WO2008138787A1 - High-temperature fuel cell module and method for the production of a high-temperature fuel cell module - Google Patents

High-temperature fuel cell module and method for the production of a high-temperature fuel cell module Download PDF

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WO2008138787A1
WO2008138787A1 PCT/EP2008/055451 EP2008055451W WO2008138787A1 WO 2008138787 A1 WO2008138787 A1 WO 2008138787A1 EP 2008055451 W EP2008055451 W EP 2008055451W WO 2008138787 A1 WO2008138787 A1 WO 2008138787A1
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cell module
temperature fuel
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housing
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Patric Szabo
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a high-temperature fuel cell module comprising an anode-electrolyte-cathode unit with an anode, an electrolyte and a cathode, and a housing made of an electrically conductive material having one or more housing parts.
  • the invention further relates to a method for producing a high-temperature fuel cell module comprising one or more metallic components.
  • a fuel cell module which has a fuel cell which is provided at its anode and its cathode in each case with a current collector.
  • the anode is attached to its current collector by means of a solder.
  • a fuel cell unit comprising a cathode-electrolyte-anode unit and at least one contact element for electrically conductive contacting of the cathode-electrolyte-anode unit is known.
  • the at least one contact element comprises a plate provided with a plurality of openings.
  • a carrier for an electrochemical functional unit of a high-temperature fuel cell which for feeding of reactants and / or removal of reaction products has a porosity.
  • a fuel cell stack which comprises a plurality of fuel cells, which are connected by connecting elements electrically and mechanically.
  • the connecting elements are made of metal or a metal alloy and each connecting element has at least one electrode space and a porous wall. The porous wall of the connecting element separates the electrode space from an adjacent anode.
  • a solid electrolyte high-temperature fuel cell module which includes a plurality of series-connected and in a common, gas-tight and provided with supply ports for the fuel gas and oxygen housing planar solid electrolyte high-temperature fuel cells, wherein between at least one metallic bipolar plate connecting the cathode of one cell to the anode of the adjacent cell, electrically interconnecting the gas distribution by means of channels and forming a supporting structural element, and the metallic bipolar plate is made of a ferrite Chrome steel with 15% to 25% chromium and an aluminum additive.
  • an electrical contact for high-temperature fuel cells is known, which is formed as a composite of a metallic component and a ceramic component.
  • a fuel cell unit with a cathode-electrolyte-anode unit is known, in which an interconnector is formed from a KEA mounting element, a base plate and a gas distributor element, in this case the KEA mounting element and the Base plate as sheet metal parts as two shells of a housing gas-tight enclose the gas distributor element and applied / formed on an outer surface of the bottom plate webs of an electrically conductive material.
  • EP 1 263 067 A2 is a current collector of ferritic iron alloy for electrically connecting and mechanically supporting a stack of individual, an anode, electrolyte and cathode comprehensive planar SOFC high-temperature fuel cells, at temperatures between 700 0 C and 900 0 C. work and are equipped with a solid-state electrolyte.
  • the invention has for its object to provide a high-temperature fuel cell module, which can be produced in a simple manner and has advantageous properties.
  • At least one housing part is made by powder metallurgy.
  • components are obtained which can be produced without waste and waste (as they are produced, for example, during laser welding). It can produce near net shape components of the fuel cell module, which can also have complex geometries. For example, gas ducts or the like can be produced directly integrally. In conventional manufacturing processes components are punched or stamped. It has been shown that an elastic springback can take place, which can lead to a deterioration of the component quality and in particular to intolerable manufacturing tolerances. In the manufacture of a fuel cell module only small manufacturing tolerances are allowed, since fuel cell modules are merged into a fuel cell stack and while a high flatness of housing parts is required.
  • Powder metallurgical components can be produced with a high degree of automation.
  • At the at least one housing part can be, for example, integrally form a support device for the anode-electrolyte-cathode unit, said support device may be formed as a bipolar plate or is part of a bipolar plate.
  • the at least one housing part is a sintered part. It is made by sintering a green body. The sintered part can be produced close to contour.
  • the at least one housing part is made of a starting material which comprises a metal powder with a binder / solvent.
  • a porosity / non-porosity and thus a gas permeability / gas impermeability can be set via the binder fraction.
  • a pore-forming agent may be added if, for example, a porosity is to be provided in some areas.
  • the at least one housing part is made of steel.
  • Powder metallurgical steels (“PM steels”) with advantageous properties are commercially available.
  • a support device for the anode-electrolyte-cathode unit is arranged on the housing or a housing part.
  • the support device mechanically holds the anode-electrolyte-cathode unit.
  • the latter can be produced on the carrier device by successive layer construction.
  • the carrier device may be in the form of a bipolar plate. In particular, it directly holds an electrode (for example, the anode). It is made of an electrically conductive material (for electron conduction). It is also at least partially permeable to gas, so that the anode can be supplied with fuel gas.
  • the carrier device is arranged on the housing via an electrical contact device.
  • an electrical contact for electron conduction
  • the housing can be brought to anode potential if an anode is seated on the carrier device as the first layer.
  • the electrical contact device and / or the carrier device is made by powder metallurgy. It can then be manufactured in a defined manner in its geometry, for example with one or more gas-impermeable regions and one or more porous gas-permeable regions for supplying the anodes with fuel gas. It can also be integrally formed on the housing, for example.
  • the electrical contact device may be part of the carrier device or be a separate part which is fixed to the carrier device.
  • the support device can be supported on the housing.
  • the electrical contact device is made gas-permeable, so that the anode can be supplied with fuel gas via an anode chamber through the electrical contact device and the carrier device.
  • the carrier device is arranged directly on the housing and, for example, supported directly on a first housing part.
  • the housing is then designed accordingly, so that below the carrier device, an electrode space is formed, via which the directly arranged on the carrier device first electrode can be supplied with a corresponding reactant.
  • the housing is formed wavy at least in the region in which the support device is supported.
  • the housing has a substantially planar inner side, on which the carrier device (in particular via an electrical contact device) can be supported and can be fixed to the housing. It can also be provided that the housing is provided with a gas distribution structure. It is possible that the housing is provided with a gas distribution structure to supply an electrode which is disposed within the housing and / or provided with a gas distribution structure to reactivate an electrode of an adjacent fuel cell module in a fuel cell stack ,
  • a first housing part is "wavy" in such a way that an electrode space is formed and support surfaces are formed for the support device.
  • channels are provided, which are interconnected and form the anode compartment. Channels are also provided on an exterior of the housing.
  • the outer side provides a support surface for the connection of a cathode of an adjacent fuel cell module. Via the mentioned channels, this cathode can be supplied with an oxidizer.
  • the carrier device is made of an electrically conductive material to allow electrical contact between the anode and the housing.
  • the support device is integrally formed on the housing, wherein the housing part, on which the support device is formed, is produced by powder metallurgy and the support device is also manufactured by powder metallurgy.
  • the support device has a gas-impermeable frame region and at least one gas-permeable porous window region.
  • the at least one porous window area is held by the frame area.
  • the frame area ensures the mechanical stability of the carrier device, which is designed in particular as an interconnector or bipolar plate.
  • the support device can be fixed to the housing. For example, it is connected via the frame area with one or more housing parts.
  • an electrode (such as the anode) is arranged on the at least one window area.
  • the at least one window area provides a substrate for the anode, which is porous. This ensures the mechanical stability of the anode and the anode can be supplied with fuel gas. Furthermore, the electrical contact is ensured.
  • the housing has a first housing part, which is cup-shaped ("lower shell").
  • This first housing part in particular has a receiving space which at least partially accommodates the anode-electrolyte-cathode unit and on which the
  • Anode-electrolyte-cathode unit can be supported for example via the support device.
  • the housing has a second housing part, which is connected to the first housing part and which partially overlaps the anode-electrolyte-cathode unit.
  • the anode-electrolyte-cathode unit can be additionally connected to the housing, for example via a solder layer, for example via the anode and / or via a carrier device.
  • the second housing part has a window, on which spaced from the second housing part at least partially the cathode is arranged.
  • the anode-electrolyte-cathode unit and / or a support device for the anode-electrolyte-cathode unit is connected via a solder layer to the second housing part.
  • This improves the mechanical fixation of the anode-electrolyte-cathode unit or the carrier device in the housing.
  • a fluid seal for an anode space can be realized via the solder layer in order to be able to seal off this anode space from the cathode.
  • an additional provided electronic conduction path which improves the electrical contact of the anode to the housing.
  • solder layer is arranged on the electrolyte. As a result, the fluid-tight effect of the solder layer can be improved.
  • the carrier device is part of the housing.
  • the carrier device has in particular a gas-impermeable frame region, on which (integrally) at least one porous gas-permeable window region is arranged.
  • a corresponding fuel cell module can be built compact.
  • the carrier device forms a cover element of the housing, which closes off an electrode space (in particular anode space).
  • an electrode space in particular anode space.
  • a gas-tight electrolyte layer completely covers a gas-permeable window region of the carrier device, wherein an electrode is seated between the electrolyte layer and the carrier device. This is covered by the electrolyte layer, and to the extent that the window area is covered. Thereby, gas leakage through the carrier device to the other electrode side (such as the cathode side) can be effectively prevented.
  • a support frame which is manufactured by powder metallurgy. It can be a separate component.
  • the support frame is integrated in the housing. For example, it is formed on the first housing part and / or the second housing part.
  • a further object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, with which a high-temperature combustion Can provide Stoffzellenmodul, which has advantageous properties.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the fuel cell module according to the invention.
  • one or more housing components of the high temperature fuel cell module are produced by powder metallurgy. It is also alternatively or additionally possible for a carrier device to be produced by powder metallurgy, for example in the form of an interconnector or a bipolar plate.
  • a green body which is sintered is produced from a starting material which comprises a metal powder and a binder.
  • the produced sintered part is for example a steel part made of PM steel.
  • the green body and thus also the sintered part are produced near net shape, for example by MIM processes.
  • one or more ceramic layers can be produced integrally on the at least one component produced by powder metallurgy.
  • a CIM method is used for this purpose. It is produced a green body, which is produced with one or more powder metallurgical starting materials and with one or several starting materials for an example, oxide ceramic layer. The sintering creates a sintered part with an integral ceramic layer.
  • Figure 1 is an exploded view of an embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the high-temperature
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a second embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention.
  • FIG. 4 shows schematically method steps for the production of a component of an embodiment of an inventive device
  • FIG. 5 shows schematically method steps for a further embodiment
  • Figure 6 is a schematic partial sectional view of a third embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic partial sectional view of a fourth embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention.
  • An exemplary embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention which is shown in exploded view in FIG. 1 and in a sectional view in FIG. 2 and designated therein by 10, comprises a housing 12 made of an electrically conductive material; the housing 12 is electronically conductive.
  • the housing 12 itself comprises a first housing part 14 and a second housing part 16.
  • the first housing part 14 and the second housing part 16 are connected to each other, for example via a welded joint or solder joint, so that they are at the same electrical potential. They can also be connected together in one piece.
  • the first housing part 14 is cup-shaped with a bottom member 18 and a peripheral wall portion 20 which is integrally formed on the bottom member 18 and projects beyond this transversely and in particular perpendicular. Between the wall portion 20 and the bottom member 18, a receiving space 22 is formed.
  • the bottom element 18 has an inner side 24, which is essentially flat and delimits the receiving space 22 downwards.
  • the first housing part 14 forms a lower shell of the housing 12.
  • the second housing part 16 is fixed to the first housing part 14 and projects transversely and in particular perpendicularly away from the wall region 20.
  • the second housing part 16 has an overlap region 26, with which it limits the receiving space 22 upwards and which is oriented at least approximately parallel to the floor element 18.
  • the second housing part 16 has, for example, a cuboid continuous window 28 in which, as will be described later, a cathode 30 of an anode-electrolyte-cathode unit 32 is positioned.
  • a support device 34 is arranged, which is made of a metallic material and such porous, the carrier device 34 is gas-permeable to an anode 36 of the anode-electrolyte-cathode unit 32.
  • the carrier device 34 is produced, for example, by powder metallurgy, using as starting material a mixture of a metal powder and a binder and optionally a pore-forming agent. The binder content or the pore-forming agent and its proportion is chosen so as to obtain the gas-permeable porosity of the carrier device 34.
  • the carrier device 34 is supported via an electrical contact device 38 on the inside 24 of the first housing part 14 and fixed to the first housing part 14 via this electrical contact device 38.
  • the electrical contact device 38 is fixed to the inside 24 of the first housing part 14, for example via solder joints or welded joints.
  • the electrical contact device 38 is fixed to an underside 40 of the carrier device 34 facing the inside 24, for example via soldered connections or welded connections.
  • the electrical contact device 38 is formed so that an electrical contact between the carrier device 34 and the first housing part 14 is present and thereby the carrier device 34 and the first housing part 14 are substantially at the same electrical potential (anode potential).
  • the electrical contact device 38 is arranged in an anode chamber 42, via which the anode 36 of the anode-electrolyte-cathode unit 32 fuel gas can be fed. Accordingly, the electrical contact device 38 is gas-permeable. It is designed, for example, as a net, woven or knitted fabric which allows fuel gas access via the anode space 42 to the carrier device 34 and through it to the anode 36.
  • the anode 36 is arranged on the carrier device 34. It is made, for example, from an oxide-ceramic material such as yttrium-stabilized zirconium oxide with nickel as catalyst. On the anode 36, an electrolyte layer with a gas-impermeable electrolyte 44 is arranged. This electrolyte is not conductive for electrons. He is, however, oxygen ion-conducting. For example, it is made from a ceramic material such as yttrium-stabilized zirconia.
  • the cathode 30 is disposed on the electrolyte 44. It is made for example of an oxide ceramic material. For example, mixed oxides such as lanthanum-strontium manganate are used for the production.
  • the electrolyte 44, the anode 36, the carrier device 34 and the electrical contact device 38 are arranged in the receiving space 22 of the housing 12.
  • the second housing part 16 partially overlaps this arrangement and in this respect forms an upper shell of the housing 12.
  • the cathode 30 is arranged in the window 28 spaced from the second housing part 16 so that there is no electrical contact therewith.
  • the anode 36 is supplied with fuel. The following cell reactions take place:
  • the corresponding fuel cell is operated at a temperature in the range of about 650 0 C to 1000 0 C.
  • the fuel which is hydrogen gas or contains hydrogen gas, may be supplied via a reformer, for example.
  • the electrolyte layer 44 is oxide-ceramic.
  • the carrier device 34 and / or the anode 36 is connected to the overlap region 26 of the second housing part 16 by a circumferential solder layer 46.
  • This solder layer 46 may also extend over the electrolyte 44.
  • the solder layer 46 is arranged and formed such that the
  • Anode space 42 is sealed fluid-tight with respect to the cathode 30 through this.
  • the solder layer 46 provides, in addition to the fixation of the carrier device 34 via the electrical contact device 38 on the housing 12, a further mechanical fixation of the anode-electrolyte-cathode unit 32 to the housing 12. Furthermore, an additional electronic conduction path 48 is provided by the solder layer 46 (in addition to the electronic conduction path 50 via the electrical contact device 38), which improves the electrical contacting of the anode 36 with the housing 12.
  • a further electrical contact device 52 is arranged on the cathode 30 ( Figure 1), via which the cathode 30 is electrically connectable to an adjacent high-temperature fuel cell module.
  • the electrical contact device 52 also provides an oxidator feedability to the cathode 30.
  • the electrical contact device 52 is supported for example via an electrical insulation 54 on the overlap region 26 of the second housing part 16.
  • the electrical insulation 54 may also be formed as a fluid seal.
  • openings 56 may be arranged, via which fuel can be coupled into the anode chamber 42.
  • openings 58 Corresponding then arranged in the second housing part 16 through openings 58, which are aligned with the openings 56.
  • first housing part 14 may then continue to be arranged alternately with the openings 56 openings 60, which serve for Oxidatorzu arrangement to the cathode 30. These openings 60 are not open relative to the anode space 42. They continue in openings 62 on the second housing part 16.
  • spacer rings 64 may be provided, which are arranged in the region of the openings 56, 60 and / or in the region of the openings 58/62.
  • the spacer rings 64 may be formed electrically conductive. They have passageways to allow fuel access to the anode space 42, or to allow oxidant access to the cathode 30.
  • the first housing part 14 and the second housing part 16 are produced by powder metallurgy.
  • the support device 34 may also be manufactured by powder metallurgy.
  • the electrical contact device 38 may be made by powder metallurgy.
  • the spacer rings 64 can also be produced by powder metallurgy.
  • a support frame for the high-temperature fuel cell module 10 which serves to prevent deformation of sealing surfaces in high-temperature operation, then this can also be produced by powder metallurgy. This can also be integrated into the housing 12 (in one piece).
  • a green body 68 is produced from a starting material 66 by binder curing.
  • the green body 68 is produced in particular near net shape.
  • the starting material is a mixture of a metal powder and binder / solvent.
  • a pore former can be added.
  • the amount of binder in the starting material 66 also allows the porosity (or non-porosity) to be adjusted.
  • steel powder is used as metal powder, the steel containing, for example, 14% to 95% Cr and 86% to 4% Fe.
  • alloying elements such as La, Ti, Nb, Nn, Ni, Y2O3, etc.
  • the green body 68 can be produced in a variety of ways, such as, for example, by compression, tape casting or injection molding (MIM).
  • MIM injection molding
  • the green body 68 is sintered in an oven and then the manufactured part 70 is obtained as a sintered part.
  • parts and in particular housing parts for a high-temperature fuel cell without waste in complex geometries with a high degree of automation can be manufactured near net shape. This makes it possible to set an optimum reactant distribution for the operation of a fuel cell.
  • powder metallurgical production also complex three-dimensional geometries can be produced.
  • gas ducts can be molded in without the risk of material rupture (as occurs in the case of deformation processes) being present. Warpage is avoided, so that it is possible to produce fuel cell stacks from high-temperature fuel cell modules with powder-metallurgically produced housing 12 effectively.
  • the green body 76 comprises a metallic region 78 and a region 80 which becomes oxide ceramic by sintering.
  • a ceramic layer 82 can be produced directly on the carrier device 34 or on the housing part 14. This layer production is integral with the production of a metallic component.
  • the anode is not the first layer on an electrode carrier but the cathode, ie. H. the cathode is arranged on a cathode support as a first layer, on the cathode, an electrolyte layer is arranged and on the electrolyte layer is arranged as the last layer, the anode.
  • a second exemplary embodiment of a fuel cell module according to the invention which is shown in schematic cross-section in FIG. 3 and designated therein by 84, comprises a housing 86 with a first housing part 88 and a second housing part 90.
  • the first housing part 88 and the second housing part 90 are produced by powder metallurgy , They are fundamentally In addition, the same design as the first housing part 14 and the second housing part 16 described above.
  • a support device 92 is arranged, for example in the form of a bipolar plate.
  • This support device 92 is made in particular powder metallurgy and made of an electrically conductive material such as PM steel. It comprises a frame portion 94 which is gas impermeable. This gas impermeability is "controlled” in the powder metallurgical production via the starting material and there via the binder content.
  • One or more window regions 96 are integrally formed on the frame region 94, wherein a window region 96 is porous and is thus gas-permeable. This porosity is set in the powder metallurgical production of starting material by the binder fraction and optionally via a pore former.
  • fuel gas may pass to an anode 98 of an anode-electrolyte-cathode unit 100 disposed on the support 92, with the anode 98 positioned directly on the support 92.
  • the support device 92 may be supported by support feet 102 on the first housing part 88, wherein support feet are in particular integrally arranged on the frame portion 94.
  • the support device 92 with the frame region 94 and the window or regions 96 and optionally the support feet 102 can be integrally produced by powder metallurgical manufacturing process. By spacing a lower side of a window region 96 of the carrier device 92 to an inner side of the first housing part 88, an anode space can be formed.
  • the support device 92 with the anode-electrolyte-cathode unit 100 arranged thereon can be a separately manufactured part which is subsequently fixed to the first housing part 88. It is also possible that the carrier device 92 is integrally arranged on the first housing part 88 or the second housing part 90 and in particular integrally formed thereon is. By a powder metallurgical production process, the carrier device can in principle be integrated into the housing 86 as a bipolar plate.
  • the fuel cell module 84 is basically the same as the high-temperature fuel cell module 10 and operates in the same way.
  • a third exemplary embodiment of a fuel cell module according to the invention which is shown in FIG. 6 and designated there by 194, comprises a housing 195 with a first housing part 196 and a second housing part 198.
  • the second housing part 198 is basically the same design as the second housing part 16 in the fuel cell module 10th
  • the first housing part 196 has a bottom region 200 which is "wavy".
  • An inner side 202 of this bottom region 200 comprises spaced elevations 204, between which channels 206 are formed.
  • the channels 206 are connected to one another in such a way that an anode space 208 is formed.
  • the anode chamber 208 is closed by the second housing part 198 upwards.
  • the projections 204 have an envelope 210, which is essentially a plane.
  • an anode support 212 is arranged. It is connected to the elevations 204, for example by welding or soldering.
  • anode support sits an electrochemical functional device with an anode, an electrolyte layer and a cathode.
  • the structure of the anode carrier, which is formed by a carrier device according to the invention, and the electrochemical functional device and the connection to the second housing part 198 is basically the same as described in the embodiment 10.
  • the support device 214 (which corresponds to the anode support 212) is supported directly on the first housing part 196.
  • An electrical contact device corresponding to the electrical contact device 38 is not provided.
  • the first housing part 196 is designed as a gas distributor.
  • the gas distributor which is formed by the elevations 204 on the inside 202 of the first housing part 196, is a gas distributor for fuel gas.
  • a gas distributor is also formed on a side 202 opposite the inside 202.
  • a cathode of an adjacent fuel cell module can be connected to the outside 216, wherein the cathode can be supplied with oxidizer gas through the corresponding channels on the outside 216.
  • the mode of operation of the fuel cell module 194 corresponds to the mode of operation of the fuel cell module 10.
  • a housing 220 with a first housing part 222 is provided.
  • the first housing part 222 is formed as a lower shell.
  • the first housing part 222 comprises a circumferential raised edge region 224 with a substantially planar end face 226. Placed on the end face sits a support device 228 which is connected to the edge region 224 of the first housing part 222, for example by soldering or welding.
  • the carrier device 228 is placed with a gas-impermeable frame portion 230 on the edge region 224.
  • a porous gas-permeable window portion 232 is integrally formed on the frame portion 230.
  • the carrier device 228 forms, in particular with its frame region 230, a second housing part 234.
  • An anode space 236 is delimited by the carrier device 228 as the second housing part 234 and the first housing part 222 with its raised edge region 224.
  • an electrical contact device 238 is arranged, which basically works like the electrical contact device 38 described above.
  • the electrical contact device 238 is in particular connected to the first housing part 222 and connected to the carrier device 228.
  • first housing part 222 It is basically possible for the first housing part 222 to be connected directly to the carrier device 228.
  • An anode 240 is disposed on the support device 228. This sits in particular on the window portion 232, without projecting beyond this.
  • the anode 240 is covered by an electrolyte layer 242.
  • the electrolyte layer 242 runs via a side surface 244 of the anode 240 into the frame region 230, that is to say the electrolyte layer 242 has a region 246 which lies on the frame region 230 of the carrier device 228.
  • the electrolyte layer 242 is gas-tight. It covers the anode 240 at the top outwards and over the area 246 laterally outwards. Since the region 246 is mounted on the frame portion 230, fuel gas can not pass from the window portion 232 directly to the cathode side or pass through the anode 240 to the cathode side laterally.
  • the electrolyte layer 242 completely covers the frame area 230 upwards. As a result, the insulation effect with respect to electronic conduction of the fuel cell module 218 to an adjacent fuel cell module can be increased.
  • the area covered by the electrolyte layer 242 is larger than the area of the window area 232 and is larger than the area of the anode 240.
  • the fuel cell module 218 operates as described above.

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Abstract

In order to produce a high-temperature fuel cell module having an anode-electrolyte-cathode unit with an anode, an electrolyte, and a cathode, and a housing made of an electrically conductive material having one or several housing parts, which can be easily produced and which has advantageous characteristics, it is proposed that at least one housing part is produced by means of powder metallurgy.

Description

B E S C H R E I B U N G DESCRIPTION
Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul und Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-BrennstoffzellenmodulsHigh-temperature fuel cell module and method for producing a high-temperature fuel cell module
Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul, umfassend eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit mit einer Anode, einem Elektrolyten und einer Kathode, und ein Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einem oder mehreren Gehäuseteilen.The invention relates to a high-temperature fuel cell module comprising an anode-electrolyte-cathode unit with an anode, an electrolyte and a cathode, and a housing made of an electrically conductive material having one or more housing parts.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls, welches eine oder mehrere metallische Komponenten umfasst.The invention further relates to a method for producing a high-temperature fuel cell module comprising one or more metallic components.
Aus der DE 198 41 919 Al ist ein Brennstoffzellenmodul bekannt, welches eine Brennstoffzelle aufweist, die an ihrer Anode und ihrer Kathode jeweils mit einem Stromabnehmer versehen ist. Die Anode ist mit Hilfe eines Lots an ihrem Stromabnehmer befestigt.From DE 198 41 919 Al a fuel cell module is known which has a fuel cell which is provided at its anode and its cathode in each case with a current collector. The anode is attached to its current collector by means of a solder.
Aus der DE 20 2005 020 601 Ul ist eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend eine Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit und mindestens ein Kontaktelement zum elektrisch leitenden Kontaktieren der Kathoden-Elektrolyt-Anoden-Einheit bekannt. Das mindestens eine Kontaktelement umfasst eine mit einer Vielzahl von Durchbrüchen versehene Platte.From DE 20 2005 020 601 Ul a fuel cell unit comprising a cathode-electrolyte-anode unit and at least one contact element for electrically conductive contacting of the cathode-electrolyte-anode unit is known. The at least one contact element comprises a plate provided with a plurality of openings.
Aus der EP 1 318 560 A2 ist ein Träger für eine elektrochemische Funktionseinheit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bekannt, welcher zur Zuführung von Reaktanten und/oder Abführung von Reaktionsprodukten eine Porosität aufweist.From EP 1 318 560 A2, a carrier for an electrochemical functional unit of a high-temperature fuel cell is known, which for feeding of reactants and / or removal of reaction products has a porosity.
Aus der WO 99/53558 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, welcher mehrere Brennstoffzellen umfasst, die durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Die verbindenden Elemente bestehen aus Metall oder einer Metalllegierung und jedes verbindende Element weist wenigstens einen Elektrodenraum und eine poröse Wand auf. Die poröse Wand des verbindenden Elements trennt den Elektrodenraum von einer angrenzen- den Anode.From WO 99/53558 a fuel cell stack is known, which comprises a plurality of fuel cells, which are connected by connecting elements electrically and mechanically. The connecting elements are made of metal or a metal alloy and each connecting element has at least one electrode space and a porous wall. The porous wall of the connecting element separates the electrode space from an adjacent anode.
Aus der DE 39 18 115 C2 ist ein Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul bekannt, welches mehrere in Serie geschaltete und in einem gemeinsamen, gasdicht verschlossenen und mit Zuführungsstutzen für das Brenngas und den Sauerstoff versehenen Gehäuse eingebaute planare Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen umfasst, wobei zwischen unmittelbar benachbarten in Serie geschalteten Zellen mindestens eine die Kathode der einen Zelle mit der Anode der dieser benachbarten Zelle elektrisch leitend verbindende, die Gasverteilung mittels Kanälen sicherstellende und ein tra- gendes Strukturelement darstellende metallische bipolare Platte eingebaut ist, und die metallische bipolare Platte aus einem ferritischen Chromstahl mit 15 % bis 25 % Chrom und einem Aluminiumzusatz besteht.From DE 39 18 115 C2, a solid electrolyte high-temperature fuel cell module is known, which includes a plurality of series-connected and in a common, gas-tight and provided with supply ports for the fuel gas and oxygen housing planar solid electrolyte high-temperature fuel cells, wherein between at least one metallic bipolar plate connecting the cathode of one cell to the anode of the adjacent cell, electrically interconnecting the gas distribution by means of channels and forming a supporting structural element, and the metallic bipolar plate is made of a ferrite Chrome steel with 15% to 25% chromium and an aluminum additive.
Aus der DE 42 25 779 Al ist ein Formkörper aus einer beschränkt verform- baren Metalllegierung bekannt.From DE 42 25 779 Al a molding of a limited deformable metal alloy is known.
Aus der DE 196 09 813 Cl ist ein aus einem metallischen Hochtemperaturwerkstoff bestehendes Verbindungselement für Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt, mit einer aus LaB6 bestehenden Schicht auf seiner Oberfläche.From DE 196 09 813 Cl a existing from a metallic high-temperature material connecting element for high-temperature fuel cells is known, with a layer consisting of LaB 6 on its surface.
Aus der DE 103 42 161 Al ist eine elektrische Kontaktierung für Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt, die als Komposit aus einer metallischen Komponente und einer keramischen Komponente gebildet ist. Aus der DE 103 50 478 Al ist eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Kathode- Elektrolyt-Anode-Einheit bekannt, bei der ein Interkonnektor aus einem KEA- Halterungselement, einer Bodenplatte und einem Gasverteiler-Element gebil- det ist, dabei das KEA-Halterungselement und die Bodenplatte als Blechteile als zwei Schalen eines Gehäuses das Gasverteiler-Element gasdicht umschließen und auf einer äußeren Oberfläche der Bodenplatte Stege aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff aufgetragen/ausgebildet sind.From DE 103 42 161 Al an electrical contact for high-temperature fuel cells is known, which is formed as a composite of a metallic component and a ceramic component. From DE 103 50 478 A1, a fuel cell unit with a cathode-electrolyte-anode unit is known, in which an interconnector is formed from a KEA mounting element, a base plate and a gas distributor element, in this case the KEA mounting element and the Base plate as sheet metal parts as two shells of a housing gas-tight enclose the gas distributor element and applied / formed on an outer surface of the bottom plate webs of an electrically conductive material.
Aus der EP 1 263 067 A2 ist ein Stromsammler aus ferritischer Eisenlegierung zum elektrischen Verbinden und zur mechanischen Stützung eines Stapels von einzelnen, eine Anode, Elektrolyt und Kathode umfassenden planaren SOFC- Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die bei Temperaturen zwischen 7000C und 9000C arbeiten und mit einem Festkörperelektrolyten ausgestattet sind, be- kannt.From EP 1 263 067 A2 is a current collector of ferritic iron alloy for electrically connecting and mechanically supporting a stack of individual, an anode, electrolyte and cathode comprehensive planar SOFC high-temperature fuel cells, at temperatures between 700 0 C and 900 0 C. work and are equipped with a solid-state electrolyte.
Aus der DE 197 25 948 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Laminaten aus zwei oder mehrere organische Hilfsstoffe enthaltenden Vorprodukten bekannt.DE 197 25 948 B4 discloses a process for producing laminates from two or more precursors containing organic auxiliaries.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul bereitzustellen, welches auf einfache Weise herstellbar ist und vorteilhafte Eigenschaften aufweist.The invention has for its object to provide a high-temperature fuel cell module, which can be produced in a simple manner and has advantageous properties.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Hochtemperatur-Brennstoff- zellenmodul erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Gehäuseteil pulvermetallurgisch hergestellt ist.This object is achieved in the above-mentioned high-temperature fuel cell module according to the invention in that at least one housing part is made by powder metallurgy.
Durch die Herstellung mindestens eines Gehäuseteils mit einem pulvermetallurgischen Verfahren erhält man Bauteile, die sich ohne Verschnitt und Abfall (wie sie beispielsweise beim Laserschweißen entstehen) herstellen lassen. Es lassen sich endkonturnah Komponenten des Brennstoffzellenmoduls herstellen, welche auch komplexe Geometrien haben können. Beispielsweise lassen sich Gaskanäle oder dergleichen direkt integral herstellen. Bei konventionellen Herstellungsverfahren werden Komponenten gestanzt oder geprägt. Es hat sich gezeigt, dass dabei eine elastische Rückfederung stattfinden kann, welche zu einer Verschlechterung der Bauteilqualität und ins- besondere zu nicht mehr tolerierbaren Fertigungstoleranzen führen kann. Bei der Herstellung eines Brennstoffzellenmoduls sind nur geringe Fertigungstoleranzen erlaubt, da Brennstoffzellenmodule zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengeführt werden und dabei eine hohe Ebenheit von Gehäuseteilen erforderlich ist.By producing at least one housing part with a powder metallurgy process, components are obtained which can be produced without waste and waste (as they are produced, for example, during laser welding). It can produce near net shape components of the fuel cell module, which can also have complex geometries. For example, gas ducts or the like can be produced directly integrally. In conventional manufacturing processes components are punched or stamped. It has been shown that an elastic springback can take place, which can lead to a deterioration of the component quality and in particular to intolerable manufacturing tolerances. In the manufacture of a fuel cell module only small manufacturing tolerances are allowed, since fuel cell modules are merged into a fuel cell stack and while a high flatness of housing parts is required.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (wie oxidkeramische Brennstoffzellen [SOFC]) geeigneten Sonderstähle häufig nicht gut geeignet sind für Umformmethoden wie Tiefziehen und sich Risse oder andere Oberflächenfehler beim Stanzen oder Prägen ausbilden können.It has also been found that the special steels suitable for high-temperature fuel cells (such as oxide-ceramic fuel cells [SOFC]) are frequently not well suited for forming methods such as deep-drawing and cracking or other surface defects during punching or embossing.
Bei pulvermetallurgisch hergestellten Komponenten erhält man eine gleichmäßigere Verteilung von Legierungsbestandteilen als bei konventionell schmelzmetallurgisch hergestellten Stahlbauteilen. Anreicherungszonen und Verarmungszonen in der entsprechenden Komponente lassen sich weitgehend vermeiden. Dadurch erhält man ein gleichmäßigeres Oxidwachstum und die Durchbruchgefahr ist verringert. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass beim Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei ca. 8000C über eine Zeitdauer von acht Stunden sich eine 20 μm dicke Oxidschicht bilden kann.In the case of components produced by powder metallurgy, a more uniform distribution of alloy constituents is obtained than in the case of steel components produced conventionally by melt metallurgy. Enrichment zones and depletion zones in the corresponding component can be largely avoided. This results in a more uniform oxide growth and the risk of breakthrough is reduced. It has been found, for example, that during operation of a high-temperature fuel cell at about 800 ° C. over a period of eight hours, a 20 μm-thick oxide layer can form.
Pulvermetallurgische Komponenten lassen sich mit hohem Automatisierungsgrad herstellen.Powder metallurgical components can be produced with a high degree of automation.
An dem mindestens einen Gehäuseteil lässt sich beispielsweise auch integral eine Trägervorrichtung für die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit bilden, wobei diese Trägervorrichtung als Bipolarplatte ausgebildet sein kann oder Teil einer Bipolarplatte ist. Insbesondere ist das mindestens eine Gehäuseteil ein Sinterteil. Es wird durch Sinterung eines Grünkörpers hergestellt. Das Sinterteil lässt sich konturnah herstellen.At the at least one housing part can be, for example, integrally form a support device for the anode-electrolyte-cathode unit, said support device may be formed as a bipolar plate or is part of a bipolar plate. In particular, the at least one housing part is a sintered part. It is made by sintering a green body. The sintered part can be produced close to contour.
Günstigerweise ist das mindestens eine Gehäuseteil aus einem Ausgangsmaterial hergestellt, welches ein Metallpulver mit einem Bindemittel/ Lösungsmittel aufweist. Über den Bindemittelanteil lässt sich beispielsweise eine Porosität/Nicht-Porosität und damit eine Gasdurchlässigkeit/Gasundurchlässigkeit einstellen. Gegebenenfalls kann ein Porenbildner zugesetzt werden, wenn beispielsweise bereichsweise eine Porosität vorgesehen werden soll.Conveniently, the at least one housing part is made of a starting material which comprises a metal powder with a binder / solvent. By way of example, a porosity / non-porosity and thus a gas permeability / gas impermeability can be set via the binder fraction. Optionally, a pore-forming agent may be added if, for example, a porosity is to be provided in some areas.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Gehäuseteil aus Stahl hergestellt ist. Pulvermetallurgische Stähle ("PM-Stähle") mit vorteilhaften Eigenschaften stehen kommerziell zur Verfügung.It is particularly advantageous if the at least one housing part is made of steel. Powder metallurgical steels ("PM steels") with advantageous properties are commercially available.
Es kann vorgesehen sein, dass an dem Gehäuse oder einem Gehäuseteil eine Trägervorrichtung für die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit angeordnet ist. Die Trägervorrichtung hält die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit mechanisch. Insbesondere lässt sich letztere auf der Trägervorrichtung durch sukzessiven Schichtenaufbau herstellen.It can be provided that a support device for the anode-electrolyte-cathode unit is arranged on the housing or a housing part. The support device mechanically holds the anode-electrolyte-cathode unit. In particular, the latter can be produced on the carrier device by successive layer construction.
Die Trägervorrichtung kann in Form einer Bipolarplatte ausgebildet sein. Sie hält insbesondere direkt eine Elektrode (beispielsweise die Anode). Sie ist aus einem elektrisch leitfähigen Material (für Elektronenleitung). Sie ist ferner zumindest bereichsweise gasdurchlässig, so dass die Anode mit Brennstoffgas versorgt werden kann.The carrier device may be in the form of a bipolar plate. In particular, it directly holds an electrode (for example, the anode). It is made of an electrically conductive material (for electron conduction). It is also at least partially permeable to gas, so that the anode can be supplied with fuel gas.
Beispielsweise ist die Trägervorrichtung über eine elektrische Kontakteinrichtung an dem Gehäuse angeordnet. Über die elektrische Kontakteinrichtung erfolgt ein elektrischer Kontakt (für Elektronenleitung) mit dem Gehäuse, so dass das Gehäuse auf Anodenpotential bringbar ist, wenn an der Trägervorrichtung als erste Schicht eine Anode sitzt. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Kontakteinrichtung und/oder die Trägervorrichtung pulvermetallurgisch hergestellt ist. Sie kann dann in ihrer Geometrie definiert hergestellt werden beispielsweise mit einem oder mehreren gasundurchlässigen Bereichen und einem oder mehreren porösen gasdurchlässigen Bereichen zur Versorgung der Anoden mit Brennstoffgas. Sie kann dadurch beispielsweise auch integral an dem Gehäuse gebildet sein.For example, the carrier device is arranged on the housing via an electrical contact device. Via the electrical contact device, an electrical contact (for electron conduction) takes place with the housing, so that the housing can be brought to anode potential if an anode is seated on the carrier device as the first layer. It is particularly advantageous if the electrical contact device and / or the carrier device is made by powder metallurgy. It can then be manufactured in a defined manner in its geometry, for example with one or more gas-impermeable regions and one or more porous gas-permeable regions for supplying the anodes with fuel gas. It can also be integrally formed on the housing, for example.
Die elektrische Kontakteinrichtung kann Teil der Trägervorrichtung sein oder ein separates Teil sein, welches an der Trägervorrichtung fixiert ist. Über die elektrische Kontakteinrichtung kann sich die Trägervorrichtung an dem Gehäuse abstützen.The electrical contact device may be part of the carrier device or be a separate part which is fixed to the carrier device. About the electrical contact means, the support device can be supported on the housing.
Insbesondere ist die elektrische Kontakteinrichtung gasdurchlässig ausge- bildet, so dass über einen Anodenraum durch die elektrische Kontakteinrichtung und die Trägervorrichtung hindurch die Anode mit Brennstoffgas versorgbar ist.In particular, the electrical contact device is made gas-permeable, so that the anode can be supplied with fuel gas via an anode chamber through the electrical contact device and the carrier device.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Trägervorrichtung direkt an dem Gehäuse angeordnet und beispielsweise direkt an einem ersten Gehäuseteil abgestützt. Das Gehäuse ist dann entsprechend ausgebildet, so dass unterhalb der Trägervorrichtung ein Elektrodenraum gebildet ist, über welchen die direkt an der Trägervorrichtung angeordnete erste Elektrode mit entsprechendem Reaktant versorgbar ist. Beispielsweise ist das Gehäuse min- destens in dem Bereich, an dem die Trägervorrichtung abgestützt ist, wellig ausgebildet.In an alternative embodiment, the carrier device is arranged directly on the housing and, for example, supported directly on a first housing part. The housing is then designed accordingly, so that below the carrier device, an electrode space is formed, via which the directly arranged on the carrier device first electrode can be supplied with a corresponding reactant. For example, the housing is formed wavy at least in the region in which the support device is supported.
Es kann alternativ vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine im Wesentlichen ebene Innenseite aufweist, an der sich die Trägervorrichtung (insbesondere über eine elektrische Kontakteinrichtung) abstützen kann und an dem Gehäuse fixierbar ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse mit einer Gasverteilungsstruktur versehen ist. Es ist dabei möglich, dass das Gehäuse mit einer Gasverteilungsstruktur versehen ist, um eine Elektrode zu versorgen, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und/oder mit einer Gasverteilungs- struktur versehen ist, um eine Elektrode eines benachbarten Brennstoffzellenmoduls in einem Brennstoffzellenstapel mit Reaktant zu versorgen. Beispielsweise ist ein erster Gehäuseteil derart "wellig" ausgebildet, dass ein Elektrodenraum gebildet ist und Stützflächen für die Trägervorrichtung gebildet sind. Durch die wellige Anordnung sind Kanäle bereitgestellt, welche miteinander verbunden sind und den Anodenraum bilden. Auf einer Außenseite des Gehäuses sind ebenfalls Kanäle bereitgestellt. Durch die Außenseite ist eine Stützfläche für die Verbindung einer Kathode eines benachbarten Brennstoffzellenmoduls bereitgestellt. Über die genannten Kanäle lässt sich diese Kathode mit Oxidator versorgen.It may alternatively be provided that the housing has a substantially planar inner side, on which the carrier device (in particular via an electrical contact device) can be supported and can be fixed to the housing. It can also be provided that the housing is provided with a gas distribution structure. It is possible that the housing is provided with a gas distribution structure to supply an electrode which is disposed within the housing and / or provided with a gas distribution structure to reactivate an electrode of an adjacent fuel cell module in a fuel cell stack , For example, a first housing part is "wavy" in such a way that an electrode space is formed and support surfaces are formed for the support device. By the wavy arrangement channels are provided, which are interconnected and form the anode compartment. Channels are also provided on an exterior of the housing. The outer side provides a support surface for the connection of a cathode of an adjacent fuel cell module. Via the mentioned channels, this cathode can be supplied with an oxidizer.
Vorteilhafterweise ist die Trägervorrichtung aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, um eine elektrische Kontaktierung zwischen der Anode und dem Gehäuse zu ermöglichen.Advantageously, the carrier device is made of an electrically conductive material to allow electrical contact between the anode and the housing.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Trägervorrichtung integral an dem Gehäuse gebildet, wobei der Gehäuseteil, an dem die Trägervorrichtung gebildet ist, pulvermetallurgisch hergestellt ist und die Trägervorrichtung ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellt ist.In one embodiment, the support device is integrally formed on the housing, wherein the housing part, on which the support device is formed, is produced by powder metallurgy and the support device is also manufactured by powder metallurgy.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Trägervorrichtung einen gasundurchlässigen Rahmenbereich und mindestens einen gasdurchlässigen porösen Fensterbereich auf. Der mindestens eine poröse Fensterbereich wird durch den Rahmenbereich gehalten. Der Rahmenbereich sorgt für die mechanische Stabilität der Trägervorrichtung, welche insbesondere als Interconnector bzw. Bipolarplatte ausgebildet ist. Über den Rahmenbereich lässt sich die Trägervorrichtung an dem Gehäuse fixieren. Beispielsweise wird sie über den Rahmenbereich mit einem oder mehreren Gehäuseteilen verbunden. Insbesondere ist an dem mindestens einen Fensterbereich eine Elektrode (wie die Anode) angeordnet. Der mindestens eine Fensterbereich stellt ein Substrat für die Anode bereit, welches porös ist. Dadurch ist die mechanische Stabilität der Anode gewährleistet und die Anode lässt sich mit Brennstoffgas versorgen. Weiterhin ist die elektrische Kontaktierung sichergestellt.In one embodiment, the support device has a gas-impermeable frame region and at least one gas-permeable porous window region. The at least one porous window area is held by the frame area. The frame area ensures the mechanical stability of the carrier device, which is designed in particular as an interconnector or bipolar plate. About the frame area, the support device can be fixed to the housing. For example, it is connected via the frame area with one or more housing parts. In particular, an electrode (such as the anode) is arranged on the at least one window area. The at least one window area provides a substrate for the anode, which is porous. This ensures the mechanical stability of the anode and the anode can be supplied with fuel gas. Furthermore, the electrical contact is ensured.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse einen ersten Gehäuseteil auf, welcher schalenförmig ausgebildet ist ("Unterschale"). Dieser erste Gehäuseteil hat insbesondere einen Aufnahmeraum, welcher die Anoden- Elektrolyt-Kathoden-Einheit zumindest teilweise aufnimmt und an dem dieIn one embodiment, the housing has a first housing part, which is cup-shaped ("lower shell"). This first housing part in particular has a receiving space which at least partially accommodates the anode-electrolyte-cathode unit and on which the
Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit beispielsweise über der Trägervorrichtung abstützbar ist.Anode-electrolyte-cathode unit can be supported for example via the support device.
Es kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen zweiten Gehäuseteil auf- weist, welcher mit dem ersten Gehäuseteil verbunden ist und welcher die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit teilweise überlappt. Über den zweiten Gehäuseteil lässt sich die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit beispielsweise über die Anode und/oder über eine Trägervorrichtung zusätzlich mit dem Gehäuse beispielsweise über eine Lotschicht verbinden.It can be provided that the housing has a second housing part, which is connected to the first housing part and which partially overlaps the anode-electrolyte-cathode unit. By way of the second housing part, the anode-electrolyte-cathode unit can be additionally connected to the housing, for example via a solder layer, for example via the anode and / or via a carrier device.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Gehäuseteil ein Fenster aufweist, an welchem beabstandet zu dem zweiten Gehäuseteil mindestens teilweise die Kathode angeordnet ist. Dadurch ist auf einfache Weise eine Kontaktierung der Kathode mit dem Gehäuse eines benachbarten Brennstoffzellenmoduls zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht.It can be provided that the second housing part has a window, on which spaced from the second housing part at least partially the cathode is arranged. As a result, contacting of the cathode with the housing of an adjacent fuel cell module to form a fuel cell stack is made possible in a simple manner.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit und/oder eine Trägervorrichtung für die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit über eine Lotschicht mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden. Dadurch wird die mechanische Fixierung der Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit bzw. der Trägervorrichtung in dem Gehäuse verbessert. Über die Lotschicht lässt sich eine Fluiddichtung für einen Anodenraum realisieren, um diesen Anodenraum gegenüber der Kathode abdichten zu können. Weiterhin wird ein zusätzlicher elektronischer Leitungspfad bereitgestellt, welcher die elektrische Kontaktie- rung der Anode mit dem Gehäuse verbessert.In one embodiment, the anode-electrolyte-cathode unit and / or a support device for the anode-electrolyte-cathode unit is connected via a solder layer to the second housing part. This improves the mechanical fixation of the anode-electrolyte-cathode unit or the carrier device in the housing. A fluid seal for an anode space can be realized via the solder layer in order to be able to seal off this anode space from the cathode. Furthermore, an additional provided electronic conduction path, which improves the electrical contact of the anode to the housing.
Es ist dann günstig, wenn die Lotschicht an dem Elektrolyten angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Fluiddichtwirkung der Lotschicht verbessern.It is advantageous if the solder layer is arranged on the electrolyte. As a result, the fluid-tight effect of the solder layer can be improved.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trägervorrichtung Teil des Gehäuses ist. Die Trägervorrichtung weist dazu insbesondere einen gasundurchlässigen Rahmenbereich auf, an welchem (integral) mindestens ein poröser gasdurch- lässiger Fensterbereich angeordnet ist. Ein entsprechendes Brennstoffzellenmodul lässt sich kompakt aufbauen.It can also be provided that the carrier device is part of the housing. For this purpose, the carrier device has in particular a gas-impermeable frame region, on which (integrally) at least one porous gas-permeable window region is arranged. A corresponding fuel cell module can be built compact.
Es ist dann günstig, wenn die Trägervorrichtung ein Deckelelement des Gehäuses bildet, welches einen Elektrodenraum (insbesondere Anodenraum) abschließt. Durch das Deckelelement lässt sich dieser fluiddicht gegenüber der anderen Elektrodenseite (beispielsweise der Kathodenseite) abschließen.It is advantageous if the carrier device forms a cover element of the housing, which closes off an electrode space (in particular anode space). By the cover element, this can be fluid-tight with respect to the other electrode side (for example, the cathode side) complete.
Es ist dann vorteilhaft, wenn eine gasdichte Elektrolytschicht einen gasdurchlässigen Fensterbereich der Trägervorrichtung vollständig überdeckt, wobei zwischen der Elektrolytschicht und der Trägervorrichtung eine Elektrode sitzt. Diese wird von der Elektrolytschicht überdeckt, und zwar soweit, dass auch der Fensterbereich überdeckt ist. Dadurch lässt sich ein Gasaustritt durch die Trägervorrichtung hindurch zu der anderen Elektrodenseite (wie der Kathodenseite) effektiv verhindern.It is advantageous if a gas-tight electrolyte layer completely covers a gas-permeable window region of the carrier device, wherein an electrode is seated between the electrolyte layer and the carrier device. This is covered by the electrolyte layer, and to the extent that the window area is covered. Thereby, gas leakage through the carrier device to the other electrode side (such as the cathode side) can be effectively prevented.
Es kann ein Unterstützungsrahmen vorgesehen sein, welcher pulvermetallurgisch hergestellt ist. Es kann sich dabei um ein separates Bauteil handeln. Vorteilhafterweise ist der Unterstützungsrahmen in das Gehäuse integriert. Beispielsweise ist er an dem ersten Gehäuseteil und/oder dem zweiten Gehäuseteil gebildet.It may be provided a support frame, which is manufactured by powder metallurgy. It can be a separate component. Advantageously, the support frame is integrated in the housing. For example, it is formed on the first housing part and / or the second housing part.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich ein Hochtemperatur-Brenn- Stoffzellenmodul bereitstellen lässt, welches vorteilhafte Eigenschaften aufweist.A further object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset, with which a high-temperature combustion Can provide Stoffzellenmodul, which has advantageous properties.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine metallische Komponente des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls pulvermetallurgisch hergestellt wird.This object is achieved according to the invention in the method mentioned that at least one metallic component of the high-temperature fuel cell module is produced by powder metallurgy.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmodul erläuterten Vorteile auf.The method according to the invention has the advantages already explained in connection with the fuel cell module according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul erläutert.Further advantageous embodiments have also already been explained in connection with the high-temperature fuel cell module according to the invention.
Beispielsweise werden eine oder mehrere Gehäusekomponenten des Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls pulvermetallurgisch hergestellt. Es ist auch alternativ oder zusätzlich möglich, dass eine Trägervorrichtung beispielsweise in Form eines Interconnectors oder einer Bipolarplatte pulvermetallurgisch hergestellt wird.For example, one or more housing components of the high temperature fuel cell module are produced by powder metallurgy. It is also alternatively or additionally possible for a carrier device to be produced by powder metallurgy, for example in the form of an interconnector or a bipolar plate.
Bei der pulvermetallurgischen Herstellung wird dabei aus einem Ausgangsmaterial, welches ein Metallpulver und ein Bindemittel umfasst, ein Grünkörper hergestellt, welcher gesintert wird. Das hergestellte Sinterteil ist beispielsweise ein Stahlteil aus PM-Stahl.In the case of powder metallurgy production, a green body which is sintered is produced from a starting material which comprises a metal powder and a binder. The produced sintered part is for example a steel part made of PM steel.
Insbesondere wird der Grünkörper und damit auch das Sinterteil endkonturnah hergestellt, beispielsweise durch MIM-Verfahren.In particular, the green body and thus also the sintered part are produced near net shape, for example by MIM processes.
Es ist dabei möglich, dass eine oder mehrere keramische Schichten an der mindestens einen pulvermetallurgisch hergestellten Komponente integral mit hergestellt werden. Beispielsweise wird dazu ein CIM-Verfahren eingesetzt. Es wird ein Grünkörper hergestellt, welcher mit einem oder mehreren pulvermetallurgischen Ausgangsmaterialien hergestellt wird und mit einem oder mehreren Ausgangsmaterialien für eine beispielsweise oxidkeramische Schicht. Durch die Sinterung entsteht ein Sinterteil mit einer integralen Keramikschicht.It is possible for one or more ceramic layers to be produced integrally on the at least one component produced by powder metallurgy. For example, a CIM method is used for this purpose. It is produced a green body, which is produced with one or more powder metallurgical starting materials and with one or several starting materials for an example, oxide ceramic layer. The sintering creates a sintered part with an integral ceramic layer.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawings for further explanation of the invention. Show it :
Figur 1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls;Figure 1 is an exploded view of an embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention;
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des Hochtemperatur-FIG. 2 is a schematic sectional view of the high-temperature
Brennstoffzellenmoduls gemäß Figur 1;Fuel cell module according to Figure 1;
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Brennstoffzellenmoduls;Figure 3 is a schematic sectional view of a second embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention;
Figur 4 schematisch Verfahrensschritte zur Herstellung einer Kompo- nente eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßenFIG. 4 shows schematically method steps for the production of a component of an embodiment of an inventive device
Hochtemperatur- Brennstoffzellenmoduls;High temperature fuel cell module;
Figur 5 schematisch Verfahrensschritte für ein weiteres Ausführungsbeispiel;FIG. 5 shows schematically method steps for a further embodiment;
Figur 6 eine schematische Teilschnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Brennstoffzellenmoduls; undFigure 6 is a schematic partial sectional view of a third embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention; and
Figur 7 eine schematische Teilschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Brennstoffzellenmoduls. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls, welches in Figur 1 in Explosionsdarstellung und in Figur 2 in einer Schnittansicht gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 12 aus einem elektrisch leitenden Material; das Gehäuse 12 ist elektronenleitend. Das Gehäuse 12 selber umfasst einen ersten Gehäuseteil 14 und einen zweiten Gehäuseteil 16. Der erste Gehäuseteil 14 und der zweite Gehäuseteil 16 sind miteinander verbunden beispielsweise über eine Schweißverbindung oder Lötverbindung derart, dass sie auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Sie können auch einstückig miteinander verbunden sein.Figure 7 is a schematic partial sectional view of a fourth embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention. An exemplary embodiment of a high-temperature fuel cell module according to the invention, which is shown in exploded view in FIG. 1 and in a sectional view in FIG. 2 and designated therein by 10, comprises a housing 12 made of an electrically conductive material; the housing 12 is electronically conductive. The housing 12 itself comprises a first housing part 14 and a second housing part 16. The first housing part 14 and the second housing part 16 are connected to each other, for example via a welded joint or solder joint, so that they are at the same electrical potential. They can also be connected together in one piece.
Der erste Gehäuseteil 14 ist schalenförmig ausgebildet mit einem Bodenelement 18 und einem umlaufenden Wandbereich 20, welcher einstückig an dem Bodenelement 18 gebildet ist und über dieses quer und insbesondere senkrecht hinausragt. Zwischen dem Wandbereich 20 und dem Bodenelement 18 ist ein Aufnahmeraum 22 gebildet.The first housing part 14 is cup-shaped with a bottom member 18 and a peripheral wall portion 20 which is integrally formed on the bottom member 18 and projects beyond this transversely and in particular perpendicular. Between the wall portion 20 and the bottom member 18, a receiving space 22 is formed.
Das Bodenelement 18 weist eine Innenseite 24 auf, welche im Wesentlichen eben ist und den Aufnahmeraum 22 nach unten begrenzt. Der erste Ge- häuseteil 14 bildet eine Unterschale des Gehäuses 12.The bottom element 18 has an inner side 24, which is essentially flat and delimits the receiving space 22 downwards. The first housing part 14 forms a lower shell of the housing 12.
Der zweite Gehäuseteil 16 ist an dem ersten Gehäuseteil 14 fixiert und ragt von dem Wandbereich 20 quer und insbesondere senkrecht weg. Der zweite Gehäuseteil 16 weist einen Überlappbereich 26 auf, mit welchem er den Auf- nahmeraum 22 nach oben begrenzt und welcher mindestens näherungsweise parallel zum Bodenelement 18 orientiert ist.The second housing part 16 is fixed to the first housing part 14 and projects transversely and in particular perpendicularly away from the wall region 20. The second housing part 16 has an overlap region 26, with which it limits the receiving space 22 upwards and which is oriented at least approximately parallel to the floor element 18.
Der zweite Gehäuseteil 16 hat ein beispielsweise quaderförmiges durchgehendes Fenster 28, in welchem, wie später noch beschrieben wird, eine Kathode 30 einer Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit 32 positioniert ist.The second housing part 16 has, for example, a cuboid continuous window 28 in which, as will be described later, a cathode 30 of an anode-electrolyte-cathode unit 32 is positioned.
In dem Aufnahmeraum 22 des Gehäuses 12 ist eine Trägervorrichtung 34 angeordnet, welche aus einem metallischen Material hergestellt ist und derart porös ist, dass die Trägervorrichtung 34 zu einer Anode 36 der Anoden- Eletrolyt-Kathoden-Einheit 32 gasdurchlässig ist. Die Trägervorrichtung 34 ist beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt, wobei als Ausgangsmaterial eine Mischung aus einem Metallpulver und einem Bindemittel und fakultativ ein Porenbildner verwendet wird. Der Bindemittelanteil bzw. der Porenbildner und sein Anteil wird so gewählt, dass man die gasdurchlässige Porosität der Trägervorrichtung 34 erhält.In the receiving space 22 of the housing 12, a support device 34 is arranged, which is made of a metallic material and such porous, the carrier device 34 is gas-permeable to an anode 36 of the anode-electrolyte-cathode unit 32. The carrier device 34 is produced, for example, by powder metallurgy, using as starting material a mixture of a metal powder and a binder and optionally a pore-forming agent. The binder content or the pore-forming agent and its proportion is chosen so as to obtain the gas-permeable porosity of the carrier device 34.
Die Trägervorrichtung 34 ist über eine elektrische Kontakteinrichtung 38 an der Innenseite 24 des ersten Gehäuseteils 14 abgestützt und über diese elektrische Kontakteinrichtung 38 an dem ersten Gehäuseteil 14 fixiert. Die elektrische Kontakteinrichtung 38 ist an der Innenseite 24 des ersten Gehäuseteils 14 fixiert, beispielsweise über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen. Die elektrische Kontakteinrichtung 38 ist an einer der Innenseite 24 zuge- wandten Unterseite 40 der Trägervorrichtung 34 fixiert, beispielsweise über Lötverbindungen oder Schweißverbindungen.The carrier device 34 is supported via an electrical contact device 38 on the inside 24 of the first housing part 14 and fixed to the first housing part 14 via this electrical contact device 38. The electrical contact device 38 is fixed to the inside 24 of the first housing part 14, for example via solder joints or welded joints. The electrical contact device 38 is fixed to an underside 40 of the carrier device 34 facing the inside 24, for example via soldered connections or welded connections.
Die elektrische Kontakteinrichtung 38 ist so ausgebildet, dass ein elektrischer Kontakt zwischen der Trägervorrichtung 34 und dem ersten Gehäuseteil 14 vorliegt und dadurch die Trägervorrichtung 34 und der erste Gehäuseteil 14 im Wesentlichen auf dem gleichen elektrischen Potential (Anodenpotential) liegen.The electrical contact device 38 is formed so that an electrical contact between the carrier device 34 and the first housing part 14 is present and thereby the carrier device 34 and the first housing part 14 are substantially at the same electrical potential (anode potential).
Die elektrische Kontakteinrichtung 38 ist in einem Anodenraum 42 angeordnet, über welchen der Anode 36 der Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit 32 Brennstoffgas zuführbar ist. Entsprechend ist die elektrische Kontakteinrichtung 38 gasdurchlässig ausgebildet. Sie ist beispielsweise als Netz, Gewebe oder Gewirke ausgebildet, welches einen Brennstoffgaszutritt über den Anodenraum 42 zu der Trägervorrichtung 34 und durch diese hindurch zu der Anode 36 ermöglicht.The electrical contact device 38 is arranged in an anode chamber 42, via which the anode 36 of the anode-electrolyte-cathode unit 32 fuel gas can be fed. Accordingly, the electrical contact device 38 is gas-permeable. It is designed, for example, as a net, woven or knitted fabric which allows fuel gas access via the anode space 42 to the carrier device 34 and through it to the anode 36.
Die Anode 36 ist auf der Trägervorrichtung 34 angeordnet. Sie ist beispielsweise aus einem oxidkeramischen Material wie Yttrium-stabilisiertem Zirkon- oxid mit Nickel als Katalysator hergestellt. Auf der Anode 36 ist eine Elektrolytschicht mit einem gasundurchlässigen Elektrolyten 44 angeordnet. Dieser Elektrolyt ist für Elektronen nicht leitfähig. Er ist jedoch Sauerstoffionen-leitend. Er ist beispielsweise aus einem kera- mischen Material hergestellt wie Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.The anode 36 is arranged on the carrier device 34. It is made, for example, from an oxide-ceramic material such as yttrium-stabilized zirconium oxide with nickel as catalyst. On the anode 36, an electrolyte layer with a gas-impermeable electrolyte 44 is arranged. This electrolyte is not conductive for electrons. He is, however, oxygen ion-conducting. For example, it is made from a ceramic material such as yttrium-stabilized zirconia.
Die Kathode 30 ist auf dem Elektrolyten 44 angeordnet. Sie ist beispielsweise aus einem oxidkeramischen Material hergestellt. Beispielsweise werden zur Herstellung Mischoxide wie Lanthan-Strontium-Manganat verwendet.The cathode 30 is disposed on the electrolyte 44. It is made for example of an oxide ceramic material. For example, mixed oxides such as lanthanum-strontium manganate are used for the production.
Der Elektrolyt 44, die Anode 36, die Trägervorrichtung 34 und die elektrische Kontakteinrichtung 38 sind in dem Aufnahmeraum 22 des Gehäuses 12 angeordnet. Der zweite Gehäuseteil 16 überlappt diese Anordnung teilweise und bildet diesbezüglich eine Oberschale des Gehäuses 12.The electrolyte 44, the anode 36, the carrier device 34 and the electrical contact device 38 are arranged in the receiving space 22 of the housing 12. The second housing part 16 partially overlaps this arrangement and in this respect forms an upper shell of the housing 12.
Die Kathode 30 ist in dem Fenster 28 beabstandet zum zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet, so dass kein elektrischer Kontakt mit diesem vorliegt.The cathode 30 is arranged in the window 28 spaced from the second housing part 16 so that there is no electrical contact therewith.
Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, welche durch das Hochtemperatur- Brennstoffzellenmodul 10 aufgenommen ist, finden an der Kathode 30 folgende Zellreaktionen statt:In a high temperature fuel cell received by the high temperature fuel cell module 10, the following cell reactions take place at the cathode 30:
- O2 + 2e~ → O2 - O 2 + 2e - → O 2
22
Der Anode 36 wird Brennstoff zugeführt. Es finden folgende Zellreaktionen statt:The anode 36 is supplied with fuel. The following cell reactions take place:
H2 + O2~ → H2O + 2e~ H 2 + O 2 - → H 2 O + 2e -
Die entsprechende Brennstoffzelle wird bei einer Temperatur im Bereich von ca. 6500C bis 10000C betrieben. Der Brennstoff, welcher Wasserstoffgas ist oder Wasserstoffgas enthält, kann beispielsweise über einen Reformer geliefert werden.The corresponding fuel cell is operated at a temperature in the range of about 650 0 C to 1000 0 C. The fuel, which is hydrogen gas or contains hydrogen gas, may be supplied via a reformer, for example.
Bei einer SOFC-Brennstoffzelle ist die Elektrolytschicht 44 oxidkeramisch.In an SOFC fuel cell, the electrolyte layer 44 is oxide-ceramic.
Die Trägervorrichtung 34 und/oder die Anode 36 ist mit dem Überlappbereich 26 des zweiten Gehäuseteils 16 durch eine umlaufende Lotschicht 46 verbunden. Diese Lotschicht 46 kann sich dabei auch über den Elektrolyten 44 erstrecken. Die Lotschicht 46 ist so angeordnet und ausgebildet, dass derThe carrier device 34 and / or the anode 36 is connected to the overlap region 26 of the second housing part 16 by a circumferential solder layer 46. This solder layer 46 may also extend over the electrolyte 44. The solder layer 46 is arranged and formed such that the
Anodenraum 42 durch diese fluiddicht gegenüber der Kathode 30 abgedichtet ist.Anode space 42 is sealed fluid-tight with respect to the cathode 30 through this.
Die Lotschicht 46 stellt zusätzlich zu der Fixierung der Trägervorrichtung 34 über die elektrische Kontakteinrichtung 38 an dem Gehäuse 12 eine weitere mechanische Fixierung der Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit 32 an dem Gehäuse 12 bereit. Ferner wird durch die Lotschicht 46 ein zusätzlicher elektronischer Leitungspfad 48 bereitgestellt (zusätzlich zu dem elektronischen Leitungspfad 50 über die elektrische Kontakteinrichtung 38), welcher die elektrische Kontaktierung der Anode 36 mit dem Gehäuse 12 verbessert.The solder layer 46 provides, in addition to the fixation of the carrier device 34 via the electrical contact device 38 on the housing 12, a further mechanical fixation of the anode-electrolyte-cathode unit 32 to the housing 12. Furthermore, an additional electronic conduction path 48 is provided by the solder layer 46 (in addition to the electronic conduction path 50 via the electrical contact device 38), which improves the electrical contacting of the anode 36 with the housing 12.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist an der Kathode 30 eine weitere elektrische Kontakteinrichtung 52 angeordnet (Figur 1), über welche die Kathode 30 elektrisch mit einem benachbarten Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul verbindbar ist. Die elektrische Kontakteinrichtung 52 sorgt ferner für eine Oxidatorzuführbarkeit zu der Kathode 30. Die elektrische Kontakteinrichtung 52 ist beispielsweise über eine elektrische Isolierung 54 an dem Überlappbereich 26 des zweiten Gehäuseteils 16 abgestützt. Die elektrische Isolierung 54 kann auch als Fluiddichtung ausgebildet sein.In one embodiment, a further electrical contact device 52 is arranged on the cathode 30 (Figure 1), via which the cathode 30 is electrically connectable to an adjacent high-temperature fuel cell module. The electrical contact device 52 also provides an oxidator feedability to the cathode 30. The electrical contact device 52 is supported for example via an electrical insulation 54 on the overlap region 26 of the second housing part 16. The electrical insulation 54 may also be formed as a fluid seal.
An dem ersten Gehäuseteil 14 können Öffnungen 56 angeordnet sein, über welche Brennstoff in den Anodenraum 42 einkoppelbar ist. Entsprechend sind dann in dem zweiten Gehäuseteil 16 durchgehende Öffnungen 58 angeordnet, welche fluchtend zu den Öffnungen 56 ausgerichtet sind.On the first housing part 14 openings 56 may be arranged, via which fuel can be coupled into the anode chamber 42. Corresponding then arranged in the second housing part 16 through openings 58, which are aligned with the openings 56.
An dem ersten Gehäuseteil 14 können dann weiterhin alternierend mit den Öffnungen 56 Öffnungen 60 angeordnet sein, welche zur Oxidatorzuführung zu der Kathode 30 dienen. Diese Öffnungen 60 sind dabei gegenüber dem Anodenraum 42 nicht offen. Sie setzen sich fort in Öffnungen 62 an dem zweiten Gehäuseteil 16.On the first housing part 14 may then continue to be arranged alternately with the openings 56 openings 60, which serve for Oxidatorzuführung to the cathode 30. These openings 60 are not open relative to the anode space 42. They continue in openings 62 on the second housing part 16.
Zur mechanischen Stabilisierung können Abstandshalterringe 64 vorgesehen sein, welche im Bereich der Öffnungen 56, 60 und/oder im Bereich der Öffnungen 58/62 angeordnet sind. Die Abstandshalterringe 64 können dabei elektrisch leitend ausgebildet sein. Sie weisen Durchtrittskanäle auf, um einen Brennstoffzugang zu dem Anodenraum 42 zu ermöglichen bzw. um einen Oxidatorzugang zu der Kathode 30 zu ermögliche.For mechanical stabilization spacer rings 64 may be provided, which are arranged in the region of the openings 56, 60 and / or in the region of the openings 58/62. The spacer rings 64 may be formed electrically conductive. They have passageways to allow fuel access to the anode space 42, or to allow oxidant access to the cathode 30.
Der erste Gehäuseteil 14 und der zweite Gehäuseteil 16 sind pulvermetallurgisch hergestellt. Die Trägervorrichtung 34 kann ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellt sein. Auch die elektrische Kontakteinrichtung 38 kann pulvermetallurgisch hergestellt sein. Auch die Abstandshalterringe 64 können pulvermetallurgisch hergestellt sein.The first housing part 14 and the second housing part 16 are produced by powder metallurgy. The support device 34 may also be manufactured by powder metallurgy. The electrical contact device 38 may be made by powder metallurgy. The spacer rings 64 can also be produced by powder metallurgy.
Falls ein Unterstützungsrahmen für das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 10 vorgesehen ist (in der Zeichnung nicht gezeigt), welcher zur Ver- hinderung einer Verformung von Dichtflächen im Hochtemperaturbetrieb dient, dann kann auch dieser pulvermetallurgisch hergestellt sein. Dieser kann auch in das Gehäuse 12 (einstückig) integriert sein.If a support frame for the high-temperature fuel cell module 10 is provided (not shown in the drawing), which serves to prevent deformation of sealing surfaces in high-temperature operation, then this can also be produced by powder metallurgy. This can also be integrated into the housing 12 (in one piece).
Bei der pulvermetallurgischen Herstellung wird, wie schematisch in Figur 4 ge- zeigt, aus einem Ausgangsmaterial 66 ein Grünkörper 68 durch Bindemittelaushärtung hergestellt. Der Grünkörper 68 wird insbesondere endkonturnah hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist eine Mischung aus einem Metallpulver und Bindemittel/Lösungsmittel. Gegebenenfalls kann, wenn eine poröse Struktur hergestellt werden soll, ein Porenbildner zugesetzt werden. Durch die Menge des Bindemittels im Ausgangsmaterial 66 lässt sich ebenfalls die Porosität (bzw. Nicht-Porosität) einstellen.In powder metallurgical production, as schematically shown in FIG. 4, a green body 68 is produced from a starting material 66 by binder curing. The green body 68 is produced in particular near net shape. The starting material is a mixture of a metal powder and binder / solvent. Optionally, if a porous Structure is to be produced, a pore former can be added. The amount of binder in the starting material 66 also allows the porosity (or non-porosity) to be adjusted.
Als Metallpulver wird insbesondere Stahlpulver verwendet, wobei der Stahl beispielsweise 14 % bis 95 % Cr und 86 % bis 4 % Fe enthält. Es können andere Legierungselemente wie La, Ti, Nb, Nn, Ni, Y2O3 usw. vorhanden sein.In particular, steel powder is used as metal powder, the steel containing, for example, 14% to 95% Cr and 86% to 4% Fe. There may be other alloying elements such as La, Ti, Nb, Nn, Ni, Y2O3, etc.
Der Grünkörper 68 kann auf verschiedene Arten wie beispielsweise durch Pressen, Folienguss oder Spritzen (MIM - metal injection molding) hergestellt werden.The green body 68 can be produced in a variety of ways, such as, for example, by compression, tape casting or injection molding (MIM).
Der Grünkörper 68 wird in einem Ofen gesintert und man erhält dann das hergestellte Teil 70 als Sinterteil.The green body 68 is sintered in an oven and then the manufactured part 70 is obtained as a sintered part.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung von Bauteilen für ein Brennstoffzellenmodul durch Stanzen oder Prägen eine elastische Rückfederung feststellbar ist. Weiterhin können sich Risse und andere Oberflächenfehler beim Stanzen und Prägen ausbilden. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die für die Anwendung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen geeigneten Sonderstähle weniger geeignet sind für Umformen über Tiefziehen oder dergleichen.It has been found that in the production of components for a fuel cell module by means of stamping or embossing an elastic springback can be determined. Furthermore, cracks and other surface defects during punching and embossing can form. Furthermore, it has been shown that the special steels suitable for use in high temperature fuel cells are less suitable for forming by deep drawing or the like.
Durch die pulvermetallurgische Herstellung können endkonturnah Teile und insbesondere Gehäuseteile für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle ohne Abfall in komplexen Geometrien mit hohem Automatisierungsgrad hergestellt werden. Dadurch ist eine optimale Reaktantenverteilung für den Betrieb einer Brennstoffzelle einstellbar.As a result of the production of powder metallurgy, parts and in particular housing parts for a high-temperature fuel cell without waste in complex geometries with a high degree of automation can be manufactured near net shape. This makes it possible to set an optimum reactant distribution for the operation of a fuel cell.
Bei pulvermetallurgisch hergestellten Bauteil-Werkstoffen erhält man eine bessere Verteilung (Dispergierung) der Legierungsbestandteile als bei konventionell schmelzmetallurgisch hergestellten Bauteil- Werkstoffen. Anreicherungszonen und Verarmungszonen für Legierungsbestandteile lassen sich durch die pulvermetallurgische Herstellung wirkungsvoll vermeiden. Dadurch erhält man eine höhere Oxidationsbeständigkeit beispielsweise des Gehäuses 12 oder der Trägervorrichtung 34. Das Oxidwachstum ist gleichmäßiger und die Verarmungszonen mit einer Durchbruchgefahr ist verringert. Beispielsweise zeigt es sich, dass bei dem Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bei ca. 8000C innerhalb von acht Stunden sich eine 20 μm dicke Oxidschicht bildet.In the case of component materials produced by powder metallurgy, a better distribution (dispersion) of the alloy constituents is obtained than in the case of component materials produced conventionally by melt metallurgy. Enrichment zones and depletion zones for alloy components can be effectively avoided by powder metallurgy production. This gives you a higher oxidation resistance of, for example, the housing 12 or the support device 34. The oxide growth is more uniform and the depletion zones with a breakdown risk are reduced. For example, it turns out that in the operation of a high-temperature fuel cell at about 800 0 C within eight hours forms a 20 micron thick oxide layer.
Durch die pulvermetallurgische Herstellung lassen sich auch komplexe dreidimensionale Geometrien herstellen. Insbesondere lassen sich Gaskanäle einformen, ohne dass die Gefahr des Materialreißens (wie sie bei Umformungs- verfahren vorliegt) vorhanden ist. Verzug ist vermieden, so dass sich aus Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodulen mit pulvermetallurgisch hergestelltem Gehäuse 12 effektiv Brennstoffzellenstapel herstellen lassen.By the powder metallurgical production also complex three-dimensional geometries can be produced. In particular, gas ducts can be molded in without the risk of material rupture (as occurs in the case of deformation processes) being present. Warpage is avoided, so that it is possible to produce fuel cell stacks from high-temperature fuel cell modules with powder-metallurgically produced housing 12 effectively.
Es ist dabei auch möglich, wie in Figur 5 schematisch angedeutet, aus ver- schiedenen Ausgangsmaterialien 72, 74 einen Grünkörper 76 herzustellen. Beispielsweise umfasst der Grünkörper 76 einen metallischen Bereich 78 und einen Bereich 80, welcher durch Sintern oxidkeramisch wird. Dadurch lässt sich direkt beispielsweise auf der Trägervorrichtung 34 oder an dem Gehäuseteil 14 eine keramische Schicht 82 herstellen. Diese Schichtherstellung ist integral mit der Herstellung eines metallischen Bauteils.It is also possible, as schematically indicated in FIG. 5, to produce a green body 76 from different starting materials 72, 74. For example, the green body 76 comprises a metallic region 78 and a region 80 which becomes oxide ceramic by sintering. As a result, for example, a ceramic layer 82 can be produced directly on the carrier device 34 or on the housing part 14. This layer production is integral with the production of a metallic component.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass nicht die Anode die erste Schicht auf einem Elektrodenträger ist, sondern die Kathode, d. h. die Kathode ist auf einem Kathodenträger als erste Schicht angeordnet, auf der Kathode ist eine Elektrolytschicht angeordnet und auf der Elektrolytschicht ist als letzte Schicht die Anode angeordnet.It is also possible in principle that the anode is not the first layer on an electrode carrier but the cathode, ie. H. the cathode is arranged on a cathode support as a first layer, on the cathode, an electrolyte layer is arranged and on the electrolyte layer is arranged as the last layer, the anode.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, welches in Figur 3 in schematischer Schnittdarstellung gezeigt ist und dort mit 84 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 86 mit einem ersten Gehäuseteil 88 und einem zweiten Gehäuseteil 90. Der erste Gehäuseteil 88 und der zweite Gehäuseteil 90 sind pulvermetallurgisch hergestellt. Sie sind grund- sätzlich gleich ausgebildet wie der oben beschriebene erste Gehäuseteil 14 und der zweite Gehäuseteil 16.A second exemplary embodiment of a fuel cell module according to the invention, which is shown in schematic cross-section in FIG. 3 and designated therein by 84, comprises a housing 86 with a first housing part 88 and a second housing part 90. The first housing part 88 and the second housing part 90 are produced by powder metallurgy , They are fundamentally In addition, the same design as the first housing part 14 and the second housing part 16 described above.
An dem ersten Gehäuseteil 88 ist eine Trägervorrichtung 92 beispielsweise in Form einer Bipolarplatte angeordnet. Diese Trägervorrichtung 92 ist insbesondere pulvermetallurgisch hergestellt und aus einem elektrisch leitenden Material wie beispielsweise PM-Stahl. Sie umfasst einen Rahmenbereich 94, welcher gasundurchlässig ist. Diese Gasundurchlässigkeit wird bei der pulvermetallurgischen Herstellung über das Ausgangsmaterial und dort über den Bindemittelanteil "gesteuert". An dem Rahmenbereich 94 sind integral ein oder mehrere Fensterbereiche 96 gebildet, wobei ein Fensterbereich 96 porös ist und dadurch gasdurchlässig ist. Diese Porosität wird bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Ausgangsmaterial durch den Bindemittelanteil und gegebenenfalls über einen Porenbildner eingestellt. Durch einen porösen Fensterbereich 96 kann Brennstoffgas zu einer Anode 98 einer Anoden- Elektrolyt-Kathoden-Einheit 100 gelangen, welche auf der Trägervorrichtung 92 angeordnet ist, wobei die Anode 98 direkt auf der Trägervorrichtung 92 positioniert ist.On the first housing part 88, a support device 92 is arranged, for example in the form of a bipolar plate. This support device 92 is made in particular powder metallurgy and made of an electrically conductive material such as PM steel. It comprises a frame portion 94 which is gas impermeable. This gas impermeability is "controlled" in the powder metallurgical production via the starting material and there via the binder content. One or more window regions 96 are integrally formed on the frame region 94, wherein a window region 96 is porous and is thus gas-permeable. This porosity is set in the powder metallurgical production of starting material by the binder fraction and optionally via a pore former. Through a porous window region 96, fuel gas may pass to an anode 98 of an anode-electrolyte-cathode unit 100 disposed on the support 92, with the anode 98 positioned directly on the support 92.
Die Trägervorrichtung 92 kann über Stützfüße 102 an dem ersten Gehäuseteil 88 abgestützt sein, wobei Stützfüße insbesondere einstückig an dem Rahmenbereich 94 angeordnet sind. Die Trägervorrichtung 92 mit dem Rahmenbereich 94 und dem oder den Fensterbereichen 96 sowie gegebenenfalls den Stützfüßen 102 lässt sich über pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren integral herstellen. Durch die Beabstandung einer Unterseite eines Fensterbereichs 96 der Trägervorrichtung 92 zu einer Innenseite des ersten Gehäuseteils 88 lässt sich ein Anodenraum ausbilden.The support device 92 may be supported by support feet 102 on the first housing part 88, wherein support feet are in particular integrally arranged on the frame portion 94. The support device 92 with the frame region 94 and the window or regions 96 and optionally the support feet 102 can be integrally produced by powder metallurgical manufacturing process. By spacing a lower side of a window region 96 of the carrier device 92 to an inner side of the first housing part 88, an anode space can be formed.
Die Trägervorrichtung 92 mit der darauf angeordneten Anoden-Elektrolyt- Kathoden-Einheit 100 kann ein separat hergestelltes Teil sein, welches nachträglich an dem ersten Gehäuseteil 88 fixiert ist. Es ist auch möglich, dass die Trägervorrichtung 92 integral an dem ersten Gehäuseteil 88 oder dem zweiten Gehäuseteil 90 angeordnet ist und insbesondere einstückig an diesem gebildet ist. Durch ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren lässt sich grundsätzlich die Trägervorrichtung als Bipolarplatte in das Gehäuse 86 integrieren.The support device 92 with the anode-electrolyte-cathode unit 100 arranged thereon can be a separately manufactured part which is subsequently fixed to the first housing part 88. It is also possible that the carrier device 92 is integrally arranged on the first housing part 88 or the second housing part 90 and in particular integrally formed thereon is. By a powder metallurgical production process, the carrier device can in principle be integrated into the housing 86 as a bipolar plate.
Ansonsten ist das Brennstoffzellenmodul 84 grundsätzlich gleich ausgebildet wie das Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 10 und funktioniert auf die gleiche Weise.Otherwise, the fuel cell module 84 is basically the same as the high-temperature fuel cell module 10 and operates in the same way.
Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, welches in Figur 6 gezeigt und dort mit 194 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 195 mit einem ersten Gehäuseteil 196 und einem zweiten Gehäuseteil 198. Der zweite Gehäuseteil 198 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie der zweite Gehäuseteil 16 bei dem Brennstoffzellenmodul 10.A third exemplary embodiment of a fuel cell module according to the invention, which is shown in FIG. 6 and designated there by 194, comprises a housing 195 with a first housing part 196 and a second housing part 198. The second housing part 198 is basically the same design as the second housing part 16 in the fuel cell module 10th
Der erste Gehäuseteil 196 weist einen Bodenbereich 200 auf, welcher "wellig" ausgebildet ist. Eine Innenseite 202 dieses Bodenbereichs 200 umfasst beabstandete Erhebungen 204, zwischen welchen Kanäle 206 gebildet sind. Die Kanäle 206 sind dabei derart miteinander verbunden, dass ein Anodenraum 208 gebildet ist. Der Anodenraum 208 ist durch den zweiten Gehäuseteil 198 nach oben geschlossen.The first housing part 196 has a bottom region 200 which is "wavy". An inner side 202 of this bottom region 200 comprises spaced elevations 204, between which channels 206 are formed. The channels 206 are connected to one another in such a way that an anode space 208 is formed. The anode chamber 208 is closed by the second housing part 198 upwards.
Die Erhebungen 204 weisen eine Einhüllende 210 auf, welche im Wesentlichen eine Ebene ist.The projections 204 have an envelope 210, which is essentially a plane.
An den Erhebungen 204 ist ein Anodenträger 212 angeordnet. Er ist mit den Erhebungen 204 beispielsweise durch Schweißen oder Löten verbunden.At the elevations 204, an anode support 212 is arranged. It is connected to the elevations 204, for example by welding or soldering.
Auf dem Anodenträger sitzt eine elektrochemische Funktionseinrichtung mit einer Anode, einer Elektrolytschicht und einer Kathode. Der Aufbau des Anodenträgers, welcher durch eine erfindungsgemäße Trägervorrichtung gebildet ist, und der elektrochemischen Funktionseinrichtung sowie die Verbindung mit dem zweiten Gehäuseteil 198 ist dabei grundsätzlich gleich wie bei dem Ausführungsbeispiel 10 beschrieben. Bei dem Brennstoffzellenmodul 194 ist die Trägervorrichtung 214 (welche dem Anodenträger 212 entspricht) direkt an dem ersten Gehäuseteil 196 abgestützt. Eine elektrische Kontakteinrichtung entsprechend der elektrischen Kontakteinrichtung 38 ist nicht vorgesehen.On the anode support sits an electrochemical functional device with an anode, an electrolyte layer and a cathode. The structure of the anode carrier, which is formed by a carrier device according to the invention, and the electrochemical functional device and the connection to the second housing part 198 is basically the same as described in the embodiment 10. In the fuel cell module 194, the support device 214 (which corresponds to the anode support 212) is supported directly on the first housing part 196. An electrical contact device corresponding to the electrical contact device 38 is not provided.
Der erste Gehäuseteil 196 ist als Gasverteiler ausgebildet. Der Gasverteiler, welcher durch die Erhebungen 204 an der Innenseite 202 des ersten Gehäuseteils 196 gebildet ist, ist ein Gasverteiler für Brennstoffgas.The first housing part 196 is designed as a gas distributor. The gas distributor, which is formed by the elevations 204 on the inside 202 of the first housing part 196, is a gas distributor for fuel gas.
Auf einer der Innenseite 202 gegenüberliegenden Außenseite 216 ist ebenfalls ein Gasverteiler gebildet. Mit der Außenseite 216 lässt sich eine Kathode eines benachbarten Brennstoffzellenmoduls verbinden, wobei durch die entsprechenden Kanäle an der Außenseite 216 die Kathode mit Oxidatorgas versorgbar ist.On a side 202 opposite the inside 202, a gas distributor is also formed. A cathode of an adjacent fuel cell module can be connected to the outside 216, wherein the cathode can be supplied with oxidizer gas through the corresponding channels on the outside 216.
Ansonsten entspricht die Funktionsweise des Brennstoffzellenmoduls 194 der Funktionsweise des Brennstoffzellenmoduls 10.Otherwise, the mode of operation of the fuel cell module 194 corresponds to the mode of operation of the fuel cell module 10.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoff- zellenmoduls, welches in Figur 7 gezeigt und dort mit 218 bezeichnet ist, ist ein Gehäuse 220 mit einem ersten Gehäuseteil 222 vorgesehen. Der erste Gehäuseteil 222 ist als Unterschale ausgebildet. Der erste Gehäuseteil 222 umfasst einen umlaufenden hochgezogenen Randbereich 224 mit einer im Wesentlichen ebenen Stirnfläche 226. Auf die Stirnfläche aufgelegt sitzt eine Trägervorrichtung 228, welche mit dem Randbereich 224 des ersten Gehäuseteils 222 beispielsweise durch Löten oder Schweißen verbunden ist. Die Trägervorrichtung 228 ist dabei mit einem gasundurchlässigen Rahmenbereich 230 auf den Randbereich 224 aufgesetzt.In a fourth exemplary embodiment of a fuel cell module according to the invention, which is shown in FIG. 7 and denoted there by 218, a housing 220 with a first housing part 222 is provided. The first housing part 222 is formed as a lower shell. The first housing part 222 comprises a circumferential raised edge region 224 with a substantially planar end face 226. Placed on the end face sits a support device 228 which is connected to the edge region 224 of the first housing part 222, for example by soldering or welding. The carrier device 228 is placed with a gas-impermeable frame portion 230 on the edge region 224.
An dem Rahmenbereich 230 ist integral ein poröser gasdurchlässiger Fensterbereich 232 gebildet. Die Trägervorrichtung 228 bildet insbesondere mit ihrem Rahmenbereich 230 einen zweiten Gehäuseteil 234. Durch die Trägervorrichtung 228 als zweiten Gehäuseteil 234 und den ersten Gehäuseteil 222 mit seinem hochgezogenen Randbereich 224 ist ein Anodenraum 236 begrenzt. In diesem ist eine elek- trische Kontakteinrichtung 238 angeordnet, welche grundsätzlich wie die oben beschriebene elektrische Kontakteinrichtung 38 funktioniert. Die elektrische Kontakteinrichtung 238 ist insbesondere mit dem ersten Gehäuseteil 222 verbunden und mit der Trägervorrichtung 228 verbunden.On the frame portion 230, a porous gas-permeable window portion 232 is integrally formed. The carrier device 228 forms, in particular with its frame region 230, a second housing part 234. An anode space 236 is delimited by the carrier device 228 as the second housing part 234 and the first housing part 222 with its raised edge region 224. In this, an electrical contact device 238 is arranged, which basically works like the electrical contact device 38 described above. The electrical contact device 238 is in particular connected to the first housing part 222 and connected to the carrier device 228.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der erste Gehäuseteil 222 direkt mit der Trägervorrichtung 228 verbunden ist.It is basically possible for the first housing part 222 to be connected directly to the carrier device 228.
Auf der Trägervorrichtung 228 ist eine Anode 240 angeordnet. Diese sitzt insbesondere an dem Fensterbereich 232, ohne über diesen hinauszuragen.An anode 240 is disposed on the support device 228. This sits in particular on the window portion 232, without projecting beyond this.
Die Anode 240 ist durch eine Elektrolytschicht 242 überdeckt. Die Elektrolytschicht 242 läuft dabei über eine Seitenfläche 244 der Anode 240 in den Rahmenbereich 230, das heißt die Elektrolytschicht 242 weist einen Bereich 246 auf, welcher auf dem Rahmenbereich 230 der Trägervorrichtung 228 liegt.The anode 240 is covered by an electrolyte layer 242. In this case, the electrolyte layer 242 runs via a side surface 244 of the anode 240 into the frame region 230, that is to say the electrolyte layer 242 has a region 246 which lies on the frame region 230 of the carrier device 228.
Die Elektrolytschicht 242 ist gasdicht. Sie deckt die Anode 240 oben nach außen ab und über den Bereich 246 seitlich nach außen ab. Da der Bereich 246 auf den Rahmenbereich 230 aufgesetzt ist, kann seitlich kein Brennstoffgas aus dem Fensterbereich 232 direkt auf die Kathodenseite gelangen oder durch die Anode 240 durch auf die Kathodenseite gelangen.The electrolyte layer 242 is gas-tight. It covers the anode 240 at the top outwards and over the area 246 laterally outwards. Since the region 246 is mounted on the frame portion 230, fuel gas can not pass from the window portion 232 directly to the cathode side or pass through the anode 240 to the cathode side laterally.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Elektrolytschicht 242 den Rahmenbereich 230 nach oben vollständig abdeckt. Dadurch lässt sich die Isolationswirkung bezüglich elektronischer Leitung des Brennstoffzellenmoduls 218 zu einem benachbarten Brennstoffzellenmodul erhöhen. Der Flächenbereich, welcher durch die Elektrolytschicht 242 abgedeckt wird, ist größer als der Flächenbereich des Fensterbereichs 232 und ist auch größer als der Flächenbereich der Anode 240.In principle, it is also possible that the electrolyte layer 242 completely covers the frame area 230 upwards. As a result, the insulation effect with respect to electronic conduction of the fuel cell module 218 to an adjacent fuel cell module can be increased. The area covered by the electrolyte layer 242 is larger than the area of the window area 232 and is larger than the area of the anode 240.
Ansonsten funktioniert das Brennstoffzellenmodul 218 wie oben beschrieben. Otherwise, the fuel cell module 218 operates as described above.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul, umfassend eine Anoden- Elektrolyt-Kathoden-Einheit (32; 100) mit einer Anode (36; 98; 240), einem Elektrolyten (44; 242) und einer Kathode (30), und ein Gehäuse (12; 86; 195; 220) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einem oder mehreren Gehäuseteilen (14, 16; 88, 90; 196, 198; 222, 234), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Gehäuseteil (14, 16; 88, 90) pulvermetallurgisch hergestellt ist.A high-temperature fuel cell module comprising an anode-electrolyte-cathode unit (32; 100) having an anode (36; 98; 240), an electrolyte (44; 242) and a cathode (30), and a housing (12 86, 195, 220) of an electrically conductive material having one or more housing parts (14, 16, 88, 90, 196, 198, 222, 234), characterized in that at least one housing part (14, 16, 88, 90) powder metallurgically produced.
2. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (14, 16; 88, 90; 196, 198; 222, 234) ein Sinterteil (70) ist.2. High-temperature fuel cell module according to claim 1, characterized in that the at least one housing part (14, 16, 88, 90, 196, 198, 222, 234) is a sintered part (70).
3. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (14, 16; 88, 90; 196, 198; 222, 234) aus einem Ausgangsmaterial hergestellt ist, welches ein Metallpulver und ein Bindemittel aufweist.3. High-temperature fuel cell module according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one housing part (14, 16, 88, 90, 196, 198, 222, 234) is made of a starting material comprising a metal powder and a binder.
4. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuseteil (14, 16; 88, 90; 196, 198; 222, 234) aus Stahl hergestellt ist.4. High-temperature fuel cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one housing part (14, 16, 88, 90, 196, 198, 222, 234) is made of steel.
5. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (12; 86; 195) oder einem Gehäuseteil (222) eine Trägervorrichtung (34; 92; 214; 228) für die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit (32; 100) angeordnet ist.5. High-temperature fuel cell module according to one of the preceding claims, characterized in that a carrier device (34; 92; 214; 228) for the anode-electrolyte-cathode Unit (32; 100) is arranged.
6. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (34; 92; 214; 228) pulvermetallurgisch hergestellt ist. 6. High temperature fuel cell module according to claim 5, characterized in that the carrier device (34; 92; 214; 228) is manufactured by powder metallurgy.
7. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (34; 92; 228) über eine elektrische Kontakteinrichtung (38; 102; 238) an dem Gehäuse (12; 86; 222) angeordnet ist.7. High-temperature fuel cell module according to claim 5 or 6, characterized in that the carrier device (34; 92; 228) via an electrical contact means (38; 102; 238) on the housing (12; 86; 222) is arranged.
8. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontakteinrichtung (92) pulvermetallurgisch hergestellt ist.8. High-temperature fuel cell module according to claim 7, characterized in that the electrical contact device (92) is produced by powder metallurgy.
9. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis9. High-temperature fuel cell module according to one of claims 5 to
8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontakteinrichtung (92; 38) Teil der Trägervorrichtung (92) ist oder an der Trägervorrichtung (34; 228) fixiert ist.8, characterized in that the electrical contact device (92; 38) is part of the carrier device (92) or is fixed to the carrier device (34; 228).
10. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 7 bis10. High-temperature fuel cell module according to one of claims 7 to
9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontakteinrichtung (38; 238) gasdurchlässig ausgebildet ist.9, characterized in that the electrical contact device (38; 238) is gas-permeable.
11. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (214) direkt an dem Gehäuse (195) angeordnet ist.11. High-temperature fuel cell module according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier device (214) is arranged directly on the housing (195).
12. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12; 86; 220) eine im Wesentlichen ebene Innenseite (24) aufweist.12. High-temperature fuel cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (12; 86; 220) has a substantially planar inner side (24).
13. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (195) mit einer Gasverteilungsstruktur (206) versehen ist. 13. High-temperature fuel cell module according to one of claims 1 to 11, characterized in that the housing (195) is provided with a gas distribution structure (206).
14. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis14. High-temperature fuel cell module according to one of claims 5 to
13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (34; 92; 214; 228) aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist.13, characterized in that the carrier device (34; 92; 214; 228) is made of an electrically conductive material.
15. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis15. High-temperature fuel cell module according to one of claims 5 to
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (92) integral an dem Gehäuse (86) gebildet ist.14, characterized in that the carrier device (92) is integrally formed on the housing (86).
16. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 5 bis16. High-temperature fuel cell module according to one of claims 5 to
15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (92; 214; 228) einen gasundurchlässigen Rahmenbereich (94; 230) und mindestens einen gasdurchlässigen porösen Fensterbereich (96; 232) aufweist.15, characterized in that the carrier device (92; 214; 228) has a gas-impermeable frame region (94; 230) and at least one gas-permeable porous window region (96; 232).
17. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Fensterbereich (96; 232) eine Elektrode (240) angeordnet ist.17. High-temperature fuel cell module according to claim 16, characterized in that an electrode (240) is arranged on the at least one window region (96;
18. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12; 86; 196; 222) einen ersten Gehäuseteil (14; 88) aufweist, welcher schalenförmig ausgebildet ist.18. High-temperature fuel cell module according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (12; 86; 196; 222) has a first housing part (14; 88), which is cup-shaped.
19. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12; 86; 195) einen zweiten Gehäuseteil (16; 90; 198) aufweist, welcher mit dem ersten Gehäuseteil (14; 88; 196) verbunden ist und welcher die Anoden-Elektrolyt- Kathoden-Einheit (32; 100) teilweise überlappt.A high temperature fuel cell module according to claim 18, characterized in that the housing (12; 86; 195) has a second housing part (16; 90; 198) connected to the first housing part (14; 88; 196) and which partially overlaps the anode-electrolyte-cathode unit (32; 100).
20. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gehäuseteil (16; 90; 198) ein Fenster (28) aufweist, in welchem beabstandet zu dem zweiten Gehäuseteil (16; 90; 198) mindestens teilweise die Kathode (30) angeordnet ist. 20. High-temperature fuel cell module according to claim 19, characterized in that the second housing part (16; 90; 198) has a window (28) in which, spaced from the second housing part (16; 90; 198) at least partially the cathode (30 ) is arranged.
21. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit (32; 100) und/oder eine Trägervorrichtung (34; 92; 214) für die Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit (32; 100) über eine Lotschicht (46) mit dem zweiten Gehäuseteil (16; 90; 198) verbunden ist.21. A high-temperature fuel cell module according to claim 19 or 20, characterized in that the anode-electrolyte-cathode unit (32; 100) and / or a support device (34; 92; 214) for the anode-electrolyte-cathode unit ( 32; 100) is connected to the second housing part (16; 90; 198) via a solder layer (46).
22. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (46) an dem Elektrolyten (44) angeordnet ist.22. High-temperature fuel cell module according to claim 21, characterized in that the solder layer (46) is arranged on the electrolyte (44).
23. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (46) als Fluiddichtung für einen Anodenraum (42; 208) ausgebildet ist.23. High-temperature fuel cell module according to claim 21 or 22, characterized in that the solder layer (46) as a fluid seal for an anode space (42, 208) is formed.
24. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägervorrichtung (228) Teil des Gehäuses (220) ist.24. High-temperature fuel cell module according to one of claims 1 to 18, characterized in that a carrier device (228) is part of the housing (220).
25. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägervorrichtung (228) ein Deckelelement des Gehäuses (220) bildet, welches einen Elektrodenraum (236) abschließt.25. High-temperature fuel cell module according to claim 24, characterized in that the carrier device (228) forms a cover element of the housing (220), which closes off an electrode space (236).
26. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine gasdichte Elektrolytschicht (242) einen gasdurchlässigen Fensterbereich (232) der Trägervorrichtung (228) vollständig überdeckt.26. High-temperature fuel cell module according to claim 24 or 25, characterized in that a gas-tight electrolyte layer (242) completely covers a gas-permeable window region (232) of the carrier device (228).
27. Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterstützungsrahmen vorgesehen ist, welcher pulvermetallurgisch hergestellt ist. 27. High-temperature fuel cell module according to one of the preceding claims, characterized in that a support frame is provided, which is manufactured by powder metallurgy.
28. Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, welche eine oder mehrere metallische Komponenten umfasst, bei dem mindestens eine metallische Komponente pulvermetallurgisch hergestellt wird.28. A method for producing a high-temperature fuel cell, which comprises one or more metallic components, wherein at least one metallic component is produced by powder metallurgy.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Ausgangsmaterial, welches ein Metallpulver und ein Bindemittel umfasst, ein Grünkörper hergestellt wird, welcher gesintert wird.29. The method according to claim 28, characterized in that from a starting material, which comprises a metal powder and a binder, a green body is produced, which is sintered.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper endkonturnah hergestellt wird.30. The method according to claim 29, characterized in that the green body is produced close to final contour.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere keramische Schichten an der mindestens einen pulvermetallurgisch hergestellten Komponente integral mit hergestellt werden. 31. The method according to any one of claims 28 to 30, characterized in that one or more ceramic layers are integrally formed on the at least one powder metallurgy produced component.
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