Stand der Technik Eine grundlegende Bedingung für den zuverlässigen Be- trieb eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels ist die Dichtigkeit der einzelnen Bauteile unter verschie- densten Randbedingungen. Dafür werden die einzelnen Ebenen eines Stapels sowie die dazwischen liegenden Dichtungen, wie beispielsweise Metallfolien, Glimmer, Glaslot oder ähnliches, regelmäßig mechanisch ver- spannt. An das Verspannen eines Hochtemperatur-Brenn- stoffzellenstapels im Rahmen der Herstellung und des Betriebs werden aber aufgrund der hohen Betriebstempe- raturen von regelmäßig über 700 °C hohe Anforderungen gestellt.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels durch Auf- legen einer Last auf den Stapel zu realisieren. Dies führt aber nachteilig zu einer erhöhten Bauweise, zu einem erhöhten Gewicht und oft auch zu erhöhten Kosten.

Es ist ferner aus dem Stand der Technik bekannt, für die Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen- stapels Zuganker einzusetzen. Diese speziellen, für ho- he Temperaturen bis über 1000 °C geeignete Zuganker weisen häufig einen derartigen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten auf, dass das Aufheizen des Stapels re- gelmäßig zu einer definierten und immer stärkeren Ver- spannung durch den Zuganker führt.

Die für diesen Einsatz geeigneten Zuganker bestehen nachteilig aus sehr teuren, hochwarmfesten Stählen mit einer sehr geringen Kriechneigung und einem, im Ver- gleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Stäh- len für Standardzuganker, niedrigen thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten. Da Kriechen auch bei diesen spe- ziellen Stählen nicht ganz ausgeschlossen werden kann, bleibt dennoch die Gefahr beim Einsatz der speziellen Zuganker, dass ein ausreichend hoher Anpressdruck auf den Stapel über eine längere Zeit nicht immer aufrecht zu erhalten ist.

Aufgabe und Lösung Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen- stapels zu schaffen, bei dem über eine ausreichend lan- ge Zeit eine Verspannung des Stapels unter Betriebsbe- dingungen erreicht und damit eine sichere Gewährleis- tung von Dichtigkeit erzielt werden kann. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durch- führung des vorgenannten Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfah- ren mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptan- spruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens er- geben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprü- chen.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vor- richtung finden sich in den auf den Nebenanspruch rück- bezogenen Ansprüchen.

Gegenstand der Erfindung Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass auf teure und nicht sicher zuverlässige herkömmliche spezielle Zuganker aus teuren, hochwarmfesten Stählen bei der Verspannung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen- stapels verzichtet werden kann, sofern das Aufheizen des Stapels auf Betriebstemperatur innerhalb einer Iso- lation vorgenommen wird. In einem solchen Fall können vorteilhaft herkömmliche Standardzuganker für die Ver- spannung des Stapels außerhalb der Isolation verwendet werden.

Eine dazu geeignete Spann-und Isolationsvorrichtung, im folgenden Spannvorrichtung genannt, umfasst dazu vorteilhaft eine Anschlussplatte, eine den Hochtempera- tur-Brennstoffzellenstapel allseitig umschließende, ge- eignete Isolierung, sowie Mittel zum Verspannen des Stapels, die außerhalb der Isolierung angeordnet sind.

Solche geeigneten Mittel zum Verspannen können bei-

spielsweise zwei außerhalb der Isolierung angeordnete Spannplatten mit aufgebrachten Spannrahmen sein, die jeweils Aufnahmen für wenigstens zwei Zuganker aufwei- sen.

Eine geeignete Isolierung für einen Hochtemperatur- Brennstoffzellenstapel weist regelmäßig Abmessungen auf, die dem aufzunehmenden Hochtemperatur-Brennstoff- zellenstapel entsprechen. Die Isolierung ist vorteil- haft allseitig, d. h. auf allen sechs Seiten des aufzu- nehmenden Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels vorge- sehen. Optional sind für Betriebsmittelzu-und/oder- abführungen, Stromabführungen o. ä. für den Stapel entsprechende Aussparung vorgesehen.

Die Isolation kann ein-oder mehrlagig ausgestaltet sein, wobei bei mehrlagigen Isolationen gleiche oder auch verschiedene Materialien eingesetzt werden können.

Das Material selbst ist dazu geeignet, in der vorgese- henen Weise einen Wärmedurchgang von einem innen ange- ordneten Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel nach au- ßen regelmäßig zu verhindern. Darunter ist zu verste- hen, dass während im Inneren der Isolation der Stapel unter Betriebsbedingungen Temperaturen bis ca. 900 °C aufweist, durch diese Isolation außen beispielsweise nur noch Temperaturen unterhalb von 100 °C vorliegen.

Dazu sind insbesondere herkömmliche Hochtemperaturiso- lierplatten auf Basis von A1203 oder auch mikroporöse Dämmstoffe geeignet.

Das Isolationsmaterial hält ferner regelmäßig Flächen- belastungen von weniger als 1 N/mm2 ohne unzulässige

Verformung aus. Dies entspricht dem typischen Anpress- druck, den die Zuganker regelmäßig beim Verspannen auf den Stapel ausüben. Da zwischen den Mitteln zum Verspannen und dem Hochtemperatur-Brennstoffzellen- stapel die Isolierung angeordnet ist, muss verhindert werden, dass die Isolation den durch die Mittel aufge- brachten gewünschten Anpressdruck für den Stapel selbst durch Verformung aufnimmt bzw. so deutlich reduziert, dass der effektive Anpressdruck für den Stapel deutlich geringer als der gewünschte Anpressdruck ist. Vorteil- haft sollte das Isolationsmaterial den Anpressdruck na- hezu direkt auf den Stapel übertragen.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Kompo- nenten der Spannvorrichtung, insbesondere die Mittel zum Verspannen (z. B. Spannrahmen, Zuganker, Anpressfe- dern, Muttern) durch das Vorsehen einer Isolation einer Einsatztemperatur von regelmäßig unter 100 °C unterlie- gen, wodurch kostengünstige Standardwerkstoffe und Standardkomponenten einsetzbar sind. Gleichzeitig wird eine zuverlässige und langzeitstabile Verspannung des Stapels erzielt. Das Aufheizen des Stapels auf Be- triebstemperatur kann beispielsweise durch innerhalb der Isolierung eingebrachte Heizwendeln oder durch in den Stapel integrierte Heizelemente oder auch durch zu- vor aufgeheizte Gase erfolgen.

Das gesamte Verfahren zum Herstellen, insbesondere zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung lässt sich beispielsweise wie folgt beschreiben :

w Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel wird in einen Ofen eingebracht und durch Auflegen einer Last einem definierten Druck ausgesetzt.

Während des Aufheizens wird Dichtungsmaterial, bei- spielsweise Glaslot, aufgeschmolzen und führt zur Abdichtung der Einzelzellen innerhalb des Stapels und des Stapels selbst.

'Der abgekühlte, aber noch unter Druck stehende Sta- pel, wird behelfsmäßig mit Zugankern, vorteilhaft Standardzuganker inklusive entsprechender Andruckfe- dern, verspannt und an seinen Einsatzort verbracht.

'Der behelfsmäßig verspannte Stapel wird zunächst auf eine Anschlussplatte oder direkt auf die letzte Zel- le eines Brennstoffzellenstapels aufgesetzt und an- schließend mit einer Isolation umgeben.

'Die Mittel zum Verspannen des Stapels werden außer- halb der Isolation angeordnet, beispielsweise werden an zwei gegenüberliegenden Seiten Spannplatten mit oder ohne Spannrahmen angebracht, die Aufnahmen für Standardzuganker aufweisen.

Der Stapel wird mit Hilfe der Mittel zum Verspannen derart verspannt, dass anschließend die behelfsmäßi- ge Verspannung gelöst werden kann. Dazu sind bei- spielsweise in den oberen zwei Isolierungselementen sowie in der oberen Spannplatte, einschließlich Spannrahmen, Bohrungen vorgesehen. Die behelfsmäßi- gen Zuganker befinden sich nach dem Anbringen der Isolierung und der Spannplatte innerhalb dieser Boh- rungen. Nach dem Verspannen mit der entgültigen Vor- richtung werden diese gelöst und nach oben herausge- zogen. Anschließend werden die Bohrungen mit dem

entsprechenden Isoliermaterial aufgefüllt. w Der nunmehr außerhalb der Isolation verspannte Sta- pel wird auf Betriebstemperatur aufgeheizt.

Der Einbau des Stapels in die erfindungsgemäße Spann- vorrichtung und das Lösen der behelfsmäßigen Verspan- nung führen zwar zunächst zu einem erhöhten Arbeitsauf- wand, aber die sich durch den Einsatz von Standardkom- ponenten ergebende Kostenersparnis und die Sicherheit einer langzeitstabilen Verspannung des Stapels überwie- gen diesen Nachteil deutlich.

Die im Stand der Technik eingesetzten speziellen, hoch- warmfesten Zuganker müssen aus hochwarmfestem Stahl ge- fertigt werden, deren Temperaturbeständigkeit höher als 1000 °C liegt. Problematisch ist das Ausdehnungsverhal- ten dieser Stähle. Für die SOFC-Brennstoffzelle werden als Plattenmaterial, ferittische Stähle verwendet, de- ren Ausdehnungskoeffizient bei ca. 1, 3*10-5 l/K liegt.

Handelsübliche hochwarmfeste Stähle sind austenitische Stähle mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der bei ca.

1, 8*10-5 l/K liegt. Diese Art von Stählen ist zum Verspannen ungeeignet, da er sich beim Aufheizen der Brennstoffzelle stärker ausdehnen würde als der Stapel selbst und somit der Verspannung entgegenwirkt. Für diese Anwendung müssen daher speziell entwickelte Stäh- le verwendet werden. Aus den vorgenannten Gründen ist der Einsatz von Standardkomponenten ein wesentlicher Vorteil dieser Spannvorrichtung.

Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläu- tert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.

Es zeigen : Figur la, b : Perspektivische Zeichnung einer erfin- dungsgemäßen Spannvorrichtung.

Figur 2a, b, c : Ansichtszeichnungen einer erfindungsge- mäßen Spannvorrichtung für die drei Raumrichtungen.

Legende für die Figuren 1 und 2 : 1. obere Spannplatte 2. untere Spannplatte 3. Spannrahmen 4. Zuganker 5. Ausdruckfeder 6. Sechskantmutter 7. Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel 8. Anschlussstück 9. erste Isolierschicht 10. zweite Isolierschicht 11. Betriebsmittelzu-bzw. abführungen Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannvor- richtung, wie den Figuren 1 und 2 dargestellt, weist eine 2-lagige Isolierung für die Aufnahme eines Hoch- temperatur-Brennstoffzellenstapels auf. Das Isolations- material hält regelmäßig eine Flächenbelastung von < 1 N/mm2 ohne unzulässige Verformung aus. Die Geometrie

der Isolation ist an den aufzunehmenden Hochtemperatur- Brennstoffzellenstapel angepasst.

An der Seite des Stapels, an der die Betriebsmittelzu- und/oder-abführungen 11 angeordnet sind, sind entspre- chende Durchbrüche in der Isolation vorgesehen.

In dieser Ausführungsform sind an zwei gegenüberliegen- den Seiten der Spannvorrichtung, vorteilhaft auf einer ersten Seite mit den Betriebsmittelzu-und-abführungen und der gegenüberliegenden, zweiten Seite, Spannplatten 1 und 2 angeordnet. Diese sollten vorteilhaft so groß wie die Isolation an diesen Seiten ausgeführt werden.

Auf diesen Spannplatten ist jeweils ein Spannrahmen 3 mit Aufnahmen für Standardzuganker 4 angeordnet. Für eine gleichmäßige Druckbelastung sind wenigstens vier Standardzuganker 4 vorzusehen, die jeweils über An- druckfedern 5 und eine Sechskantmutter 6 eingestellt werden können.

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst jeder Spannrahmen 3 Aufnahmen für vier Standardzuganker 4, wobei die Auf- nahmen derart verteilt sind, dass sich je zwei an ge- genüberliegenden Seiten der Spanplatte 1 bzw. 2 be- finden. Der Spannrahmen 3 auf der ersten und der (gegenüberliegenden) zweiten Seite der Spannvorrichtung sind entsprechend spiegelsymmetrisch aufgebaut. Die Lage und die Anzahl der Zuganker 4 entspricht im wesentlichen denen der bislang eingesetzten hochwarm- festen speziellen Zuganker, davon abgesehen, dass erfindungsgemäß eine Isolation dazwischen vorgesehen ist. Durch gleichmäßiges Verspannen der Standardzug- anker werden die gegenüberliegenden Spanplatten mitsamt der dazwischen liegenden Isolation 9 bzw. 10 auf den

eingebauten Stapel 7, der gegebenenfalls auf einer Anschlussplatte 8 angeordnet ist, gedrückt und erzeugen so einen möglichst gleichmäßigen Anpressdruck auf den Stapel.