aufweist, der die erste Gasdurchgangsöffnung (150) und die zweite Gasdurchgangsöffnung (152) miteinander verbindet.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (108) als eine erste Gehäusewand (108) einer Brennstoffzelleneinheit (102) und das zweite Bauteil (110) als eine zweite Gehäusewand (110) einer Brennstoffzelleneinheit (102) ausgebildet ist.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) ein metallisches Material, vorzugsweise ein Stahlblech, umfasst.
Distanzhalterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzhalterelement (160) im wesentlichen vollständig aus einem metallischen Material, vorzugsweise aus einem Stahlblech, gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit, umfassend ein Gehäuse (106) mit einer ersten Gehäusewand (108) und einer zweiten Gehäusewand (110) und mindestens ein Distanzhalterelement (160) nach einem der Ansprüche 1 bis 26, das an der ersten Gehäusewand (108) und an der zweiten Gehäusewand (110) anliegt und die erste Gehäusewand (108) und die zweite Gehäusewand (110) auf Abstand voneinander hält.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gehäusewand (108) eine erste Gasdurchgangsöffnung (150) aufweist und die zweite Gehäusewand (110) eine zweite Gasdurchgangsöffnung (152) aufweist und dass das Distanzhalterelement (160) einen von einem Gas durchströmbaren Innenraum (202) aufweist, der die erste Gasdurchgangsöffnung (150) und die zweite Gasdurchgangsöffnung (152) miteinander verbindet.