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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit, die
eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit (im folgenden kurz: KEA-Einheit)
und mindestens ein Kontaktelement zum elektrisch leitenden Kontaktieren
der KEA-Einheit umfasst.
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Beispielsweise
aus der
DE 100 44
703 A1 ist eine solche Brennstoffzelleneinheit bekannt,
bei welcher ein solches Kontaktelement als ein wellblechförmiges Kontaktfeld
eines Gehäuseunterteils
der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
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Ferner
ist es bekannt, statt eines Wellblechs ein Noppenblech zur Kontaktierung
der KEA-Einheit zu verwenden.
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Ferner
ist es bekannt, zur Kontaktierung der KEA-Einheit ein Metallnetz
oder ein Metallgestrick zu verwenden.
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Bei
den als Kontaktelementen verwendeten Wellblechen oder Noppenblechen
muss zur Erzeugung der Kontaktierungspunkte ein extremer Umformgrad
angewandt werden, was bei vielen Werkstoffen zu Werkstoffüberbeanspruchung,
zu Ausbrüchen
und zu undefinierter und ungleichmäßiger Ausformung der Kontaktierungspunkte
führen
kann. Außerdem
ergibt sieh im Bereich unterhalb der Kontaktierungspunkte eine schlechte
Versorgung mit Brenngas bzw. Oxidationsmittel.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit
mit einer zuverlässigen
und einfach herstellbaren elektrischen Kontaktierung der KEA-Einheit
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens
ein Kontaktelement eine mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehene
Platte umfasst.
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Das
erfindungsgemäß verwendete
Kontaktelement liegt im Bereich der Durchbrüche direkt oder indirekt (beispielsweise über ein
Substrat der KEA-Einheit) an der KEA-Einheit an, so dass es nicht erforderlich
ist, durch Umformung eines Ausgangsmaterials zusätzliche Kontaktierungspunkte
in Form von Wellenbergen oder Noppen zu schaffen.
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Das
erfindungsgemäß verwendete
Kontaktelement ist daher aus einer Vielzahl von Werkstoffen in einfacher
Weise herstellbar und ermöglicht
eine zuverlässige
Kontaktierung der KEA-Einheit.
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Da
der gesamte Zwischenraum zwischen den Durchbrüchen an der Platte für die Zufuhr
von Brenngas bzw. Oxidationsmittel zur Verfügung steht, ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit
auch eine besonders gute Versorgung der KEA-Einheit mit den gasförmigen Reaktanden
gewährleistet.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
zumindest einige der Durchbrüche
eine von einer Hauptfläche
des Kontaktelements aus zu einer Seite des Kontaktelements hin vorstehende
Berandung aufweisen. Diese Berandung bildet dann jeweils eine Kontaktstelle
für den elektrisch
leitenden Kontakt zwischen dem Kontaktelement und der KEA-Einheit
bzw. einem Substrat der KEA-Einheit.
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Als
besonders günstig
hat es sich erwiesen, wenn die Berandungen jeweils die Form einer
gezackten Krone aufweisen.
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Solche
gezackten Kronen können
durch Durchstoßen
der Platte mit einer spitz angeschliffenen Nadel erzeugt werden.
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Durch
das Vorhandensein mehrerer Zacken an der Berandung jeden Durchbruchs
werden pro Durchbruch mehrere Kontaktstellen zwischen dem Kontaktelement
und der KEA-Einheit bzw. deren Substrat geschaffen, was den elektrischen
Kontakt zwischen diesen Elementen verbessert.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die gezackten Kronen jeweils drei bis sechs Zacken,
vorzugsweise jeweils vier Zacken, aufweisen.
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Eine
Krone mit vier Zacken kann insbesondere durch Durchstoßen der
Platte mit einer pyramidenförmig
angeschliffenen Nadel erzeugt werden.
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Die
Berandungen der Durchbrüche
können alle
zu derselben Seite des Kontaktelements hin vorstehen. In diesem
Fall ist die KEA-Einheit vorzugsweise auf derjenigen Seite des Kontaktelements
angeordnet, zu weicher die Berandungen der Durchbrüche hin
vorstehen.
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Alternativ
hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass die Berandungen zu zwei
einander entgegengesetzten Seiten des Kontaktelements hin vorstehen.
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Dabei
ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Durchbrüche mit Berandungen, die zu
einer ersten Seite des Kontaktelements hin überstehen, in einem ersten
Gitter (d.h. in einem periodischen Muster) angeordnet sind und dass
die Durchbrüche
mit Berandungen, die zu der der ersten Seite entgegengesetzten zweiten
Seite des Kontaktelements hin vorstehen, in einem zweiten Gitter
angeordnet sind.
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Die
Durchbrüche
des zweiten Gitters sind dabei vorteilhafterweise in Zwischenräumen zwischen
den Durchbrüchen
des ersten Gitters angeordnet.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Durchbrüche
des zweiten Gitters im wesentlichen mittig zwischen den jeweils
benachbarten Durchbrüchen des
ersten Gitters angeordnet sind.
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Da
die Größe der Durchbrüche frei
wählbar ist,
können
grundsätzlich
beliebig lange Zacken und somit beliebig große Überstände der Berandungen über die
Platte des Kontaktelements hergestellt werden, wodurch der zur Verfügung stehende
Gasraum beliebig groß gewählt werden
kann.
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Die
Höhe des Überstandes
der Berandungen über
die Platte beträgt
vorzugsweise von ungefähr
0,5 mm bis ungefähr
2 mm.
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Im
Verhältnis
zur Dicke der Platte gesehen, beträgt die Höhe des Überstandes der Berandung über die
Platte vorzugsweise von ungefähr
der einfachen Dicke der Platte bis ungefähr zum Fünffachen der Dicke der Platte.
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Um
an allen Kontaktstellen des Kontaktelements einen guten Kontakt
zwischen den Berandungen einerseits und der KEA-Einheit bzw. dem
Substrat der KEA-Einheit
andererseits zu gewährleisten, ist
es günstig,
wenn die Höhe
des Überstandes
der Berandungen über
die Platte auf eine im wesentlichen einheitliche Höhe kalibriert
ist.
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Eine
solche Kalibrierung kann dadurch erfolgen, dass das Kontaktelement
zwischen zwei Platten mit einem definierten Abstand gepresst wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Kontaktelement
als ein Zackenblech ausgebildet.
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Die
Flächendichte
der Durchbrüche
an dem Kontaktelement beträgt
vorzugsweise von ungefähr einem
Durchbruch pro cm2 bis zu ungefähr 50 Durchbrüchen pro
cm2. Bei einer solchen Flächendichte
ist ein ausgewogenes Verhältnis
zwischen einem möglichst
geringen Übergangswiderstand
zwischen Kontaktelement und KEA-Einheit einerseits und einer möglichst
guten Zugänglichkeit
der KEA-Einheit für das
Brenngas bzw. das Oxidationsmittel gegeben.
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Der
mittlere Mittelpunktsabstand einander benachbarter Durchbrüche beträgt vorzugsweise
ungefähr
1 mm bis ungefähr
5 mm.
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Die
Durchbrüche
sind vorzugsweise in einem Gittermuster, d.h. in einer regulären periodischen
Anordnung, angeordnet.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Durchbrüche in einem Quadratgitter
oder in einem Rautengitter angeordnet sind.
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Die
Platte des Kontaktelements weist vorzugsweise eine Materialstärke von
ungefähr
0,1 mm bis ungefähr
0,5 mm auf.
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Die
Platte ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Platte aus einem Stahlmaterial gebildet
ist.
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Um
eine dauerhafte Verwendung des Kontaktelements in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit
(SOFC-Brennstoffzelle) zu ermöglichen, ist
die Platte vorzugsweise aus einem hochtemperaturkorrosionsbeständigen Stahlmaterial
gebildet. Ein solches Material ist korrosionsbeständig bei
den hohen Betriebstemperaturen einer SOFC-Brennstoffzelle im Bereich
von 800°C
bis 900°C.
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Das
Kontaktelement kann lose zwischen die KEA-Einheit und ein Gehäuseteil
eines Gehäuses der
Brennstoffzelleneinheit eingelegt sein.
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Alternativ
hierzu ist es auch möglich,
das Kontaktelement an einem Gehäuseteile
eines Gehäuses
der Brennstoffzelleneinheit festzulegen.
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Hierbei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Kontaktelement mit einem
Gehäuseteil
eines Gehäuses
der Brennstoffzelleneinheit verlötet und/oder
verschweißt
ist.
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Außerdem kann
zur Verbesserung des elektrischen Kontakts des Kontaktelements mit
der KEA-Einheit und/oder mit dem Gehäuseteil der Brennstoffzelleneinheit
vorgesehen sein, dass eine Kontaktpaste zwischen dem Kontaktelement
einerseits und der KEA-Einheit und/oder einem Substrat der KEA-Einheit
und/oder dem Gehäuseteil
der Brennstoffzelleneinheit andererseits angeordnet ist.
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Zur
Kontaktierung eines anodenseitigen Kontaktelements kann insbesondere
eine Kontaktpaste, die Nickel oder Nickeloxid enthält, verwendet werden.
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Zur
Kontaktierung eines kathodenseitigen Kontaktelements kann insbesondere
eine Kontaktpaste, die ein dem Kathodenmaterial, beispielsweise also
Lanthan-Strontium-Manganat,
entsprechendes Material enthält,
verwendet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinheit ist
vorgesehen, dass mindestens ein Kontaktelement auf der Anodenseite
der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
angeordnet ist.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Kontaktelement auf
der Kathodenseite der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit angeordnet
ist.
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Anspruch
27 ist auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet, welcher mehrere
längs einer
Stapelrichtung aufeinanderfolgende erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheiten
umfasst.
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Das
Kontaktelement der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit
ermöglicht
auf der Anoden- und/oder auf der Kathodenseite der KEA-Einheit einen
Stromabgriff, der möglichst
geringe Übergangswiderstände bietet
und gleichzeitig das Vorbeiströmen
des Brenngases bzw. des Oxidationsmittels ermöglicht und die KEA-Einheit
möglichst
störungsfrei
mit den gasförmigen
Reaktanden versorgt.
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Die
erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit
ist vorzugsweise als eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit
(SOFC-Brennstoffzelle) mit einer Betriebstemperatur im Bereich von
beispielsweise ungefähr
800°C bis
ungefähr
900°C ausgebildet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Explosionsdarstellung der Elemente einer Brennstoffzelleneinheit;
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2 eine
schematische Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit aus 1,
nachdem ein Substrat einer KEA(Kathoden-Elektrolyt-Anoden)-Einheit der
Brennstoffzelleneinheit mit einem Gehäuseoberteil der Brennstoffzelleneinheit
verlötet worden
ist;
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3 eine
schematische Explosionsdarstellung der Brennstoffzelleneinheit aus 2,
nachdem das Gehäuseoberteil
und ein Gehäuseunterteil
der Brennstoffzelleneinheit miteinander verschweißt worden
sind;
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4 eine
schematische perspektivische Darstellung zweier in der Stapelrichtung
eines Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgender Brennstoffzelleneinheiten
gleichen Aufbaus;
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5 eine
schematische perspektivische Darstellung der beiden Brennstoffzelleneinheiten
aus 4, nachdem sie miteinander verlötet worden sind;
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6 eine
schematische Draufsicht von oben auf einen Brennstoffzellenstapel;
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7 eine
ausschnittsweise, im Bereich eines Brenngaskanals teilweise geschnittene
perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels;
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8 einen
schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel
im Bereich eines Brenngaskanals, längs der Linie 8-8 in 6;
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9 eine
ausschnittsweise, im Bereich eines Oxidationsmittelkanals teilweise
geschnittene perspektivische Darstellung des Brennstoffzellenstapels;
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10 einen
schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel
im Bereich eines Oxidationsmittelkanals, längs der Linie 10-10 in 6;
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11 eine
ausschnittsweise schematische Explosionsdarstellung, welche einen
Schnitt durch das Gehäuseunterteil
einer Brennstoffzelleneinheit, das benachbarte anodenseitige Kontaktelement
und das benachbarte kathodenseitige Kontaktelement darstellt;
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12 eine
schematische Draufsicht auf die mit gezackten Kronen versehene Seite
eines als Zackenblech ausgebildeten Kontaktelements;
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13 eine
ausschnittsweise, in einem Bereich außerhalb der Fluidkanäle teilweise
geschnittene perspektivische Darstellung des Brennstoffzellenstapels;
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14 einen
schematischen vertikalen Schnitt durch den Brennstoffzellenstapel
in einem Bereich außerhalb
der Fluidkanäle,
längs der
Linie 14-14 in 6; und
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15 eine
der 11 entsprechende ausschnittsweise Explosionsdarstellung
einer zweiten Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit, bei der die Kontaktelemente als beidseitig
mit gezackten Kronen versehene Zackenbleche ausgebildet sind.
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Gleiche
oder funktional äquivalente
Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein
in den 5 bis 14 dargestellter, als Ganzes
mit 100 bezeichneter Brennstoffzellenstapelumfaßt mehrere
Brennstoffzelleneinheiten 102 von jeweils gleichem Aufbau,
welche längs
einer vertikalen Stapelrichtung 104 aufeinandergestapelt
sind.
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Jede
der Brennstoffzelleneinheiten 102 umfaßt die in 1 einzeln
dargestellten Bestandteile, nämlich
ein Gehäuseoberteil 106,
eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit
(KEA-Einheit) 108 auf einem Substrat 109, ein
anodenseitiges Kontaktelement 110, ein Gehäuseunterteil 112,
ein kathodenseitiges Kontaktelement 113 und Abstandshalterringe 190.
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Ferner
ist in 1 eine Dichtungsanordnung 118, beispielsweise
eine Glaslotschicht, zum gasdichten und elektrisch isolierenden
Verbinden des Gehäuseoberteils 106 mit
dem Gehäuseunterteil 112 einer
in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 dargestellt.
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Das
Gehäuseoberteil 106 ist
als eine im wesentlichen rechteckige und im wesentlichen ebene Blechplatte
ausgebildet, welche mit einer im wesentlichen rechteckigen mittigen
Durchtrittsöffnung 120 versehen
ist, durch welche im fertig montierten Zustand der Brennstoffzelleneinheit
die KEA-Einheit 108 der Brennstoffzelleneinheit 102 für eine Kontaktierung
durch das kathodenseitige Kontaktelement 113 der in der
Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 zugänglich ist.
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Auf
der einen Seite der Durchtrittsöffnung 120 ist
das Gehäuseoberteil 106 mit
mehreren, beispielsweise drei, Brenngaszuführöffnungen 122 versehen,
welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise vier, Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 angeordnet
sind.
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Auf
der gegenüberliegenden
Seite der Durchtrittsöffnung 120 ist
das Gehäuseoberteil 106 mit
mehreren, beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 126 versehen,
die im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 128 angeordnet
sind.
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Das
Gehäuseoberteil 106 ist
vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise
aus der Legierung Crofer 22, hergestellt.
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Der
Werkstoff Crofer 22 hat die folgende Zusammensetzung:
22
Gewichts-Prozent Chrom, 0,6 Gewichts-Prozent Aluminium, 0,3 Gewichts-Prozent Silizium,
0,45 Gewichts-Prozent Mangan, 0,08 Gewichts-Prozent Titan, 0,08
Gewichts-Prozent Lanthan, Rest Eisen.
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Dieser
Werkstoff wird von der Firma ThyssenKrupp VDM GmbH, Plettenberger
Straße
2, 58791 Werdohl, Deutschland, vertrieben.
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Die
KEA-Einheit 108 umfaßt
eine direkt an der Oberseite des Substrats 109 angeordnete
Anode, einen über
der Anode angeordneten Elektrolyten und eine über dem Elektrolyten angeordnete
Kathode, wobei diese einzelnen Schichten der KEA-Einheit 108 in
den Zeichnungen nicht getrennt dargestellt sind.
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Die
Anode 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 Ni/ZrO2-Cermet (Keramik-Metall-Gemisch),
gebildet, welches porös
ist, um einem durch das Substrat 109 hindurch gelangenden
Brenngas den Durchtritt durch die Anode zu dem an die Anode angrenzenden
Elektrolyten zu ermöglichen.
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Als
Brenngas kann beispielsweise ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch
oder reiner Wasserstoff verwendet werden.
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Der
Elektrolyt ist vorzugsweise als Feststoffelektrolyt, insbesondere
als Feststoffoxid-Elektrolyt, ausgebildet und besteht beispielsweise
aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid.
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Der
Elektrolyt ist bei Normal- wie bei Betriebstemperatur elektronisch
nichtleitend. Hingegen nimmt seine ionische Leitfähigkeit
mit steigender Temperatur zu.
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Die
Kathode ist aus einem bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
elektrisch leitfähigen
keramischen Material, beispielsweise aus (La0,8Sr0,2)0,98MnO3, gebildet
und porös,
um einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff,
aus einem an die Kathode angrenzenden Oxidationsmittelraum 130 den
Durchtritt zu dem Elektrolyten zu ermöglichen.
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Der
Rand des im wesentlichen quaderförmigen
Substrats 109 erstreckt sich über den Rand der KEA-Einheit 108 hinaus.
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Der
gasdichte Elektrolyt der KEA-Einheit 108 erstreckt sich über den
Rand der gasdurchlässigen Anode
und über
den Rand der gasdurchlässigen
Kathode hinaus und liegt mit seiner Unterseite direkt auf der Oberseite
des Randbereichs des Substrats 109 auf.
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Das
Substrat 109 kann beispielsweise als ein aus gesinterten
Metallpartikeln bestehender poröser Sinterkörper ausgebildet
sein.
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Das
anodenseitige Kontaktelement 110, das zwischen dem Substrat 109 und
dem Gehäuseunterteil 112 angeordnet
ist, ist als ein Zackenblech ausgebildet, das heißt als eine
im wesentlichen ebene Platte 134 mit einer Vielzahl von
Durchbrüchen 131,
die jeweils von einer Berandung 133 in Form einer von einer
ebenen Oberseite 135 der Platte 134 zur Seite des
Substrats 109 hin vorstehenden gezackten Krone 137 umgeben
sind (siehe insbesondere die 11 und 12).
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Wie
am besten aus 12 zu ersehen ist, sind die
Durchbrüche 131 in
einem regelmäßigen Muster,
beispielsweise in einem Rautengitter, an dem anodenseitigen Kontaktelement 110 angeordnet.
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Das
als anodenseitiges Kontaktelement 110 verwendete Zackenblech
ist auf einem metallischen Blechmaterial, vorzugsweise aus einem
hochtemperaturkorrosionsbeständigen
ferritischen Werkstoff, wie beispielsweise aus dem Werkstoff 1.4760
(CroFer) oder aus dem Werkstoff 1.4772, oder aus einem gut verformbaren
austenitischen Edelstahl, wie beispielsweise dem Werkstoff 1.4016,
gebildet (alle vorstehend genannten Werkstoffbezeichnungen sind gemäß der Norm
EN 10 088-2).
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Der
austenitische Edelstahl mit der Werkstoffbezeichnung 1.4016 hat
die folgende chemische Zusammensetzung 16,0 Gewichts-% bis 18,0
Gewichts-% Cr; maximal 0,08 Gewichts-% C; Rest Eisen.
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Die
Durchbrüche 131 mit
den gezackten Kronen 137 werden an einem Blech aus einem
der vorstehend genannten Materialien dadurch hergestellt, dass das
Blech von einer Seite her mit einem Nadelwerkzeug, das eine Vielzahl
von pyramidenförmig angeschliffenen
Nadeln in der gewünschten
Anordnung der zu erzeugenden Durchbrüche 131 umfasst, durchstoßen wird.
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Aufgrund
der Pyramidenform der zum Durchstoßen verwendeten Nadeln entstehen
dabei Kronen mit jeweils vier Zacken 139.
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Grundsätzlich können aber
auch Nadeln mit einer anderen Zahl von Seitenflächen verwendet werden, was
dann zu gezackten Kronen 137 mit einer entsprechend anderen
Zahl von Zacken 139 führt.
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Das
Werkzeug zum Durchstoßen
des Bleches kann als eine im wesentlichen ebene Nadelplatte ausgebildet
sein.
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Alternativ
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgangsmaterial über eine
Walze gezogen wird, welche mit den beispielsweise pyramidenförmig angeschliffenen
Nadeln zum Durchstoßen
des Ausgangsmaterials versehen ist.
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Die
Flächendichte
der Durchbrüche 131 an dem
so erzeugten Zackenblech beträgt
vorzugsweise von ungefähr
einem Durchbruch pro cm2 bis ungefähr 50 Durchbrüchen pro
cm2.
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Der
Mittelpunktsabstand einander benachbarter Durchbrüche 131 beträgt vorzugsweise
von ungefähr
1 mm bis ungefähr
5 mm.
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Die
Dicke des für
das Zackenblech verwendeten Ausgangsmaterials beträgt vorzugsweise
ungefähr
0,1 mm bis ungefähr
0,5 mm.
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Die
Ausformhöhe
der gezackten Kronen 137, d.h. deren Überstand über die Oberseite 135 der Platte 134,
beträgt
vorzugsweise ungefähr
0,5 mm bis ungefähr
2 mm.
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Die
Höhe dieses Überstandes
wird durch ein Kalibrierverfahren exakt eingestellt, bei welchem
das Zackenblech zwischen zwei Platten und dazwischen angeordneten
Distanzhaltern, deren Höhe
der Summe der Materialstärke
des Ausgangsmaterials und des gewünschten Überstandes entspricht, zusammengedrückt wird.
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Das
so hergestellte Zackenblech wird als anodenseitiges Kontaktelement 110 zwischen
der Oberseite des Gehäuseunterteils 112 und
der Unterseite des Substrats 109 angeordnet, so dass die
gezackten Kronen 137 des Zackenblechs in innigem Kontakt
mit dem Substrat 109 stehen. Insbesondere kann vorgesehen
sein, dass sich die Zacken 139 des Zackenblechs in das
Substrat 109 eingraben.
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Das
anodenseitige Kontaktelement 110 kann lose zwischen das
Gehäuseunterteil 112 und
das Substrat 109 eingelegt werden.
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Alternativ
dazu kann auch vorgesehen sein, dass das anodenseitige Kontaktelement 110 mit
dem Gehäuseunterteil 112 verschweißt wird,
beispielsweise mittels Laser- oder Kondensatorentladungsschweißen.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann ferner vorgesehen sein, dass das anodenseitige Kontaktelement 110 mit
dem Gehäuseunterteil 112 verlötet wird,
beispielsweise mittels eines metallischen Lotes, insbesondere eines
Silberbasislots oder eines Kupferbasislots.
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Das
anodenseitige Kontaktelement 110 stellt eine elektrisch
gut leitende Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden Substrat 109 und
somit der auf dem Substrat 109 angeordneten Anode einerseits
und dem elektrisch leitenden Gehäuseunterteil 112 der
Brennstoffzelleneinheit 102 andererseits her und ermöglicht so
einen Stromabgriff auf der Anodenseite der KEA-Einheit 108.
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Das
Gehäuseunterteil 112 ist
als ein Blechformteil ausgebildet und umfaßt eine im wesentlichen rechteckige,
senkrecht zu der Stapelrichtung 104 ausgerichtete Platte 132,
welche an ihren Rändern
in einen im wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung 104 ausgerichteten
Randflansch 136 übergeht.
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Die
Platte 132 weist ein im wesentlichen rechteckiges, mittiges
Kontaktfeld 138 auf, welches einerseits mit dem anodenseitigen
Kontaktelement 110 und andererseits mit dem kathodenseitigen
Kontaktelement 113 in elektrisch leitendem Kontakt steht.
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Auf
der einen Seite des Kontaktfeldes 138 ist die Platte 132 mit
mehreren, beispielsweise drei, Brenngaszuführöffnungen 140 versehen,
welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise vier, Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 angeordnet
sind.
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Die
Brenngaszuführöffnungen 140 und
die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 des
Gehäuseunterteils 112 fluchten
mit den Brenngaszuführöffnungen 122 bzw.
den Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 des
Gehäuseoberteils 106,
Auf der anderen Seite des Kontaktfeldes 138 ist die Platte 132 mit mehreren,
beispielsweise vier, Brenngasabführöffnungen 144 versehen,
welche im Wechsel mit mehreren, beispielsweise drei, Oxidationsmittelabführöffnungen 146 angeordnet
sind.
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Die
Brenngasabführöffnungen 144 und
die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 des
Gehäuseunterteils 112 fluchten
mit den Brenngasabführöffnungen 126 bzw.
mit den Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des
Gehäuseoberteils 106.
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Die
Oxidationsmittelabführöffnungen 146 liegen
vorzugsweise den Brenngaszuführöffnungen 140 gegenüber, und
die Brenngasabführöffnungen 144 liegen
vorzugsweise den Oxidationsmittelzuführöffnungen 142 gegenüber.
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Wie
am besten aus den 11 bis 13 zu
ersehen ist, sind die Oxidationsmittelabführöffnungen 146 (ebenso
wie die Oxidationsmittelzuführöffnungen 142) des
Gehäuseunterteils 112 von
jeweils einem die betreffende Öffnung
ringförmig
umgebenden, im wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 104 ausgerichteten
Ringflansch 148 umgeben.
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Das
Gehäuseunterteil 112 ist
vorzugsweise aus einem hochkorrosionsbeständigen Stahl, beispielsweise
aus der vorstehend bereits genannten Legierung Crofer 22,
hergestellt.
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Das
zwischen der Unterseite des Gehäuseunterteils 112 und
der Oberseite der Kathode einer in der Stapelrichtung 104 darunterliegenden
Brennstoffzelleneinheit 102 angeordnete kathodenseitige Kontaktelement 113 ist
ebenso wie das anodenseitige Kontaktelement 110 als ein
Zackenblech ausgebildet.
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Die
Ausgestaltung und Herstellungsweise des als kathodenseitiges Kontaktelement 113 dienenden
Zackenblechs stimmen mit der Ausgestaltung bzw. Herstellungsweise
des als anodenseitiges Kontaktelement 110 verwendeten Zackenblechs überein,
auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Das
kathodenseitige Kontaktelement 113 wird so zwischen dem
Gehäuseunterteil 112 einer Brennstoffzelleneinheit 102 und
der KEA-Einheit 108 einer in der Stapelrichtung 104 darunterliegenden Brennstoffzelleneinheit
angeordnet, dass das kathodenseitige Kontaktelement 113 mit
seiner ebenen Oberseite flächig
an der Unterseite des Gehäuseunterteils 112 anliegt
und mit seinen gezackten Kronen 137 in innigem Kontakt
mit der Kathode der darunterliegenden KEA-Einheit 108 steht.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich die Zacken 139 des
kathodenseitigen Kontaktelements 113 in die Kathode der
darunterliegenden KEA-Einheit 108 eingraben.
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Das
kathodenseitige Kontaktelement 113 kann lose zwischen das
Gehäuseunterteil 112 und die
KEA-Einheit 108 der darunterliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 eingelegt
werden.
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Alternativ
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das kathodenseitige Kontaktelement 113 mit dem
Gehäuseunterteil 112 verschweißt wird,
beispielsweise mittels Laser- oder Kondensatorentladungsschweißen.
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Alternativ
oder ergänzend
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das kathodenseitige Kontaktelement 113 mit
dem Gehäuseunterteil 112 verlötet wird.
Vorzugsweise wird hierfür
ein metallisches Lot, beispielsweise ein Silberbasislot oder ein
Kupferbasislot, verwendet.
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Das
als Zackenblech ausgebildete kathodenseitige Kontaktelement 113 stellt
eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem elektrisch leitenden
Gehäuseunterteil 112 einerseits
und der Kathode der KEA-Einheit 108 der in der Stapelrichtung 104 darunterliegenden
Brennstoffzelleneinheit 102 andererseits her, so dass ein
Stromabgriff auf der Kathodenseite der darunterliegenden KEA-Einheit 108 ermöglicht wird.
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In
den schematischen Darstellungen der 1 bis 3 sind
sowohl das anodenseitige Kontaktelement 110 als auch das
kathodenseitige Kontaktelement 113 aus Gründen der Übersichtlichkeit ohne
die jeweiligen gezackten Kronen 137 dargestellt.
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Die
Dichtungsanordnung 118 umfasst eine auf die Oberseite des
Gehäuseoberteils 106,
im Randbereich und um die Brenngaszuführöffnungen 122 und um
die Brenngasabführöffnungen
126 herum, aufgetragene Schicht aus einem bei der Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle elektrisch isolierenden und gasdichten Glaslotmaterial.
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Ein
geeignetes Glaslot ist beispielsweise in der
EP 0 907 215 A1 offenbart
und enthält
11 bis 13 Gewichts-% Aluminiumoxid (Al
2O
3), 10 bis 14 Gewichts-% Boroxid (BO
2), etwa 5 Gewichts-% Kalziumoxid (CaO),
23 bis 26 Gewichts-% Bariumoxid (BaO) und etwa 50 Gewichts-% Siliciumoxid
(SiO
2).
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Zur
mechanischen Stabilisierung der Brennstoffzelleneinheit 102 sind
ferner Abstandshalterringe 190 vorgesehen, welche im Bereich
der Brenngaszuführöffnungen 122 bzw. 140 und
im Bereich der Brenngasabführöffnungen 126 bzw. 144 zwischen dem
Gehäuseoberteil 106 und
dem Gehäuseunterteil 112 der
Brennstoffzelleneinheit 102 angeordnet sind, um das Gehäuseoberteil 106 und
das Gehäuseunterteil 112 in
diesem Bereich auf Abstand voneinander zu halten.
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Jeder
der Abstandshalterringe 190 besteht aus mehreren übereinandergelegten
Metalllagen 192, wobei durch Ausnehmungen in den Metalllagen 192 Brenngasdurchtrittskanäle 194 ausgebildet
sind, welche den Durchtritt von Brenngas durch die Abstandshalterringe 190 hindurch
ermöglichen.
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Zur
Herstellung der in 4 dargestellten Brennstoffzelleneinheiten 102 aus
den vorstehend beschriebenen Einzelelementen wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird
das Substrat 109, auf dem die KEA-Einheit 108 angeordnet
ist, längs
des Randes seiner Oberseite mit dem Gehäuseoberteil 106 verlötet, und
zwar an der Unterseite des die Durchtrittsöffnung 120 in dem
Gehäuseoberteil 106 umgebenden Bereiches
des Gehäuseoberteils 106.
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Das
hierfür
benötigte
Lötmaterial
kann als entsprechend zugeschnittene Lötfolie zwischen das Substrat 109 und
das Gehäuseoberteil 106 eingelegt werden
oder aber mittels eines Dispensers in Form einer Lötmaterialraupe
auf die Oberseite des Substrats 109 und/oder auf die Unterseite
des Gehäuseoberteils 106 aufgetragen
werden. Ferner ist es auch möglich,
das Lötmaterial
mittels eines Musterdruckverfahrens, beispielsweise eines Siebdruckverfahrens,
auf die Oberseite des Substrats 109 und/oder auf die Unterseite
des Gehäuseoberteils 106 aufzubringen.
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Als
Lötmaterial
kann ein Silberbasislot mit Kupferzusatz verwendet werden, beispielsweise
ein Silberbasislot mit der Zusammensetzung (in mol %): Ag4Cu oder
Ag8Cu.
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Die
Lötung
erfolgt in einer Luftatmosphäre. Die
Löttemperatur
beträgt
beispielsweise 1050 °C, die
Lötdauer
beispielsweise ungefähr
5 Minuten. Bei der Lötung
in Luft bildet sich in situ Kupferoxid.
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Alternativ
hierzu kann als Lötmaterial
auch ein Silberbasislot ohne Kupferzusatz verwendet werden. Ein
solches kupferfreies Lot bietet den Vorteil einer höheren Solidustemperatur
(diese beträgt
ohne Kupferzusatz ungefähr
960 °C,
mit Kupferzusatz ungefähr
780 °C).
Da reines Silber Keramikoberflächen nicht
benetzt, wird den Silberbasisloten ohne Kupferzusatz Kupfer(II)oxid
zur Verkleinerung des Randwinkels zugesetzt. Die Lötung mit
Silberbasisloten ohne Kupferzusatz erfolgt in einer Luftatmosphäre oder
in einer Schutzgasatmosphäre,
beispielsweise unter Argon.
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Die
Löttemperatur
beträgt
auch in diesem Fall vorzugsweise ungefähr 1050 °C, die Lötdauer beispielsweise ungefähr 5 Minuten.
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Alternativ
zum Einlöten
des Substrats 109 mit der darauf angeordneten KEA-Einheit 108 in
das Gehäuseoberteil 106 kann
auch vorgesehen sein, daß ein
Substrat 109, auf dem die KEA-Einheit 108 noch
nicht erzeugt worden ist, mit dem Gehäuseoberteil 106 verschweißt wird
und nach der Verschweißung
die elektrochemisch aktiven Schichten der KEA-Einheit 108,
d. h. deren Anode, Elektrolyt und Kathode, nacheinander im Vakuumplasmaspritzverfahren
auf dem mit dem Gehäuseoberteil 106 bereits verschweißten Substrat 109 erzeugt
werden.
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Nach
der Verbindung des Substrats 109 mit dem Gehäuseoberteil 106 ist
der in 2 dargestellte Zustand erreicht.
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Anschließend werden
das anodenseitige Kontaktelement 110 und die Abstandshalterringe 190 zwischen
das Gehäuseunterteil 112 und
das Gehäuseoberteil 106 eingelegt
und ggf. mit dem Gehäuseunterteil 112 und/oder
mit dem Gehäuseoberteil 106 verlötet und/oder
verschweißt,
und dann werden das Gehäuseunterteil 112 und
das Gehäuseoberteil 106 längs einer
Schweißnaht,
die am äußeren Rand des
Randflansches 136 des Gehäuseunterteils 112 und
am äußeren Rand
des Gehäuseoberteils 106 umläuft, und
längs Schweißnähten, die
an den inneren Rändern
der Ringflansche 148 des Gehäuseunterteils 112 und
der Ränder
der Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 bzw.
der Oxidationsmittelabführöffnungen 128 des
Gehäuseoberteils 106 umlaufen, gasdicht
miteinander verschweißt.
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Nach
diesem Verfahrensschritt ist der in 3 dargestellte
Zustand erreicht.
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Nunmehr
wird das kathodenseitige Kontaktelement 113, beispielsweise
durch Verschweißung und/oder
Verlötung,
mit der Unterseite des Gehäuseunterteils 112 verbunden.
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Ferner
wird auf die Oberseite des Gehäuseoberteils 106 die
Dichtungsanordnung 118 aus Glaslotmaterial aufgebracht.
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Nach
diesem Verfahrensschritt ist der in 4 dargestellte
Zustand erreicht, in welchem fertig montierte Brennstoffzelleneinheiten 102 vorliegen, welche
nun noch miteinander verbunden werden müssen, um aus einer Mehrzahl
von in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 einen
Brennstoffzellenstapel 100 zu bilden.
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Die
Verbindung zweier in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgender
Brennstoffzelleneinheiten 102 erfolgt durch Verlötung jeweils
eines Gehäuseoberteils 106 mit
dem Gehäuseunterteil 112 der
in der Stapelrichtung 104 Barüberliegenden Brennstoffzelleneinheit,
mittels des Glaslotmaterials der an dem Gehäuseoberteil 106 angebrachten
Dichtungsanordnung 118.
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Nachdem
auf diese Weise zwei Brennstoffzelleneinheiten 102 miteinander
verbunden worden sind, kann der Brennstoffzellenstapel 100 durch
sukzessives Anfügen
weiterer Brennstoffzelleneinheiten 102 an das Gehäuseunterteil 112 der
unteren Brennstoffzelleneinheit 102b oder an das Gehäuseoberteil 106 der
oberen Brennstoffzelleneinheit 102a in der Stapelrichtung 104 bis
zu der gewünschten
Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten 102 nach und nach aufgebaut
werden.
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In
dem fertiggestellten Brennstoffzellenstapel 100 bilden
die jeweils miteinander fluchtenden Brenngaszuführöffnungen 122 und 140 der
Gehäuseoberteile 106 und
der Gehäuseunterteile 112 jeweils
einen Brenngaszuführkanal 172,
welcher sich in jeder Brennstoffzelleneinheit 102 zwischen
der Oberseite des Gehäuseunterteils 112 und
der Unterseite des Gehäuseoberteils 106 durch
den jeweils zugeordneten Abstandshalterring 190 zu einem
Brenngasraum 174 hin öffnet,
der zwischen der Oberseite des Gehäuseunterteils 112 einerseits
und der Unterseite des Substrats 109 der KEA-Einheit 108 andererseits
ausgebildet ist.
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Die
jeweils miteinander fluchtenden Brenngasabführöffnungen 126 und 144 der
Gehäuseoberteile 106 und
der Gehäuseunterteile 112 bilden
jeweils einen Brenngasabführkanal 176,
welcher auf der den Brenngaszuführkanälen 172 gegenüberliegenden
Seite jeder Brennstoffzelleneinheit 102 im Bereich zwischen
der Oberseite des Gehäuseunterteils 112 und
der Unterseite des Gehäuseoberteils 106 durch
den jeweils zugeordneten Abstandshalterring 190 zu dem
Brenngasraum 174 hin geöffnet
ist.
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Die
jeweils miteinander fluchtenden Oxidationsmittelzuführöffnungen 124 und 142 der
Gehäuseoberteile 106 und
der Gehäuseunterteile 112 bilden zusammen
jeweils einen Oxidationsmittelzuführkanal 178, der im
Bereich jeder Brennstoffzelleneinheit 102 zwischen der
Oberseite des Gehäuseoberteils 106 und
der Unterseite des Gehäuseunterteils 112 der
in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 zu
dem Oxidationsmittelraum 130 der Brennstoffzelleneinheit 102 hin
geöffnet
ist.
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Ebenso
bilden die jeweils miteinander fluchtenden Oxidationsmittelabführöffnungen 128 und 146 der
Gehäuseoberteile 106 bzw.
der Gehäuseunterteile 112 jeweils
einen Oxidationsmittelabführkanal 180,
welcher auf der den Oxidationsmittelzuführkanälen 178 entgegengesetzten
Seite der Brennstoffzelleneinheiten 102 angeordnet ist
und sich ebenfalls im Bereich jeder Brennstoffzelleneinheit 102 zwischen
der Oberseite des Gehäuseoberteils 106 und der
Unterseite des Gehäuseunterteils 112 der
in der Stapelrichtung 104 darüberliegenden Brennstoffzelleneinheit 102 zu
dem Oxidationsmittelraum 130 der Brennstoffzelleneinheit 102 hin öffnet.
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Im
Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 wird ein Brenngas
dem Brenngasraum 174 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 über die
Brenngaszuführkanäle 172 zugeführt und
durch Oxidation an der Anode der KEA-Einheit 108 entstandenes
Abgas sowie nicht verbrauchtes Brenngas durch die Brenngasabführkanäle 176 aus
dem Brenngasraum 174 abgeführt.
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Ebenso
wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, durch die Oxidationsmittelzuführkanäle 178 dem
Oxidationsmittelraum 130 jeder Brennstoffzelleneinheit 102 zugeführt und
nicht verbrauchtes Oxidationsmittel durch die Oxidationsmittelabführkanäle 180 aus
dem Oxidationsmittelraum 130 abgeführt.
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Im
Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 weisen die KEA-Einheiten 108 eine
Temperatur von beispielsweise 850 °C auf, bei welcher der Elektrolyt jeder
KEA-Einheit 108 für
Sauerstoffionen leitfähig ist.
Das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelraum 130 nimmt
an der Kathode Elektronen auf und gibt zweifach negativ geladene
Sauerstoffionen an den Elektrolyten ab, welche durch den Elektrolyten zur
Anode wandern. An der Anode wird das Brenngas aus dem Brenngasraum 174 durch
die Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten oxidiert und gibt dabei Elektronen
an die Anode ab.
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Die
bei der Reaktion an der Anode frei werdenden Elektronen werden von
der Anode über
das Substrat 109, das anodenseitige Kontaktelement 110,
das Gehäuseunterteil 112 und
das kathodenseitige Kontaktelement 113 der an der Unterseite
des kathodenseitigen Kontaktelements 113 anliegenden Kathode
einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit 102 zugeführt und
ermöglichen
so die Kathodenreaktion.
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Das
Gehäuseunterteil 112 und
Gehäuseoberteil 106 jeder
Brennstoffzelleneinheit 102 sind durch die vorstehend beschriebenen
Schweißnähte elektrisch
leitend miteinander verbunden.
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Die
durch jeweils ein Gehäuseoberteil 106 und
ein Gehäuseunterteil 112 gebildeten
Gehäuse 182 von
in der Stapelrichtung 104 aufeinanderfolgenden Brennstoffzelleneinheiten 102 sind
jedoch durch die Dichtungsanordnungen 118 zwischen der
Oberseite der Gehäuseoberteile 106 und
der Unterseite der Gehäuseunterteile 112 elektrisch
voneinander isoliert.
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Dabei
ist durch die Dichtungsanordnungen 118 zugleich eine gasdichte
Verbindung zwischen diesen Bauelementen gewährleistet, so daß die Oxidationsmittelräume 130 und
die Brenngasräume 174 der
Brennstoffzelleneinheiten 102 voneinander und von der Umgebung
des Brennstoffzelienstapels 100 gasdicht getrennt sind.
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Eine
in 15 dargestellte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 102 unterscheidet
sich von der in den 1 bis 14 dargestellten
ersten Ausführungsform
lediglich dadurch, dass die Berandungen 133 der Durchbrüche 131 im
anodenseitigen Kontaktelement 110 und im kathodenseitigen
Kontaktelement 113 nicht alle zu derselben Seite des jeweiligen
Kontaktelements 110 bzw. 113 hin vorstehen, sondern
zu einander entgegengesetzten Seiten des jeweiligen Kontaktelements 110 bzw. 113,
so dass die Platten 134 der Kontaktelemente 110 bzw. 113 beidseitig
mit gezackten Kronen 137 versehen sind.
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Dabei
bilden die Durchbrüche 131a,
deren Berandungen 133a jeweils zur KEA-Einheit 108 hin vorstehen,
ein erstes Gitter von Durchbrüchen 131a, und
die Durchbrüche 131b,
deren Berandungen 131b jeweils zu dem Gehäuseunterteil 112 hin
vorstehen, bilden ein zweites Gitter von Durchbrüchen 131b, wobei die Durchbrüche 131b des
zweiten Gitter jeweils im wesentlichen mittig zwischen den jeweils
benachbarten Durchbrüchen 131a des
ersten Gitters angeordnet sind.
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Die
beidseitig gezackten Zackenbleche der Kontaktelemente 110, 113 dieser
zweiten Ausführungsform
werden dadurch hergestellt, dass in Ausgangsmaterial mit einem Nadelwerkzeug,
das angeschliffene Nadeln umfasst, nacheinander von zwei verschiedenen
Seiten des Ausgangsmaterials aus durchstochen wird.
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Das
anodenseitige Kontaktelement 110 wird zwischen das Substrat 109 und
das Gehäuseunterteil 112 eingelegt,
und das kathodenseitege Kontaktelement 113 wird zwischen
das Gehäuseunterteil 112 und
die KEA-Einheit 108 der in der Stapelrichtung 104 darunterliegenden
Brennstoffzelleneinheit 102 eingelegt.
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Auf
diese Weise ermöglicht
das anodenseitige Kontaktelement 110 einen Stromabgriff
auf der Anodenseite der KEA-Einheit 108, und das kathodenseitige
Kontaktelement 113 ermöglicht
einen Stromabgriff auf der Kathodenseite der KEA-Einheit 108 der
in der Stapelrichtung 104 darunterliegenden Brennstoffzelleneinheit 102.
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Im übrigen stimmt
die in 15 dargestellte zweite Ausführungsform
einer Brennstoffzelleneinheit hinsichtlich Aufbau und Funktion mit
der in den 1 bis 14 dargestellten
ersten Ausführungsform überein,
auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.