DE19718687A1

DE19718687A1 - Fuel cell stack

Info

Publication number: DE19718687A1
Application number: DE19718687A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ringel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2017-05-03
Also published as: DE19718687C2

Abstract

A fuel cell stack consists of fuel cell segments (1 to 3) where a glued region between two segments is found and where wires (5) are provided for electrical series connection of the segments. The segments are glued together at their edges. Wires which serve for the series connection are passed between glued faces or edges. These wires are hard soldered to electrodes (1,2) as well as pressed onto them. Glass solder is used as a glue (4). The segments are dimensioned so that a current of 50 amps maximum can be generated. One electrode of a segment is self-supporting and the electrolyte layer found on it is much thinner. The diameter of the wires is no more than one millimetre.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, beispielsweise bekannt aus "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokio".The invention relates to a fuel cell stack, for example known from "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokyo ".

Eine einzelne Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zugeführt.A single fuel cell has one cathode, one Electrolytes and an anode. The cathode becomes a Oxidizing agents, e.g. B. air and the anode becomes a Fuel, e.g. B. supplied hydrogen.

Brennstoffzellen lassen sich in verschiedene Typen un terteilen. Bekannt ist beispielsweise die sogenannte SOFC-Brennstoffzelle.Fuel cells can be of different types share. For example, the so-called SOFC fuel cell.

Die SOFC-Brennstoffzelle wird auch Hochtemperatur-Brennstoffzelle genannt, da ihre Betriebstemperatur bis zu 1000°C beträgt. An der Kathode einer Hochtempera tur-Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Oxi dationsmittels Sauerstoffionen. Die Sauerstoffionen passieren den Elektrolyten und rekombinieren auf der Anodenseite mit dem vom Brennstoff stammenden Wasser stoff zu Wasser. Mit der Rekombination werden Elektro nen freigesetzt und so elektrische Energie erzeugt.The SOFC fuel cell also becomes a high-temperature fuel cell called because their operating temperature up to 1000 ° C. At the cathode of a high temperature tur fuel cells are formed in the presence of the oxi dationsmittel oxygen ions. The oxygen ions pass the electrolyte and recombine on the Anode side with the water from the fuel substance to water. With the recombination become electrical released and thus generates electrical energy.

Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzie lung großer Leistungen mechanisch und elektrisch mit einander zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel verbunden.Several fuel cells are usually used to educate mechanically and electrically each other into a so-called fuel cell stack connected.

Ein verbindendes Element zweier Brennstoffzellen in ei nem Brennstoffzellenstapel ist aus DE 196 098 813 unter der Bezeichnung "bipolare Platte" bekannt. Dem vorge nannten Stand der Technik ist zu entnehmen, daß bei ho hen Betriebstemperaturen thermische Ausdehnungen sowie chemische Wechselwirkungen Probleme bereiten.A connecting element of two fuel cells in egg Nem fuel cell stack is from DE 196 098 813 known as "bipolar plate". The featured mentioned prior art can be seen that at ho hen operating temperatures thermal expansions as well chemical interactions cause problems.

Der Elektrolyt einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle be steht regelmäßig aus ZrO₂-Keramik. Diese Keramik weist einen Temperaturausdehnungskoeffizienten von etwa 10.10^-6 1/K auf. Andere Teile der Hochtemperatur-Brenn stoffzelle, wie die Stromableiter und die verbindenden Elemente zwischen den einzelnen Brennstoffzellen werden u. a. aus Metall gefertigt, damit eine ausreichende Stromleitfähigkeit vorhanden ist. Temperaturbeständige Metalle weisen in der Regel einen höheren Wärmeausdeh nungskoeffizienten von ca. 14.10^-6 bis 18.10^-6 1/K auf. Es ist dann problematisch, die notwendigen gasdichten Verbindungen zwischen den Metallen und den verwendeten Keramiken zu gewährleisten. Es sind schließlich starke Temperaturschwankungen von 200 bis 1000°C und folglich große mechanische Spannungen an den Fügestellen sowie in den Bauteilen zu verkraften.The electrolyte of a high-temperature fuel cell is regularly made of ZrO ₂ ceramic. This ceramic has a coefficient of thermal expansion of approximately 10.10 ^-6 1 / K. Other parts of the high-temperature fuel cell, such as the current arrester and the connecting elements between the individual fuel cells, are made of metal, among other things, so that there is sufficient current conductivity. Temperature-resistant metals generally have a higher coefficient of thermal expansion from approx. 14.10 ^-6 to 18.10 ^-6 1 / K. It is then problematic to ensure the necessary gas-tight connections between the metals and the ceramics used. After all, there are strong temperature fluctuations of 200 to 1000 ° C and consequently large mechanical stresses at the joints and in the components.

Um die thermisch bedingten mechanischen Spannungen im Stapel zu vermeiden, werden bipolare Platte aus Metal len mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, die im wesentlichen aus Chrom mit 5% Eisen und 1% Yttritriumoxyd bestehen. Die Temperaturbeständigkeit der Metalle sind jedoch unbefriedigend. Außerdem ist der Werkstoff aufgrund seiner pulvermetallurgischen Herstellung sehr teuer.To the thermally induced mechanical stresses in the To avoid stacks, bipolar plates are made of metal len with an adjusted expansion coefficient, essentially made of chrome with 5% iron and 1% Yttritriumoxid exist. The temperature resistance however, the metals are unsatisfactory. Besides, is the material due to its powder metallurgical Manufacturing very expensive.

Zur Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten an den Koef fizienten von ZrO₂ wird daher auch versucht, bipolare Platten aus Keramik mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizi enten einzusetzen. Nachteilig bei Keramiken ist die schlechte elektrische Leitfähigkeit, die zu relativ ho hen Leistungsverlusten in einem Zellenstapel führen.To adapt the coefficient of expansion to the coefficient of ZrO ₂ , attempts are therefore also made to use ceramic bipolar plates with an adapted coefficient of expansion. A disadvantage of ceramics is the poor electrical conductivity, which leads to relatively high power losses in a cell stack.

Ein weiteres Problem stellt bei der geringen Zellspan nung die sehr hohe Stromstärke einer einzelnen großen Zelle dar. Bei einer Zellenfläche von z. B. 25 cm × 25 cm beträgt die Stromstärke etwa 300 A.Another problem arises with the low cell chip the very high amperage of a single large Cell represents. With a cell area of z. B. 25 cm x 25 cm the current is about 300 A.

Die Spannung wird durch Reihenschaltung von einzelnen Zellen mittels Zellstapelung erhöht. Die Stromstärke eines solchen Zellenstapels ist unverändert hoch. Somit ist weiterhin eine aufwendige bzw. verlustreiche Strom ableitung bei nahezu 1000°C gegeben. Durch eine Zelle mit höherer Zellspannung und somit verringert er Strom stärke könnten diese Verluste vermindert werden.The voltage is connected in series by individual Cells increased by means of cell stacking. The current such a cell stack remains high. Consequently is still an elaborate or lossy stream dissipation at almost 1000 ° C. Through a cell with higher cell voltage and thus it reduces current These losses could be reduced to a greater extent.

Die Zellspannung nimmt im Prinzip mit der Länge der Zelle ab. Verantwortlich hierfür ist die Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum bzw. die Ab nahme der Brenngaskonzentration im Anodenraum mit zu nehmender Zellenlänge, da die Zellspannung eine Funk tion der Gasbestandteile ist. Am Eingang einer großen Zelle ist demnach theoretisch die Zellspannung höher als am Ausgang dieser Zelle. Bei der üblichen Verbin dung der Zellen zu einem Zellenstapel mit einer großen leitenden Verbindungsplatte wird diese unterschiedliche Zellspannung zu einer mittleren Zellspannung ausgegli chen. Insgesamt ist dies mit einer Verminderung der Zelleistung verbunden.In principle, the cell voltage increases with the length of the Cell. The acceptance of the Oxygen concentration in the cathode compartment or the Ab increase in the fuel gas concentration in the anode compartment increasing cell length because the cell voltage is a radio tion of the gas components is. At the entrance of a big one Theoretically, the cell's cell voltage is higher than at the exit of this cell. With the usual verb formation of the cells into a cell stack with a large conductive connecting plate this will be different Cell voltage balanced to an average cell voltage chen. Overall, this is with a decrease in Cell power connected.

Aus der Druckschrift "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokio" ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Brenn stoffzellen besteht. Die Brennstoffzellen sind mittels verbindender Elemente, die hier Interkonnektoren ge nannt werden, gestapelt sowie elektrisch in Reihe ge schaltet. Die Stapelung ergibt ein Rohr, welches aus einer Mehrzahl an Brennstoffzellen mit vergleichsweise kleinen Grundflächen besteht.From the publication "Science and technology of ceramic fuel cells, 1995, Elsevier, Amsterdam, Lausanne, New York, Oxford, Shannon, Tokyo "is a device known from a plurality of tubular focal fabric cells. The fuel cells are by means of connecting elements, the interconnectors here be called, stacked and electrically in series switches. The stacking results in a pipe which is made of a plurality of fuel cells with comparatively small footprints.

Einen Brennstoffzellenstapel aus vielen Brennstoffzel len (Segmenten) mit vergleichsweise kleinen Flächen aufzubauen, hat zur Folge, daß keine hohen elektrischen Stromstärken erzeugt werden. Die angesprochenen Leistungsverluste infolge von gemittelten Spannungswer ten bei großflächigen Brennstoffzellen treten praktisch nicht auf. Jede einzelne Brennstoffzelle ist relativ bruchsicher. Zerstörerisch wirkende thermische Spannun gen zwischen Elektrolytschichten und darauf angebrach ten Elektroden werden aufgrund der kleinen statischen Kontaktflächen wesentlich vermindert.A fuel cell stack made up of many fuel cells len (segments) with comparatively small areas has the consequence that no high electrical Amperages are generated. The addressed Power losses due to averaged voltage values Large-scale fuel cells come in handy not on. Every single fuel cell is relative shatterproof. Destructive thermal voltage conditions between and attached to electrolyte layers th electrodes are due to the small static Contact areas significantly reduced.

Die vorgenannte Vorrichtung weist eine relativ große Anzahl verbindender Elemente auf. Zwischen den verbin denden Elementen und den rohrförmigen Brennstoffzellen segmenten treten nachteilhaft entsprechend häufiger thermische Spannungen auf.The aforementioned device has a relatively large size Number of connecting elements. Between the verbin end elements and the tubular fuel cells disadvantageously, segments occur correspondingly more often thermal stresses.

Gasdichte Verbindungen zwischen den rohrförmigen Brenn stoffzellen (Segmente) und den verbindenden Elementen sind erforderlich, um den Anoden- vom Kathodenraum zu trennen. Möglichst geringe Fertigungstoleranzen müssen daher eingehalten werden.Gas-tight connections between the tubular focal fabric cells (segments) and the connecting elements are required to move the anode from the cathode compartment separate. Manufacturing tolerances must be as low as possible therefore be adhered to.

Um den Fertigungsaufwand in Grenzen zu halten, dürfen verbindende Elemente sowie Brennstoffzellensegmente keine komplexen Formen aufweisen. Hierdurch wird die Formenvielfalt nachteilhaft eingeschränkt.To keep the manufacturing effort within limits, connecting elements and fuel cell segments have no complex shapes. This will make the Form diversity disadvantageously limited.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brenn stoffzellenstapels, bei dem die thermische Spannungen, Leistungsverluste und Stromstärken gering gehalten wer den werden können, eine große Formenvielfalt und gas dichte Verbindungen zwischen Brennstoffzellen und ver bindenden Elementen kostengünstig möglich sind.The object of the invention is to create a burner fabric cell stack, in which the thermal stresses, Power losses and amperages are kept low a wide variety of shapes and gas tight connections between fuel cells and ver binding elements are possible inexpensively.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteil hafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezoge nen Ansprüchen.The object of the invention is achieved by a device solved with the features of the main claim. Advantage harsh configurations result from the back references claims.

Die Problemlösung erfolgt durch Auftrennen der üblichen "großen" Einzelzelle in einzelne Segmente, die mitein ander mittels eines Klebstoffs verklebt werden. Jedes einzelne Segment stellt letztlich wieder eine normale Brennstoffzelle dar, die jedoch hier bewußt relativ klein gehalten und deshalb Segment genannt wird. Mit tels der Segmente lassen sich daher bei gleicher Ge samtleistung die Stromstärke deutlich unter die ein gangs genannten 300 Ampère vermindern.The problem is solved by separating the usual ones "large" single cell into individual segments that coexist be glued to each other with an adhesive. Each individual segment ultimately represents a normal one Fuel cell, which is deliberately relative here kept small and is therefore called segment. With The segments can therefore be used for the same Ge total power the amperage significantly below the one decrease 300 amps.

Unter Klebstoff ist jeder nichtmetallische Werkstoff zu verstehen, der zwei Bauteile einer Hochtemperaturbrenn stoffzelle fest miteinander verbindet, ohne ihr Gefüge zu verändern.Any non-metallic material is covered under adhesive understand the two components of a high temperature burner fabric cell firmly connected with each other, without their structure to change.

Der verwendete Klebstoff stellt je nach Anwendungsfall einen elektrischen Isolator oder Leiter dar. Die elek trische Reihenschaltung erfolgt erforderlichenfalls mittels eines aus Metall bestehenden Drahtes. Der Draht ist erforderlich, wenn die Reihenschaltung nicht durch den Kleber bewirkt wird. Er ist ferner erforderlich, wenn eine feste, das heißt starre Verbindung zwischen einem Teil des Brennstoffzellenstapels und dem strom führenden elektrischen Leiter vorliegt, der die Reihen schaltung zweier Brennstoffzellen bewirkt. Der Draht stellt dann den elektrischen Leiter dar.The adhesive used depends on the application an electrical insulator or conductor. The elek trical series connection takes place if necessary using a wire made of metal. The wire is required if the series connection is not through the glue is effected. It is also required if a firm, that is, rigid connection between part of the fuel cell stack and electricity leading electrical conductor is present, which is the ranks switching two fuel cells. The wire then represents the electrical conductor.

Beispiele für eine starre Verbindung sind eine geklebte oder eine gelötete Verbindung zwischen dem (dann als Draht vorliegenden) elektrischen Leiter und einem Teil des Brennstoffzellenstapels.Examples of a rigid connection are a glued one or a soldered connection between the (then as Wire present) electrical conductor and part of the fuel cell stack.

Neben der Stromführung bewirkt das Vorsehen eines Drah tes, daß z. B. nur kleine, starr miteinander verbundene Kontaktflächen zwischen dem elektrischen Leiter und den Elektroden vorliegen. Es können dann praktisch keine zerstörerisch wirkenden thermischen Spannungen zwischen dem elektrischen Leiter und den hiermit fest verbunde nen Teilen eines Brennstoffzellenstapels auftreten. In addition to the current supply, the provision of a wire tes that z. B. only small, rigidly connected Contact surfaces between the electrical conductor and the Electrodes are present. Then practically none can destructive thermal tensions between the electrical conductor and hereby firmly connected Parts of a fuel cell stack occur.

Fertigungstoleranzen stellen kein Problem dar, da le diglich geklebt wird. Auch lassen sich kostengünstig viele verschiedene (auch komplexe) Formen durch geeig netes Zusammenkleben realisieren.Manufacturing tolerances are not a problem because le is only glued. They can also be inexpensive many different (also complex) shapes by suitable Realize neat sticking together.

Ein Segment im Sinne des Anspruchs liegt insbesondere dann vor, wenn durch ein Segment ein Strom von maximal 50 Ampère, insbesondere von 10 Ampère erzeugt werden kann. Kann pro cm² Brennstoffzellenfläche ein maximaler Strom von 1 Ampère erzeugt werden, so entsprechen die vorgenannten Werte einer Grundfläche von 50 cm² bzw. 10 cm² pro Segment.A segment within the meaning of the claim is present in particular if a current of at most 50 amperes, in particular 10 amperes, can be generated by a segment. If a maximum current of 1 ampere can be generated per cm ^{2 of} fuel cell area, the aforementioned values correspond to a base area of 50 cm ² or 10 cm ² per segment.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Kanten zweier Segmente miteinander verklebt. So wird die zu verklebende Fläche minimiert. Je kleiner die zu verklebende Fläche ist, desto geringer sind die auftretenden thermisch bedingten Spannungen.In an advantageous embodiment of the invention the edges of two segments are glued together. This minimizes the area to be glued. The smaller the area to be glued is the smaller the occurring thermal stresses.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Er findung wird der Draht zwischen den verklebten Flächen bzw. Kanten hindurchgeführt. So ist es auf einfache Weise möglich, die Segmente gasdicht zusammenzufassen. U. a. kann dann die eine Seite der gasdicht zusammenge faßten Segmente, an der die Anoden angebracht sind, ei nem Schutzgas ausgesetzt werden, ohne daß die andere, hiervon gasdicht getrennte Seite mit den daran be festigten Kathoden betroffen ist. Die Seite mit den Ka thoden darf nämlich regelmäßig keinem Schutzgas wie Stickstoff oder Argon ausgesetzt werden, da dann die üblicherweise als Kathodenmaterial vorgesehenen Vertre ter der Perowskitgruppe vom Typ ABO₃ zerfallen würden. In a further advantageous embodiment of the invention, the wire is passed between the glued surfaces or edges. This makes it easy to combine the segments in a gas-tight manner. Among other things can then be exposed to one side of the gas-tightly summarized segments to which the anodes are attached to a protective gas without the other, gas-tightly separated side with the cathodes attached to it being affected. The side with the cathodes must not be regularly exposed to protective gas such as nitrogen or argon, since the representatives of the perovskite group of type ABO _3, which are usually provided as cathode material, would then disintegrate.

Durch die vorgenannte Ausgestaltung der Erfindung kann nun ohne Zerstörung der Kathodenmaterialien z. B. der anspruchsgemäße Draht an den Anoden in einer Schutz gasatmosphäre durch Hochtemperaturlöten einfach und zu verlässig befestigt werden.Due to the aforementioned embodiment of the invention now without destroying the cathode materials e.g. B. the sophisticated wire on the anodes in a protection gas atmosphere through high temperature soldering easy and closed be reliably attached.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente rohr- oder konusförmig ausgestaltet. Sind dann die Kanten der konus- oder rohrförmigen Segmente miteinander gasdicht verklebt und werden erforderli chenfalls Drähte durch die Klebestellen hindurchge führt, so entsteht im Inneren der Rohre oder Konusse ein gasdicht abgeschirmter Raum. Durch diesen Raum kann problemlos Schutzgas geleitet werden, ohne daß die Außenwand hiervon betroffen ist und umgekehrt. Darüber hinaus können die Betriebsmittel ohne zusätzliche Dich tungen getrennt an den jeweiligen Elektroden entlangge leitet werden.In a further embodiment of the invention the segments are tubular or conical. are then the edges of the conical or tubular segments glued together gastight and are required if necessary wires through the glue points leads, so arises inside the pipes or cones a gas-tight shielded room. Through this room can Shielding gas can be passed without problems, without the The outer wall is affected and vice versa. About that In addition, the resources can be used without additional you separately along the respective electrodes be directed.

In einer weiteren Ausfürungsform der Erfindung sind Segmente plattenförmig ausgestaltet und insbesondere an den Kanten miteinander verklebt. Durch die Klebestelle werden Drähte geführt, um so die Segmente elektrisch in Reihe zu schalten. Insgesamt kann die Verklebung mehre rer, kleiner, plattenförmiger Segmente zu einer großen Platte von z. B. 25 cm.25 cm führen. Diese große Platte erzeugt bei vergleichbarer Leistung einen Strom von deutlich weniger als die eingangs genannten 300 Ampère.In a further embodiment of the invention Developed segments plate-shaped and in particular on the edges glued together. Through the glue point wires are guided so that the segments are electrically in Switch series. Overall, the bond can be multiple rer, smaller, plate-shaped segments to a large Plate of z. B. 25 cm. 25 cm. This size Plate generates a current with comparable performance of significantly less than the above 300 amps.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Drahtstück gegen die zugehörige Elektrode gepreßt oder gedrückt, um so den elektrischen Kontakt zu bewirken. Dies kann mittels einer Feder geschehen, um thermische Spannungen zu vermeiden. Alternativ wird z. B. ein rohrförmiges Segment von einem Spannring ein geschlossen. Das Material des Spannrings weist einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das rohrförmige Element. Ein Stück des Drahtes befindet sich zwischen Spannring und rohrförmigem Element.In a further embodiment of the invention at least one piece of wire against the associated electrode pressed or pressed so the electrical contact to effect. This can be done using a spring to avoid thermal stress. Alternatively, will e.g. B. a tubular segment of a clamping ring closed. The material of the clamping ring has one smaller coefficient of thermal expansion than the tubular element. A piece of the wire is located between the clamping ring and the tubular element.

Wird die vorgenannte Anordnung auf Betriebstemperatur gebracht, so wird der Draht (die Drähte) aufgrund der entsprechend gewählten thermischen Ausdehnungskoeffizi enten der jeweiligen Materialien gegen die Außenwand des rohrförmigen Segmentes und damit gegen die dort be findliche Elektrode gepreßt. Bei dieser handelt es sich z. B. um eine Kathode, die aus einem Perowskiten vom Typ ABO₃ besteht. Die Innenwand wird zumindest überwie gend durch Anoden gebildet, an denen jeder zugehörige Draht vorzugsweise festgelötet ist.If the above arrangement is brought to operating temperature, the wire (s) is pressed due to the correspondingly selected thermal expansion coefficients of the respective materials against the outer wall of the tubular segment and thus against the electrode there. This is e.g. B. a cathode, which consists of a perovskite type ABO ₃ . The inner wall is at least predominantly formed by anodes, to which each associated wire is preferably soldered.

Ein Drahtstück kann auch in gleichwirkender Weise gegen die Anode durch ein innen befindliches Rohr oder zylin derförmiges Element gepreßt werden, wenn dieses einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als das rohrförmige Segment aufweist.A piece of wire can also counteract in the same way the anode through an internal tube or cylin deriform element are pressed if this one expansion coefficient larger than the tubular Segment.

Ein rohrförmiges Segment weist bei einer weiteren Aus führungsform eine selbstragende, rohrförmige Elektrode auf, auf der eine mehrfach dünnere Elektrolytschicht aufgebracht ist. Auf der Elektrolytschicht ist dann eine weitere Elektrode aufgebracht. A tubular segment points out from another a self-supporting, tubular electrode on which a multi-layer electrolyte layer is thinner is applied. Then on the electrolyte layer another electrode applied.

Dünne Elektrolytschichten können schnell von den Sauer stoffionen passiert werden. Daher sollten diese im Bei spielsfall sowie auch bei den übrigen Ausführungsformen der Erfindung maximal 50 µm, vorzugsweise maximal 20 µm dick sein.Thin layers of electrolyte can quickly get rid of the acid ion ions are passed. Therefore, these should be included in the game case as well as in the other embodiments of the invention a maximum of 50 microns, preferably a maximum of 20 microns be fat.

Das an einem Beispiel verdeutlichte Prinzip, mittels unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten ein Drahtstück durch Aufheizen auf Betriebstemperaturen an eine Elektrode zu pressen, ist nicht auf diese spe zielle Ausgestaltung beschränkt, sondern entsprechend übertragbar.The principle illustrated by an example, by means of different coefficients of thermal expansion a piece of wire by heating to operating temperatures pressing against an electrode is not specific to it limited design, but accordingly transferable.

Vorteilhaft ist die Verbindung zwischen einem an eine Elektrode gepreßten Drahtstück und der Elektrode regel mäßig nicht starr. Es treten dann keine thermischen Spannungen auf. In einem solchen Fall ist es zwar u. U. zweckmäßig, jedoch nicht mehr notwendig, den elektri schen Leiter im Bereich der Elektrode drahtförmig zu gestalten.The connection between one and one is advantageous Electrode pressed wire piece and the electrode rule moderately rigid. Then there are no thermal Tensions on. In such a case it may be U. expedient, but no longer necessary, the electri wire in the area of the electrode shape.

Die geschilderten Maßnahmen zum rohrförmigen Segment zur Erzielung der geschilderten Wirkungen sind insbe sondere auch auf konusförmige Segmente entsprechend übertragbar.The described measures for the tubular segment to achieve the effects described are esp special also on cone-shaped segments transferable.

Eine Kombination verschieden geformter Segmente ist i. a. problemlos möglich.A combination of differently shaped segments is i. a. possible without any problems.

Bei den anspruchsgemäßen Vorrichtungen bzw. beschriebe nen Ausführungsformen sind die Stromstärken gering und die Spannungen hoch. Leistungsabfälle aufgrund von ge mittelten Spannungen treten praktisch nicht auf. Das Problem bezüglich thermischer Spannungen ist aufgrund durchweg kleiner statisch, also fest miteinander ver bundenen Kontaktflächen wesentlich verringert worden. Es sind im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik aufgrund möglicher kleiner Abmessungen vorteil haft nur geringe Form- und Maßtoleranzen einzuhalten.In the case of the devices according to the claims or descriptions NEN embodiments, the currents are low and the tensions high. Drop in performance due to ge Average tensions practically do not occur. The There is a problem with thermal stresses consistently smaller static, that is, ver bound contact areas have been significantly reduced. In comparison to the state mentioned at the beginning, it is the Technology advantageous due to possible small dimensions adheres to only slight dimensional and dimensional tolerances.

Die anspruchsgemäße Verbindung ermöglicht auf einfache Weise eine große Formenvielfalt. So kann beispielsweise eine Rohrform kostengünstig aus mehreren, kleinen plat tenförmigen Brennstoffzellen-Segmenten gebildet werden.The sophisticated connection enables simple A wide variety of shapes. For example a tube shape inexpensively from several, small plat ten-shaped fuel cell segments are formed.

Thermische Spannungen an den Verbindungsstellen zwi schen den aneinander geklebten Brennstoffzellen-Segmen ten sind aufgrund kleiner statisch miteinander verbun denen Kontaktflächen gering und wirken sich unabhängig von der gewählten Ausgestaltung praktisch nicht zerstö rerisch aus. Die miteinander verklebten Kontaktflächen sind auf einfache Weise gasdicht miteinander verbunden.Thermal stresses at the junctions between the glued fuel cell segments Because of their small size, they are statically connected to one another those contact areas are small and work independently practically not destroyed by the chosen design rerisch out. The contact surfaces glued together are connected to one another in a gas-tight manner.

Als Klebstoff ist insbesondere ein Stoff auszuwählen, der die in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle herr schenden Temperaturen und Atmosphären verträgt. Der Klebstoff muß bei Temperaturen verbinden, die die zu verklebenden Materialien nicht zerstören. Der thermi sche Ausdehnungskoeffizient des Klebers sollte an die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien angepaßt sein, die zu verkleben sind.In particular, a substance should be selected as the adhesive, who is in a high temperature fuel cell tolerating temperatures and atmospheres. Of the Adhesive must bond at temperatures that are too do not destroy adhesive materials. The thermi The coefficient of expansion of the adhesive should match the thermal expansion coefficient of the materials be adapted to be glued.

Als Klebstoff ist aus vorgenannten Gründen Glaslot ge eignet. Ein Glaslot verbindet in der Regel bei Tempe raturen von 900°C. Die zu verklebenden Materialien werden daher nicht den besonders zerstörerisch wirken den Temperaturen oberhalb von 1000°C ausgesetzt. Glas lot weist regelmäßig geeignete thermische Ausdehnungs koeffizienten auf. Glaslot verhält sich darüber hinaus vorteilhaft plastisch und ist auch aus diesem Grunde verhältnismäßig unempfindlich gegenüber thermischen Spannungen.For the reasons mentioned above, glass solder is used as the adhesive is suitable. A glass solder usually connects at Tempe temperatures of 900 ° C. The materials to be glued will therefore not be particularly destructive exposed to temperatures above 1000 ° C. Glass solder regularly exhibits suitable thermal expansion coefficients. Glaslot behaves beyond this advantageous plastic and is also for this reason relatively insensitive to thermal Tensions.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. l bis 4 nebst zugehöriger Beschreibungen weiter erläu tert.In the following, the invention is further explained with reference to FIGS . 1 to 4 and associated descriptions.

Die Fig. 1 zeigt die Verbindung von drei Brennstoff zellen-Segmenten, die aus dicken Anodenschichten 1, mehrfach dünneren Elektrolytschichten 2 sowie dünnen Kathodenschichten 3 bestehen. Fig. 1 shows the connection of three fuel cell segments, which consist of thick anode layers 1 , multiple thinner electrolyte layers 2 and thin cathode layers 3 .

Die drei Segmente sind an ihren Kanten (Stirnflächen) mittels eines elektrisch nicht leitenden Glaslotes 4 an einander geklebt. Metalldrähte 5 schalten die Segmente elektrisch in Reihe. Die Drähte 5 sind durch den Kleb stoff 4 hindurchgeführt.The three segments are glued to one another at their edges (end faces) by means of an electrically non-conductive glass solder 4 . Metal wires 5 electrically connect the segments in series. The wires 5 are passed through the adhesive material 4 .

Die gezeigte Anordnung weist somit nun nicht mehr eine Betriebsspannung von ca. 0,7 V, sondern von 3 × 0,7 V = 21 V auf. Entsprechend wird die Stromstärke bei gleicher Gesamtleistung auf 1/3 reduziert.The arrangement shown thus no longer has one Operating voltage of approx. 0.7 V, but 3 × 0.7 V = 21 V. Correspondingly, the current strength is at same total output reduced to 1/3.

Durch die Aufteilung einer Fläche in drei miteinander verklebte Segmente ist es nicht mehr erforderlich, daß die ganze Zelle, d. h. im vorliegenden Fall jedes Zel lensegment, die gleiche Spannung erzeugt. Vielmehr kann sich bei Abnahme der Gaskonzentration entlang der Seg mente eine unterschiedliche Spannung einstellen. Am An fang, also wie in der Fig. 1 angedeutet im Bereich des Gaseintrittes (hier: H₂, O₂) kann eine höhere Spannung entstehen als am Ende. Eine Leistungseinbuße der gesam ten Anordnung durch den Spannungsausgleich über eine bipolare Platte ist nicht mehr gegeben.By dividing an area into three segments that are glued together, it is no longer necessary for the entire cell, ie each cell segment in the present case, to generate the same voltage. Rather, when the gas concentration decreases along the segments, a different voltage can occur. At the beginning, that is, as indicated in FIG. 1 in the area of the gas inlet (here: H ₂ , O ₂ ), a higher voltage can arise than at the end. There is no longer any loss in performance of the entire arrangement due to the voltage compensation via a bipolar plate.

Die jeweiligen Stromableiter an der Anode und der Ka thode eines Elektrolyten müssen keine gute Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, da die Abmes sungen relativ klein sind. Die Materialspannungen in zwei fest miteinander verbundenen Bauteilen bei Tempe raturänderung sind nämlich u. a. von der Bauteilabmes sung abhängig.The respective current arresters on the anode and the Ka method of an electrolyte need not be a good match of the expansion coefficient, since the dimensions solutions are relatively small. The material stress in two permanently connected components at Tempe rature change are namely. a. from the component dimensions solution dependent.

Die elektrische Verbindung von der Kathode 3 des einen Segments zur Anode 1 des anderen Segments, d. h. die Reihenschaltung, erfolgt über einen Draht 5 oder meh rere dünne Drähte 5, die in ihren Durchmessern so klein gewählt sind, daß nur verträgliche Materialspannungen im Verbindungswerkstoff entstehen. So ist z. B. der Drahtdurchmesser ≦ 1 mm zur Vermeidung von thermisch bedingten Spannungen regelmäßig geeignet.The electrical connection from the cathode 3 of one segment to the anode 1 of the other segment, ie the series connection, takes place via a wire 5 or several thin wires 5 , which are chosen so small in their diameters that only compatible material stresses arise in the connecting material. So z. B. the wire diameter ≦ 1 mm is suitable for avoiding thermal stresses.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann in einer modifi zierten, aber im wesentlichen gleichwirkenden Ausfüh rungsform einen durchgehenden Elektrolyten mit Löchern an den Positionen 4 aufweisen, durch die die Drähte 5 geführt werden. Die Anoden 1 und Kathoden 3 sind dann unverändert in drei Segmente eingeteilt. Zur Fixierung und Abdichtung des Kathodenraumes gegenüber dem Anoden raum sind die Löcher mit einem Kleber 4 verschlossen. The arrangement shown in FIG. 1 can have a continuous electrolyte with holes at the positions 4 through which the wires 5 are guided in a modified but essentially equivalent embodiment. The anodes 1 and cathodes 3 are then divided unchanged into three segments. To fix and seal the cathode space from the anode space, the holes are closed with an adhesive 4 .

Fig. 2 zeigt im Schnitt röhrenförmige Segmente. Neben den bereits in Fig. 1 gezeigten Elementen sind gemäß Fig. 2 Lötverbindungen 6 vorgesehen, die die Drähte 5 mit den Stirnflächen (Kanten) von Anoden 1 verbinden. Die aus Al₂O₃ bestehenden Spannringe 7 weisen einen ge ringeren Ausdehnungskoeffizienten auf, als die rohrför migen Segmente. Diese dehnen sich bei Aufheizen auf Be triebstemperatur stärker aus als die Spannringe 7. Folglich werden die zwischen Spannringen 7 und Kathoden 3 befindlichen Stücke der Drähte 5 (erst) im Betriebs zustand gegen die Anoden gepreßt. Wird die Brennstoff zelle wieder abgekühlt, so lockert sich die Preßverbin dung und thermische Spannungen werden vermieden. Fig. 2 shows tubular segments in section. In addition to the elements already shown in FIG. 1, solder connections 6 are provided according to FIG. 2, which connect the wires 5 to the end faces (edges) of anodes 1 . The clamping rings 7 made of Al ₂ O ₃ have a lower expansion coefficient than the tubular segments. When heated to operating temperature, these expand more than the clamping rings 7 . Consequently, the pieces of wires 5 located between clamping rings 7 and cathodes 3 (only) in the operating state are pressed against the anodes. If the fuel cell is cooled again, the press connection loosens and thermal stresses are avoided.

Bei der vorbeschriebenen Preßverbindung bewirken Drähte 5 die erforderliche Querleitfähigkeit der Kathoden 3.In the press connection described above, wires 5 bring about the required transverse conductivity of the cathodes 3 .

Da bei der Ausführungsform mit dem Preßring 7 keine statische Verbindung vorliegt, thermische Spannungen zwischen dem die Reihenschaltung bewirkenden elektri schen Leiter 5 und einer Kathode 3 somit nicht entste hen können, ist es hier nicht wesentlich, auf kleine Kontaktflächen zwischen elektrischem Leiter 5 und Elek troden 3 zu achten. Daher kann in diesem Bereich statt eines Drahtes auch ein flächenförmiger elektrischer Leiter vorgesehen werden. Der flächenförmige elektri sche Leiter geht in eine Drahtform über, sobald ein Durchgang durch den Klebstoff 4 oder eine Lötstelle 6 betroffen ist und damit eine feste (statische) Verbin dung vorliegt. Since there is no static connection in the embodiment with the press ring 7 , thermal voltages between the electrical circuit 5 causing the series connection and a cathode 3 can thus not be formed, it is not essential here for small contact surfaces between the electrical conductor 5 and electrodes 3 to watch out for. Therefore, a flat electrical conductor can also be provided in this area instead of a wire. The sheet-like electrical conductor cal changes into a wire shape as soon as a passage through the adhesive 4 or a solder joint 6 is affected and thus a fixed (static) connection is present.

Die in Fig. 2 gezeigten rohrförmigen Segmente weisen einen Durchmesser sowie eine Länge von 2 cm auf. Die Drähte 5 bestehen aus dem ferritischen Chromstahl 1.4742.The tubular segments shown in FIG. 2 have a diameter and a length of 2 cm. The wires 5 consist of the ferritic chrome steel 1.4742.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel mit den vorgenann ten Bauelementen. Statt eines elektrisch isolierenden Glaslotes kann hier auch YSZ als Klebstoff 4 verwendet werden. YSZ wird auf eine Stirnseite eines Segmentes aufgetragen, an die andere zu verklebende Stirnfläche gedrückt und dann gesintert. Fig. 3 shows another example with the vorgenann th components. Instead of an electrically insulating glass solder, YSZ can also be used here as adhesive 4 . YSZ is applied to one face of a segment, pressed against the other face to be bonded and then sintered.

Die elektrische Verbindung 5 kann durch NiAl/Al₂O₃, LaCaCrO₃, Cr5Fe1Y₂O₃ oder 1.4741 erfolgen. Aufgrund der speziellen Bauform muß hier die elektrische Verbindung nicht durch einen Draht realisiert werden. Die elek trisch leitenden Materialien können statt dessen durch Plasmaspritzen aufgebracht werden, da kleine Kontakt flächen vorhanden sind. Da kleinen Kontaktflächen in diesem Sonderfall vorliegen, stellt die mittels Plas maspritzens bewirkte elektrische Reihenschaltung eine äquivalente Realisierung des Merkmals "Draht" dar.The electrical connection 5 can be made by NiAl / Al ₂ O ₃ , LaCaCrO ₃ , Cr5Fe1Y ₂ O ₃ or 1.4741. Due to the special design, the electrical connection does not have to be realized by a wire. The electrically conductive materials can instead be applied by plasma spraying, since there are small contact areas. Since there are small contact areas in this special case, the electrical series connection effected by means of plasma spraying represents an equivalent implementation of the "wire" feature.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit konusförmigen Segmenten, bei der der Klebstoff elektrisch leitend ist und dieser gleichzeitig die Reihenschaltung bewirkt. Hier ist ein Draht zur Herstellung der elektrischen Reihenschaltung entbehrlich. Fig. 4 shows an embodiment with conical segments, in which the adhesive is electrically conductive and at the same time causes the series connection. A wire for the production of the electrical series connection is unnecessary here.

Die vorbeschriebenen Segmente sind im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik bruchfest. Es tre ten keine Undichtigkeiten aufgrund langer Randfugen auf. Sie können schnell aufgeheizt oder abgekühlt wer den, da nur vergleichsweise kleine thermische Spannun gen auftreten. Große, teure externe Wärmetauscher kön nen eingespart werden.The segments described above are compared to the breakable state of the art mentioned at the beginning. It tre no leaks due to long edge joints on. They can be quickly heated or cooled the, because only comparatively small thermal voltages gene occur. Large, expensive external heat exchangers can be saved.

Bei selbsttragenden Anoden ist die Querleitfähigkeit aufgrund der Dicke von ca. 2000 µm sichergestellt. Eine ausreichende Elektrodenquerleitfähigkeit kann durch An pressen von Drähten insbesondere gemäß Fig. 2 sicher gestellt werden. Die Elektrolytschicht ist typischer weise 20 µm und die Kathodenschicht 200 µm dick.With self-supporting anodes, the transverse conductivity is ensured due to the thickness of approx. 2000 µm. Adequate electrode transverse conductivity can be ensured by pressing wires, in particular according to FIG. 2. The electrolyte layer is typically 20 µm thick and the cathode layer 200 µm thick.

Große metallische oder elektrisch leitende keramische bipolare Platten sind nicht erforderlich.Large metallic or electrically conductive ceramic bipolar plates are not required.

Im allgemeinen übernimmt die nach dem Stand der Technik bekannte bipolare Platte drei Funktionen, nämlich die gasdichte Trennung von Anoden- und Kathodenraum zwi schen zwei Zellen, die elektrische Verbindung der bei den Zellen sowie den elektrischen Kontakt zur Anode bzw. zur Kathode. Dies begründet im Prinzip die sehr schwierige Auswahl für den Werkstoff.In general, this is done according to the state of the art known bipolar plate three functions, namely the gas-tight separation of anode and cathode space between two cells, the electrical connection of the the cells and the electrical contact to the anode or to the cathode. In principle, this justifies the very difficult choice for the material.

Bei der Erfindung sind diese Funktionen auf drei ver schiedene Elemente aufgeteilt, nämlich die gasdichte Wand zwischen den zwei Zellen, die stromführenden Ver bindungsdrähte zwischen den beiden Zellen und die klei nen elektrischen Kontakte (Stromabnehmer) auf den einzelnen Zellsegmenten. Der mechanische Aufbau der Hochtemperaturkonstruktion wird so wesentlich verein facht. Die gasdichten Wände zwischen zwei Zellen bzw. Segmenten können nun sehr unterschiedlich ausgeführt werden, da sie - im Gegensatz zur bipolaren Platte - nun nur noch gasdicht und hochtemperaturfest sein müs sen.In the invention, these functions are ver on three divided elements, namely the gas-tight Wall between the two cells, the live Ver tie wires between the two cells and the small electrical contacts (pantographs) on the individual cell segments. The mechanical structure of the High temperature construction is so much united fold. The gas-tight walls between two cells or Segments can now be executed very differently because - in contrast to the bipolar plate - now only need to be gas-tight and resistant to high temperatures sen.

Insbesondere bei rohrförmiger Bauweise entfällt die gasdichte Wand.This is not necessary, particularly in the case of a tubular construction gastight wall.

Claims

1. Fuel cell stack, consisting of fuel cell len segments ( 1 , 2 , 3 ), in which there is an area glued by means of an adhesive ( 4 ) between two segments and in which wires ( 5 ) are provided for the electrical series connection of fuel cell segments , as far as the electrical series connection is not effected by adhesive ( 4 ).

2. Fuel cell stack with the characteristics of the previously going claim, in which the segments at their Edges are glued together.

3. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which wires ( 5 ), which are used for series connection, are passed between bonded surfaces or edges.

4. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which wires ( 5 ), which are used for series connection, are soldered to electrodes ( 1 , 2 ).

5. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which wires ( 5 ), which are used for series connection, are pressed onto electrodes ( 3 ).

6. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which glass solder is provided as an adhesive ( 4 ).

7. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which the in series switched segments are dimensioned so that they generate a maximum current of 50 amperes can.

8. Fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which an electrode ( 1 ) of a segment is self-supporting and the electrolyte layer ( 2 ) which is sensitive to it is several times thinner.

9. A fuel cell stack with the features according to one of the preceding claims, in which the diameter of the wires ( 5 ) is less than or equal to 1 mm.