用于在高温燃料电池的正极和内部连接器之间导电连接的接触元件

摘要

本发明涉及一种用于在高温燃料电池的正极和内部连接器之间导电连接的接触元件。本发明的任务是，在高温燃料电池的正极和关联的内部连接器之间实现更可靠的、长期稳定的导电连接。根据本发明的接触元件设置在高温燃料电池的正极和内部连接器之间。接触元件借助两个平面导电的子元件来形成。在此，一个子元件与正极触碰接触并且另外的子元件与相应的内部连接器触碰接触。在子元件中构建有穿通部，并且子元件由具有彼此不同的热膨胀系数的材料形成。

说明书

本发明涉及一种用于在高温燃料电池的正极和内部连接器之间导电连接的接触元件。在高温燃料电池的情况下，通常将单个的燃料电池结合成堆并且将它们导电地彼此连接。为此，在各燃料电池的电极之间设置内部连接器，这些内部连接器也称为双极板。于是，电流可以从燃料电池的一个电极流向下一个燃料电池的极性相反的电极。

然而因为需要燃料或者氧化剂能够到达电极，所以为此需要渗透性或者穿透性，这影响导电能力。

于是，目前在电极和关联的相应内部连接器之间使用不同配置的集电器。对此的例子是借助纤维形成的网或者集电器(DE 102 32 093 A1)。

在高温燃料电池情况下的另一普遍要考虑的问题是由于燃料电池的高的工作温度导致的热膨胀。出于该原因，通常针对燃料电池的所有主要的各元件，即电极、内部连接器以及部分地还有集电器的材料选择为使得考虑固体电解质的热膨胀系数。在此，仅仅应当允许小的偏差。

形成正极和与其关联的内部连接器之间的导电连接的集电器通常由镍制造。然而，镍具有明显更大的热膨胀系数。在将高温燃料电池从工作温度冷却到室温的情况下，在正极接触情况下形成长度差。这导致负极的陶瓷接触部被施加以拉应力并且在那里会撕裂接触部。由此，形成电损耗并且降低了可实现的功率。

减小这种用镍构建的、在正极和内部连接器之间的导电连接的厚度也并不能实现目的，因为还必须借助镍的可延展性来平衡机械应力和制造公差。

在借助网或者纤维形成正极和内部连接器之间的接触部的情况下，在燃料电池的工作期间也出现局部差异的变形，这导致出现具有升高的导电性的点状区域，它们称为“热点”。大部分的电流在那里流动。

如果在这些位置出现接触部损毁，则必然得到的是，降低导电性并且增大电阻。这在再次启动以前被关断的燃料电池情况下产生特别不利的效果，因为至少在该时间期间在这样构建的集电器上并不存在如下接触部：通过该接触部，在正极和内部连接器之间可以流动局部的受限的大电流。

因此，本发明的任务是，在高温燃料电池的正极和关联的内部连接器之间实现更可靠的、长期稳定的导电连接。

根据本发明，该任务借助具有权利要求1所述的特征的接触元件来解决。本发明的有利的扩展方案和改进方案可以借助从属权利要求中表明的技术特征来实现。

根据本发明的接触元件借助两个平面导电的子元件来形成。在此，一个子元件与正极触碰接触并且另外的子元件与相应的内部连接器触碰接触。在子元件中构建有穿通部，燃料可以通过所述穿通部穿过接触元件，并且接触元件为此是可穿透的。两个子元件由分别具有彼此不同的热膨胀系数的材料形成。

子元件并且由此整个接触元件也可以是多孔的。

接触元件也可以由多于两个的子元件形成。在此，应当类似地考虑热膨胀系数。

由于子元件的不同的热膨胀系数，在温度改变时出现变形。由此，可以借助在接触元件中引起的压应力来稳定导电接触部。它们分布在接触元件的面上。由此，电流可以相应更多局部分布地流经正极和内部连接器之间的可用的面。

在变形时，在接触元件上会形成突起部和凹入部，它们分布地设置在面上。在此，优选在穿通部的位置上出现凹入部。于是，在高温燃料电池从工作温度冷却的情况下，可以利用出现的接触元件的变形，其方式是通过变形将区域朝向正极挤压以及将区域朝向内部连接器挤压。由此，可以改善电接触。

在每个另外的温度改变情况下，都可以利用该效应。

形成两个子元件的材料的热膨胀系数于是应当彼此差异，使得膨胀之差至少为1ppm/K。这应当至少在700℃到高温燃料电池的工作温度之间的温度范围中得到保持。

在子元件中形成的穿通部应当设置为使得接触元件对于燃料是可穿透的，并且在一个子元件上的相应的穿通部与另外的子元件的穿通部分别彼此相通。

在选择子元件的材料时以及在其设计时，可以考虑的是，在至少比高温燃料电池的工作温度低100K的温度情况下，两个子元件大小相同或者可以大小相同。

有利的是，子元件关于其面的形状和大小方面可以设计为使得它们在至少比高温燃料电池的工作温度低100K的温度情况下以其外边缘靠置在环绕构建的边缘元件上。然而，在正常室温的情况下也可以已经如此。

然而，接触元件的子元件也可以单独地或者附加于前面说明地以其外边缘环绕地以边缘元件固定和/或至少在其外边缘上彼此连接。

借助这些措施，可以在温度变化情况下在接触元件的面上有利地实现本发明可用的变形。

根据本发明的接触元件应当可柔性变形并且透气，为此可以借助可柔性变形的、穿孔的膜来形成子元件。

在此，子元件可以分别由不同的金属或者其合金形成，所述金属选自：Ni、Cu、Fe和Co。

接触元件的总厚度应当最大为2mm。

根据本发明的接触元件的两个子元件可以具有不同的厚度。在此，可以考虑相应的热膨胀系数、机械特性(例如延展性)以及相应的导电性。

子元件的穿通部应当总计为正极和/或内部连接器面的面积的20％至90％，优选为40％至60％，以便保证进行充分的燃料交换以及可以保持高的导电性。

穿通部应当规则地、彼此等间距地设置，并且分别相同地设计和形成轮廓，其中至少在中央区域应当满足这一点。外部的边缘必要时可以与其偏差或者可以完全没有穿通部。

具有较大的热膨胀系数的子元件应当设置在接触元件的朝向正极的侧上，而具有较小的热膨胀系数的子元件应当设置在接触元件的朝向内部连接器的侧上。

下面要示例性地进一步阐述本发明。其中：

图1示出了带有根据本发明的接触元件的高温燃料电池的剖面图，并且

图2示出了根据本发明的接触元件的一个例子的子元件的视图。

在图1中，在剖面中示出了高温燃料电池。在此，接触元件1设置在内部连接器3上，在该内部连接器与正极2之间。在正极2上存在固体电解质4和负极5。

接触元件1在此借助两个膜形成，其作为两个子元件1.1和1.2。在此，设置在内部连接器侧的子元件1.1由纯铜(在20℃时α＝16.5*10^-3K^-1)形成，并且其具有290μm的厚度。设置在正极侧的第二子元件1.2借助纯镍(在20℃时α＝13.0*10^-3K^-1)构成的120μm厚的膜形成。