AT15921U1 - Poröses Formteil für elektrochemisches Modul - Google Patents

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AT15921U1 ATGM54/2017U AT542017U AT15921U1 AT 15921 U1 AT15921 U1 AT 15921U1 AT 542017 U AT542017 U AT 542017U AT 15921 U1 AT15921 U1 AT 15921U1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses Formteil (10,10'; 10") für ein elektrochemisches Modul (20). Das elektrochemische Modul (20) weist dabei mindestens eine elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25) auf, das mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum (26) bildet. Das Gehäuse (24; 25) erstreckt sich auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus, bildet dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) und weist im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27) mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase auf. Das erfindungsgemäße Formteil (10, 10'; 10") ist als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet und zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) sowie zur Abstützung des Gehäuses nach beiden Seiten entlang einer Stapelrichtung (B) des elektrochemischen Moduls angepasst.

Description

Beschreibung
PORÖSES FORMTEIL FÜR ELEKTROCHEMISCHES MODUL [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses Formteil zur Anordnung in einem elektrochemischen Modul gemäß Anspruch 1 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 13.
[0002] Das erfindungsgemäße poröse Formteil wird in einem elektrochemischen Modul verwendet, welches unter anderem als Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw. Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), als Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) sowie als reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) einsetzbar ist. In der Basiskonfiguration umfasst eine elektrochemisch aktive Zelle des elektrochemischen Moduls einen gasdichten Feststoffelektrolyten, der zwischen einer gasdurchlässigen Anode und gasdurchlässigen Kathode angeordnet ist. Die elektrochemisch aktiven Komponenten wie Anode, Elektrolyt und Kathode sind dabei häufig als vergleichsweise dünne Schichten ausgebildet. Eine dadurch erforderliche mechanische Stützfunktion kann durch eine der elektrochemisch aktiven Schichten, wie z.B. durch den Elektrolyt, die Anode oder die Kathode, die dann jeweils entsprechend dick ausgebildet sind (man spricht in diesen Fällen von einer Elektrolyt-, Anoden- bzw. Kathoden-gestützten Zelle; engl, electrolyte, anode or cathode supported cell), oder durch eine von diesen funktionalen Schichten separat ausgebildete Komponente, wie z.B. ein keramisches oder metallisches Trägersubstrat, bereitgestellt werden. Bei letzterem Konzept mit einem separat ausgebildeten, metallischen Trägersubstrat spricht man von einer Metallsubstrat-gestützten Zelle (MSC; metal supported cell). Da bei einer MSC der Elektrolyt, dessen elektrischer Widerstand mit abnehmender Dicke und mit zunehmender Temperatur sinkt, vergleichsweise dünn ausgebildet werden kann (z.B. mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 10 gm), können MSCs bei einer vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur von ca. 600°C bis 800°C betrieben werden (während z.B. Elektrolyt-gestützte Zellen zum Teil bei Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 °C betrieben werden). Aufgrund ihrer spezifischen Vorteile sind MSCs insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise zur elektrischen Versorgung von Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen (APU - auxiliary power unit) geeignet.
[0003] Üblicherweise werden die elektrochemisch aktiven Zelleinheiten als ebene Einzelelemente ausgebildet, welche in Verbindung mit entsprechenden (metallischen) Gehäuseteilen (z.B. Interkonnektor, Rahmenblech, Gasleitungen, etc.) zu einem Stapel (engl, stack) übereinander angeordnet und elektrisch in Serie kontaktiert werden. Entsprechende Gehäuseteile bewerkstelligen bei den einzelnen Zellen des Stacks die jeweils voneinander getrennte Zuleitung der Prozessgase - im Falle einer Brennstoffzelle die Zuleitung des Brennstoffs zur Anode und des Oxidationsmittels zur Kathode - sowie die anodenseitige und kathodenseitige Ableitung der bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Gase.
[0004] Bezogen auf eine einzelne elektrochemische Zelle ist innerhalb des Stacks an beiden Seiten des Elektrolyten jeweils ein Prozessgasraum ausgebildet. Der Stack kann in geschlossener Bauweise ausgeführt werden, bei der die beiden, jeweils durch den Elektrolyten und entsprechende Gehäuseteile (Interkonnektor, gegebenenfalls auch durch ein Rahmenblech oder bei MSCs auch durch den Randbereich des Trägersubstrats) begrenzten Prozessgasräume gasdicht abgedichtet werden. Für den Stack ist auch eine offene Bauweise realisierbar, bei dem nur ein Prozessgasraum, im Fall einer Brennstoffzelle beispielsweise der anodenseitige Prozessgasraum, in dem der Brennstoff zugeführt bzw. das Reaktionsprodukt abgeführt wird, gasdicht abgedichtet wird, während beispielsweise das Oxidationsmittel (Sauerstoff, Luft) den Stack frei durchströmt. Gasdurchtrittsöffnungen, die beispielsweise in das Rahmenblech, den Interkonnektor oder bei MSCs auch in den Randbereich des Trägersubstrats integriert sein können, dienen dabei zur Zu- und Ableitung der Prozessgase in den abgedichteten Prozessgasraum bzw. aus diesem heraus.
[0005] In der EP 1 278 259 B1 ist beispielhaft eine Stackanordnung in offener Bauweise für eine MSC beschrieben.
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Patentamt [0006] Für die Funktionsweise des Stacks ist essentiell, dass die verschiedenen Prozessgasräume zuverlässig voneinander gasdicht getrennt werden und diese gasdichte Trennung auch bei mechanischen Belastungen und den im Betrieb auftretenden zyklisch wechselnden Temperaturen aufrechterhalten wird.
[0007] Insbesondere bei der Fertigung eines Stacks treten beim Aneinanderpressen der Module im Randbereich hohe Druckbelastungen auf, die zu Verbiegungen und Rissbildung bei Schweißnähten führen können, wodurch die Gasdichtheit gefährdet ist.
[0008] Für den Wirkungsgrad des elektrochemischen Moduls ist eine gleichmäßige Anströmung der elektrochemisch aktiven Schichten durch die Prozessgase bzw. eine gleichmäßige Ableitung der entstehenden Reaktionsgase wichtig. Bevorzugt soll dabei nur ein geringer Druckabfall auftreten. Während die verschiedenen elektrochemischen Module innerhalb des Stacks in vertikaler Richtung durch entsprechende Kanalstrukturen versorgt werden, erfolgt die Versorgung innerhalb eines elektrochemischen Moduls in horizontaler Richtung mittels Verteilstrukturen, die meist in den Interkonnektor integriert sind. Interkonnektoren, die auch die elektrische Kontaktierung angrenzender elektrochemischer Zelleinheiten zu bewerkstelligen haben, weisen zu diesem Zweck beidseitig Gasführungsstrukturen, die beispielsweise noppen- rippen- oder wellenförmig ausgebildet sein können, auf. Für viele Anwendungen wird der Interkonnektor durch ein entsprechend geformtes, metallisches Blechteil gebildet, welches analog zu anderen Komponenten im Stack zur Gewichtsoptimierung nach Möglichkeit möglichst dünn ausgeführt ist. Dies kann bei mechanischen Beanspruchungen, wie sie bei der Fügung oder im Betrieb des Stacks auftreten, insbesondere am Randbereich leicht zu Deformationen führen und daher hinsichtlich der geforderten Gasdichtheit äußerst nachteilig sein.
[0009] Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der kostengünstigen Bereitstellung eines elektrochemischen Moduls und eines Formteils zur Verwendung innerhalb des Prozessgasraums eines elektrochemischen Moduls, bei dem die Gasdichtheit des Prozessgasraums des elektrochemischen Moduls über lange Einsatzdauern auch bei mechanischen Belastungen und Temperaturschwankungen gewährleistet wird. Weiterentwicklungen des elektrochemischen Moduls sollen sich zudem durch vorteilhafte Gasleitungseigenschaften auszeichnen, d.h. es soll ein möglichst gleichmäßiger geringer Druckabfall der Prozessgase innerhalb des Prozessgasraums erzielt werden, sodass eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Prozessgase über die flächig ausgebildete elektrochemische Zelleinheit erfolgt.
[0010] Diese Aufgabe wird durch das Formteil gemäß Anspruch 1, die Verwendung eines Formteils gemäß Anspruch 12 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
[0011] Das erfindungsgemäße Formteil wird für ein elektrochemisches Modul eingesetzt, welches als Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw. Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), als Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) sowie als reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) einsetzbar ist. Der Grundaufbau eines derartigen elektrochemischen Moduls weist eine elektrochemische Zelleinheit auf, die einen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht aufweist und auch ein Trägersubstrat mitumfassen kann. Als elektrochemisch aktive Schichten werden dabei unter anderem eine Anoden-, Elektrolyt- oder Kathodenschicht verstanden, ggf. kann der Schichtaufbau auch weitere Schichten (aus z.B. Cer-Gadolinium-Oxid zwischen Elektrolyt und Kathode) aufweisen. Es müssen dabei noch nicht alle elektrochemisch aktiven Schichten vorhanden sein, vielmehr kann der Schichtaufbau auch nur eine elektrochemisch aktive Schicht (z.B. die Anode), vorzugsweise zwei elektrochemisch aktive Schichten (z.B. Anode und Elektrolyt), aufweisen, und die weiteren Schichten, insbesondere diejenigen zur Vervollständigung einer elektrochemischen Zelleinheit, können erst nachträglich aufgebracht werden. Die elektrochemische Zelleinheit kann als Elektrolyt-gestützte Zelle (electrolyte supported cell), Anoden-gestützte Zelle (anode supported cell) bzw. als Kathoden-gestützten Zelle (cathode supported cell) ausgebildet sein (die namensgebende Schicht ist dicker ausgeführt und übernimmt eine mechanisch tragende Funktion). Bei einer Metallsubstrat-gestützten Zelle (MSC), einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
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Patentamt ist der Schichtstapel auf einem porösen, plattenförmigen, metallischen Trägersubstrat mit einer bevorzugten Dicke typischerweise im Bereich von 170 gm bis 1,5 mm, insbesondere im Bereich von 250 gm bis 800 gm, in einem gasdurchlässigen, zentralen Bereich angeordnet. Das Trägersubstrat bildet dabei einen Teil der elektrochemischen Zelleinheit. Die Aufbringung der Schichten des Schichtstapels erfolgt in bekannter Weise vorzugsweise mittels PVD (PVD: Physikalische Dampfphasenabscheidung) wie z.B. mittels Sputtern, und/oder thermischer Beschichtungsverfahren wie z.B. Flammspritzen oder Plasmaspritzen und/oder nasschemischer Verfahren wie z.B. Siebdruck, Nasspulverbeschichten, etc., wobei für die Realisierung des gesamten Schichtaufbaus einer elektrochemischen Zelleinheit auch mehrere dieser Verfahren kombiniert werden können. Üblicherweise ist die Anode die auf das Trägersubstrat nächstfolgende, elektrochemisch aktive Schicht, während die Kathode auf der dem Trägersubstrat abgewandten Seite des Elektrolyten ausgebildet ist. Alternativ ist aber auch eine umgekehrte Anordnung der beiden Elektroden möglich.
[0012] Sowohl die Anode (bei einer MSC z.B. gebildet aus einem Komposit bestehend aus Nickel und mit Yttriumoxid vollstabilisiertem Zirkoniumdioxid) als auch die Kathode (bei einer MSC z.B. gebildet aus gemischtleitenden Perovskiten wie (La,Sr)(Co,Fe)O3) sind gasdurchlässig ausgebildet. Zwischen Anode und Kathode ist ein gasdichter Feststoffelektrolyt aus einem festen, keramischen Werkstoff aus Metalloxid (z.B. aus Yttriumoxid vollstabilisierten Zirkoniumdioxid), der für Sauerstoffionen leitfähig ist, nicht aber für Elektronen, ausgebildet. Alternativ kann der Feststoffelektrolyt auch für Protonen leitfähig sein, wobei dies eine jüngere Generation von SOFCs betrifft (z.B. Feststoffelektrolyt aus Metalloxid, insbesondere aus Barium-ZirkoniumOxid, Barium-Cer-Oxid, Lanthan-Wolfram-Oxid oder Lanthan-Niob-Oxid).
[0013] Das elektrochemische Modul weist ferner mindestens ein metallisches gasdichtes Gehäuse auf, welches mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum bildet. Der Prozessgasraum wird im Bereich der elektrochemischen Zelleinheit durch den gasdichten Elektrolyten begrenzt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Prozessgasraum üblicherweise durch den Interkonnektor begrenzt, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Teil des Gehäuses betrachtet wird. Der Interkonnektor ist mit dem gasdichten Element der elektrochemischen Zelleinheit, gegebenenfalls in Kombination mit zusätzlichen Gehäuseteilen, insbesondere umlaufenden Rahmenblechen oder dergleichen, welche die restliche Abgrenzung des Prozessgasraums bilden, gasdicht verbunden. Bei MSCs erfolgt die gasdichte Anbindung des Interkonnektors bevorzugt mittels Löt- und/oder Schweißverbindungen über zusätzliche Gehäuseteile, bspw. umlaufende Rahmenbleche, die wiederum mit dem Trägersubstrat gasdicht verbunden sind und so gemeinsam mit dem gasdichten Elektrolyten einen gasdichten Prozessgasraum bilden. Bei Elektrolyt-gestützten Zellen kann die Anbindung mittels gesinterter Verbindungen oder durch Auftragung von Dichtmasse (z.B. Glaslot) erfolgen.
[0014] „Gasdicht“ bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die Leckrate bei ausreichender Gasdichtigkeit standardmäßig < 103 hPa*dm3/cm2 s (hPa: Hektopascal, dm3: Kubikdezimeter, cm2: Quadratzentimeter, s: Sekunde) beträgt (gemessen unter Luft mit Druckanstiegsmethode mit dem Messgerät der Firma Dr. Wiesner, Remscheid, Typ: Integra DDV bei einer Druckdifferenz dp = 100 hPa).
[0015] Das Gehäuse erstreckt sich auf mindestens einer Seite der elektrochemischen Zelleinheit über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit hinaus und bildet als einen Unterraum des Prozessgasraums einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum. Der Prozessgasraum untergliedert sich daher (gedacht) in zwei Teilbereiche, in einen inneren Bereich direkt unterhalb des Schichtaufbaus der elektrochemischen Zelleinheit und in einen, den inneren Bereich umgebenden Prozessgasführungsraum.
[0016] Im Bereich des Prozessgasführungsraums sind im Gehäuse Gasdurchtrittsöffnungen ausgebildet, die der Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase dienen. Die Gasdurchtrittsöffnungen können beispielsweise im Randbereich des Interkonnektors und in Gehäuseteilen wie umlaufende Rahmenbleche integriert sein.
[0017] Die Versorgung der elektrochemischen Zelleinheit im inneren Bereich des Prozessgas3/17
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Patentamt raums erfolgt mittels Verteilstrukturen, die bevorzugt in den Interkonnektor integriert sind. Vorzugsweise wird der Interkonnektor durch ein entsprechend geformtes, metallisches Blechteil, das beispielsweise noppenrippen- oder wellenförmig ausgebildet ist, ausgeführt.
[0018] Im Betrieb des elektrochemischen Moduls als SOFC wird der Anode Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff oder herkömmliche Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Erdgas, Biogas, etc., ggf. vollständig oder teilweise vorreformiert) über die Gasdurchtrittsöffnung und Verteilstrukturen des Interkonnektors zugeführt und dort katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. An der Kathode wird ein Oxidationsmittel (beispielsweise Sauerstoff oder Luft) durch Aufnahme der Elektronen reduziert. Der elektrische Kreislauf schließt sich, indem bei einem für Sauerstoffionen leitfähigen Elektrolyten die an der Kathode entstehenden Sauerstoffionen über den Elektrolyten zu der Anode fließen und an den entsprechenden Grenzflächen mit dem Brennstoff reagieren.
[0019] Im Betrieb des elektrochemischen Moduls als Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC) wird unter Einsatz von elektrischem Strom eine Redoxreaktion erzwungen, beispielsweise eine Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Aufbau der SOEC entspricht im Wesentlichen dem oben skizzierten Aufbau einer SOFC, wobei die Rolle von Kathode und Anode vertauscht ist. Eine reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) ist sowohl als SOEC als auch als SOFC betreibbar.
[0020] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Formteil geschaffen, welches als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit und dem Gehäuse ausgebildet ist. Das Formteil wird pulvermetallurgisch hergestellt und ist daher porös bzw. zumindest abschnittsweise porös, falls es durch Verpressen oder lokales Aufschmelzen beispielsweise am Rand bzw. an der Oberfläche nachbehandelt wird. Durch die Verwendung eines porösen Formteils kann gegenüber einem Massivteil entscheidendes Gewicht bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften gespart werden. Das Formteil ist bevorzugt flächig ausgebildet und besitzt einen flachen Körper mit einer Haupterstreckungsebene. Erfindungsgemäß ist das Formteil zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums angepasst, in anderen Worten ist seine Form an den Innenraum des Prozessgasführungsraums angepasst. Das Formteil wird im Betrieb des elektrochemischen Moduls innerhalb des Prozessgasführungsraums angeordnet, vorteilhafterweise vollständig im Prozessgasführungsraum, d.h. im Prozessgasraum vollständig außerhalb des Bereichs direkt unterhalb des Schichtaufbaus der elektrochemischen Zelleinheit angeordnet.
[0021] Vorteilhafterweise liegt das Formteil mit seiner Oberseite an einem oberen Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums und mit seiner Unterseite an einem unteren Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums an. Die Dicke des Formteils entspricht dabei also der RaumInnenhöhe des Prozessgasführungsraums. Die obere und untere Gehäusewand wird dadurch im Bereich des Prozessgasführungsraums entlang der Stapelrichtung gestützt.
[0022] Die Verwendung dieses Formteils für ein elektrochemisches Modul ist in mehrerer Hinsicht vorteilhaft.
[0023] Als wichtige Aufgabe erfüllt das Formteil eine mechanische Stützfunktion. Wie bereits oben angedeutet ist das flächig ausgebildete Formteil ein Distanzhalter und wirkt als Abstützelement, das bei Anlegen eines Anpressdrucks ein Zusammendrücken des Gehäuse-Randbereichs verhindert. Das Formteil kann also mechanische Lasten in vertikaler Richtung (in Stapelrichtung der elektrochemischen Module), wie sie bei der Stapelung und anschließendem Pressen der einzelnen Module zu einem Stack auftreten, aufnehmen und auf ein benachbartes Modul übertragen.
[0024] Das Formteil bewirkt zudem eine mechanische Verstärkung des Randbereichs des elektrochemischen Moduls. Aufgrund der flächigen Ausgestaltung des Formteils wird die Biegungs- und Torsionssteifigkeit des Gehäuse-Randbereichs signifikant erhöht und so der Gehäuse-Randbereich vor Verbiegungen oder anderen Deformationen geschützt. Dadurch können im Randbereich des Moduls zusätzliche Beanspruchungen der Schweißnähte oder anderer,
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Patentamt beispielsweise gelöteter oder gesinterter Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Gehäuseteilen bzw. der elektrochemischer Zelleinheit, die in der Praxis häufig Schwachpunkte hinsichtlich der Gasdichtheit darstellen, vermieden werden.
[0025] Neben diesen mechanischen Aufgaben dient das Formteil in vorteilhaften Weiterbildungen der Verbesserung der Gasleitung innerhalb des Prozessgasführungsraums. Zur Optimierung der Gasleitung können im Formteil Gasleitungsstrukturen ausgebildet sein, die das durch die Gasdurchtrittsöffnungen einströmende Gas in den inneren Bereich des Prozessgasraums zu den Gasleitungsstrukturen des Interkonnektors weiterleiten bzw. ausströmendes Gas vom inneren Bereich des Prozessgasraums zu den ausleitenden Gasdurchtrittsöffnungen führen. Die Gasleitungsstrukturen können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein, je nachdem, ob das Formteil eine Gasverteiler- oder eine Gassammleraufgabe zu erfüllen hat.
[0026] In einer bevorzugten Ausführungsform sind in das Formteil durchgehende Gasdurchtrittsöffnungen integriert. Das Formteil wird dabei innerhalb des elektrochemischen Moduls derart ausgerichtet, dass die Gasdurchtrittsöffnungen des Formteils in die Gasdurchtrittsöffnungen des Prozessgasführungsraums (Gehäuses) münden und ein vertikal durchgehender Gaskanal innerhalb des Stacks entsteht. Damit ein Gasstrom zur elektrochemischen Zelleinheit möglich wird, ist das Formteil zumindest in einer Richtung in der Haupterstreckungsebene von der Gasdurchtrittsöffnung bis zu einem seitlichen, dem inneren Prozessgasraum zugewandten Rand gasdurchlässig. Dazu kann das Formteil generell bzw. zumindest in dieser Richtung eine offene, durchgehende Porosität aufweisen. Zwecks Optimierung der Gasströmung kann die Gasdurchlässigkeit (Porosität) des Formteils dabei räumlich variieren und beispielsweise durch Gradierung der Porosität oder lokal unterschiedliche Verdichtung des Formteils (beispielsweise durch inhomogenes Verpressen) entsprechend eingestellt werden.
[0027] Alternativ oder ergänzend kann das Formteil entlang der Haupterstreckungsebene mindestens einen Kanal aufweisen, wodurch eine noch stärker gerichtete Gaslenkung und eine höhere Gasdurchsatzrate ermöglicht wird. Vorteilhafterweise wird zwecks einer besseren Gasverteilung und höheren Gasdurchsatzrate eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen. Der bzw. die Kanäle werden bevorzugt oberflächlich ausgebildet und können beispielsweise durch Fräsen, Pressen oder Walzen mit entsprechenden Strukturen in die Oberfläche des Formteils eingearbeitet werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ein poröses Formteil mit geschlossener Porosität und einer oberflächlichen Kanalstruktur, die von der Gasdurchtrittsöffnung bis zu einem seitlichen Rand verläuft, auch als von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand gasdurchlässig betrachtet. Es ist auch denkbar, dass sich der bzw. die Kanäle zumindest abschnittsweise über die gesamte Dicke des Formteils erstrecken, dass die Kanäle also nicht nur oberflächlich ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform vorteilhaft ist eine höhere Gasdurchsatzrate, es muss aber darauf geachtet werden, dass das Formteil einteilig bleibt und nicht auseinanderfällt. Um dem vorzubeugen, können die sich über die gesamte Dicke erstreckenden Kanäle über ihren Verlauf in oberflächliche Kanalstrukturen oder poröse Strukturen übergehen.
[0028] Zur Verbesserung des Strömungsverhaltens kann die Form der Kanäle durch verschiedene Ansätze optimiert werden:
[0029] In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der bzw. die Kanäle durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand des Formteils, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist. Es kann auf diese Weise eine hohe Gasdurchsatzrate und ein geringer Druckabfall erzielt werden.
[0030] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist im Bereich der Gasdurchtrittsöffnung vorgesehen, dass sich der bzw. die Kanäle von der Gasdurchtrittsöffnung radial oder im Wesentlichen radial nach außen erstrecken. Mit radial ist dabei gemeint, dass die lokale Tangente an den Kanal im Bereich der Einmündung des Kanals in die Gasdurchtrittsöffnung durch den Mittelpunkt der Gasdurchtrittsöffnung (geometrischer Schwerpunkt bei nicht kreisförmigen Gasdurchtrittsöffnungen) verläuft. Im Wesentlichen radial bedeutet, dass die Abweichung von exakt radial maximal +/-15° beträgt.
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Patentamt [0031] Um eine gleichmäßige Anströmung bzw. Ableitung von den Verteilstrukturen des Interkonnektors im Inneren des Prozessgasraums zu erzielen, können die Kanäle im seitlichen Rand, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist, zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel einmünden. Mit zueinander parallel ist gemeint, dass am seitlichen Rand die lokalen Tangenten an die verschiedenen Kanäle zueinander parallel verlaufen bzw. - falls sie im Wesentlichen zueinander parallel sind - sich nicht mehr als um den Winkel +/- 10° unterscheiden. Die einzelnen Kanäle sind am seitlichen Rand bevorzugt äquidistant zueinander und gleichmäßig über den seitlichen Rand verteilt.
[0032] In einer vorteilhaften Ausführungsform ist als weitere Maßnahme für eine gleichmäßige Verteilung bzw. Ableitung der Prozessgase vorgesehen, dass bei mehreren Kanälen die Querschnittsfläche eines Kanals umso größer gewählt wird, je länger der Kanal ist. Es wird also der höhere Druckabfall über eine größere Kanallänge durch eine größere Querschnittsfläche des Kanals kompensiert.
[0033] Gemäß einer vorteilhaften, strömungsoptimierten Weiterbildung erstreckt sich eine Mehrzahl von Kanälen sternförmig von der Gasdurchtrittsöffnung weg und mündet in den seitlichen Rand, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist. Die Kanäle, die von der Gasdurchtrittsöffnung ursprünglich in eine dem inneren Prozessgasraum abgewandte Richtung abzweigen, werden dabei bogenförmig an den seitlichen Rand, der in Richtung innerer Prozessgasraum weist, umgelenkt.
[0034] In vorteilhafter Weise weist das Formteil mehrere Gasdurchtrittsöffnungen auf, von denen jeweils Gasleitungsstrukturen zum seitlichen, dem inneren Prozessgasraum zugewandten Rand des Formteils abzweigen. Dies ermöglicht eine effiziente und gleichmäßige Versorgung des inneren Prozessgasraums.
[0035] Das poröse Formteil kann an den restlichen seitlichen Randflächen, die in der Anordnung in der elektrochemischen Zelle nicht dem inneren Prozessgasraum zugewandt sind, gasdicht verpresst sein, da im Betrieb des elektrochemischen Moduls in diese Richtungen keine Gasströmung erforderlich ist.
[0036] Das erfindungsgemäße Formteil wird separat von den übrigen Komponenten des elektrochemischen Moduls und vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellt. Es ist bevorzugt monolithisch, d.h. aus einem Stück, ausgebildet, worunter verstanden wird, dass es sich nicht um mehrere, ggf. auch durch eine stoffschlüssige Verbindung (z.B. Löten, Schweißen, etc.) miteinander verbundene Bauteile handelt. Die pulvermetallurgische und einstückige Herstellung ist anhand der Mikrostruktur des Formteils erkennbar. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Formteils dient ein metallhaltiges Pulver, bevorzugt ein Pulver aus einer korrosionsstabilen Legierung wie beispielsweise ein Pulver aus einer auf Cr (Chrom) und/oder Fe (Eisen) basierten Materialkombination, d.h. der Cr- und Fe-Anteil beträgt in Summe mindestens 50 Gew.%, bevorzugt in Summe mindestens 80 Gew.%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.%. Das Formteil besteht in diesem Fall aus einer ferritischen Legierung. Die vorzugsweise pulvermetallurgische Herstellung des Formteils erfolgt auf bekannte Weise durch Pressen des Ausgangpulvers, gegebenenfalls unter Zusatz von organischen Bindemitteln, und anschließendem Sintervorgang.
[0037] Bei einer Verwendung des Formteils in einer MSC besteht das Formteil bevorzugt aus dem gleichen Material wie das Trägersubstrat der MSC. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Fall die Wärmeausdehnung gleich ist und keine temperaturinduzierten Spannungen auftreten.
[0038] Die separate Ausgestaltung und daher getrennte Fertigung des Formteils von den anderen aktiven Elementen der elektrochemischen Zelleinheit (einschließlich des Metallsubstrats bei einer MSC) hat Vorteile in mehrerer Hinsicht. Erstens gewinnt man dadurch Flexibilität und die jeweiligen Bauteile können unabhängig voneinander für die jeweilige Anforderung optimiert werden, beispielsweise durch Einstellung unterschiedlicher Porosität. Zweitens wird die Herstellung der elektrochemischen Zelleinheit vereinfacht und wirtschaftlicher, weil diese weniger komplex ist, da keine Gasverteilungsstrukturen am Rand mitberücksichtigt werden müssen.
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Drittens bringt es auch Vorteile bei der Herstellung des Formteils mit sich, da das Formteil im Gegensatz zum Metallsubstrat einer MSC, welches nach dem Sinterprozess noch mit den elektrochemisch aktiven Schichten beschichtet wird, nicht mehr thermisch nachbehandelt werden muss. Das Formteil lässt sich daher mit hoher Endkonturgenauigkeit fertigen.
[0039] Wie bereits erwähnt findet das erfindungsgemäße Formteil Verwendung bei einem elektrochemischen Modul, insbesondere bei einer MSC wie sie beispielsweise in EP 2174371 B1 beschrieben ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrochemische Modul für die Zuleitung und Ableitung der Prozessgase jeweils unterschiedlich ausgebildete Formteile auf. Die Formteile können sich dabei hinsichtlich des verwendeten Materials, ihrer Form, Porosität, der Form der ausgebildeten Gasleitungsstrukturen wie der Kanalstrukturen, etc. unterscheiden. Beispielsweise kann zur Verhinderung von Rückdiffusion die Porosität des für die Gasableitung verwendeten Formteils geringer sein als die Porosität des für die Gaszuleitung verwendeten Formteils.
[0040] Bevorzugt wird das Formteil im elektrochemischen Modul durch eine stoffschlüssige Verbindung fixiert, beispielsweise indem es punktweise am Gehäuse angeschweißt wird. Es sei angemerkt, dass auch in diesem Fall, wenn das Formteil beim Einbau in das Modul mit einem anderen Bauteil der elektrochemischen Zelle stoffschlüssig verbunden wird, im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem separat von der elektrochemischen Zelle ausgebildeten Bauteil gesprochen wird.
[0041] In den oben angeführten Ausführungsvarianten hat das poröse Formteil eine mechanische Stützfunktion und dient der Verbesserung der Gasströmung im Prozessgasführungsraum. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das poröse Formteil zusätzlich an seiner Oberfläche zur Verbesserung seiner katalytisch und/oder reaktiven Eigenschaften für eine Manipulation der Prozessgase funktionalisiert, d.h. durch entsprechende Funktionalisierung der Oberflächen kann eine Manipulation der Prozessgase (Aufbereitung der Prozessgase auf der Eduktseite bzw. eine Nachbereitung auf der Produktseite) bewirkt werden. Die Verwendung eines porösen Formteils ist bei einer Funktionalisierung mit katalytisch und/oder reaktiven Eigenschaften vorteilhaft, da die Oberfläche, die mit dem vorbeiströmenden Prozessgas in Kontakt tritt, bei einem porösen Bauteil im Vergleich zu einem massiven Bauteil signifikant größer und dementsprechend reaktionsfreudiger ist.
[0042] Im Einsatz in einer SOFC kann beispielsweise das Prozessgas mittels des funktionalisierten Formteils auf der Eduktseite zusätzlich reformiert (das kohlenstoffhaltige Brenngas wird in ein Synthesegas aus einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt) und/oder von Verunreinigungen wie Schwefel oder Chlor gereinigt werden. Auf der Produktseite kann ein entsprechend funktionalisiertes Formteil beispielsweise zur Reinigung von flüchtigem Chrom beitragen.
[0043] Eine Funktionalisierung des porösen Formteils kann erfolgen, indem ein mit dem Prozessgas katalytisch und/oder reaktiv wirkender Stoff in das Material des Formteils eingebracht und/oder als oberflächliche Beschichtung aufgebracht wird. Der katalytisch und/oder reaktive Stoff kann also bereits dem Ausgangspulver für die Herstellung des gesinterten Formteils beigemengt werden („einlegiert“ werden) und/oder nach dem Sintervorgang durch einen Beschichtungsprozess auf die Oberfläche des Formteils mit den offenen Poren aufgebracht werden. Der Beschichtungsprozess kann dabei durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels verschiedener Abscheideverfahren aus der Gasphase (physikalische Gasphasenabscheidung, chemische Gasphasenabscheidung), mittels Tauchbeschichtung (bei dem das Bauteil mit einer Schmelze mit dem entsprechenden funktionalen Material infiltriert bzw. getränkt wird) oder mittels Auftragsverfahren von Suspensionen oder Pasten (insbesondere für keramische Materialien). Zwecks Oberflächenvergrößerung ist es vorteilhaft, wenn die poröse Oberflächenstruktur beim Beschichtungsprozess erhalten bleibt, d.h. es soll die poröse Oberfläche nicht mit einer Deckschicht überlagert werden, sondern primär nur die Innenoberfläche der porösen Struktur beschichtet werden.
[0044] Bei Verwendung eines aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Legierung auf Basis
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Patentamt von Eisen und/oder Chrom hat sich eine Funktionalisierung mit folgenden Materialien bewährt: Auf der Eduktseite zur Aufbereitung des Prozessgases findet Verwendung:
[0045] für katalytische Reformierung des Brenngases: Nickel, Platinum, Palladium und Oxide dieser Metalle wie NiO;
[0046] zur Reinigung des Eduktgases von Schwefel und/oder Chlor: Nickel, Kobalt, Chrom, Scandium und/oder Cer;
[0047] zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Sauerstoff: Chrom, Kupfer und/oder Titan, wobei Titan gleichzeitig auch eine zurückhaltende Wirkung gegenüber Kohlenstoff besitzt.
[0048] Auf der Produktseite zur Nachbereitung des Prozessgases findet Verwendung:
[0049] Getter-Strukturen zur Reinigung gegenüber flüchtigen Chrom-Ionen: oxidische Keramiken wie beispielsweise Cu-Ni-Mn-Spinelle;
[0050] Zur Reinigung des Produktgases gegenüber Sauerstoff und Verhinderung von Rückdiffusion: Titan, Kupfer oder unterstöchiometrische Spinellverbindungen.
[0051] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, bei denen aus Zwecken der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung die Größenverhältnisse nicht immer maßstabgetreu angegeben sind. In den verschiedenen Figuren werden für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
[0052] Von den Figuren zeigen:
[0053] Fig. 1a: eine erste Ausführungsform eines Formteil zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul in perspektivischer Ansicht;
[0054] Fig. 1b: das Formteil von Fig. 1a in Aufsicht und [0055] Fig. 1c: das Formteil von Fig. 1a in einer Seitenansicht;
[0056] Fig. 2a: einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß dem Stand der
Technik ohne erfindungsgemäße Formteile im Querschnitt;
[0057] Fig. 2b: einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen mit jeweils einem Formteil gemäß Fig. 1a im Querschnitt;
[0058] Fig. 2c: ein elektrochemisches Modul aus Fig. 2b mit einem Formteil gemäß Fig. 1a in einer Explosionsdarstellung (dabei ist zu beachten, dass das elektrochemische Modul in Fig. 2c im Vergleich zu den Modulen in Fig. 2a und Fig. 2b zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle auf den Kopf gestellt dargestellt ist);
[0059] Fig. 3a: eine zweite Ausführungsform eines Formteils zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul in perspektivischer Ansicht und [0060] Fig. 3b: das Formteil von Fig. 3a in Aufsicht.
[0061] Fig. 1a zeigt in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Formteils (10) zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul (20). Die Anordnung des Formteils (10) innerhalb des elektrochemischen Moduls (20) ist in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt. Fig. 1b zeigt das Formteil (10) in Aufsicht und in Fig. 1c in einer Seitenansicht von der Seite (A), die in der Anordnung im elektrochemischen Modul (20) dem Inneren des Prozessgasraums zugewandt ist. Das Formteil (10) wird pulvermetallurgisch hergestellt und ist daher porös. Das Formteil ist flächig ausgebildet und besitzt einen flachen Körper mit einer Haupterstreckungsebene. Es weist eine Mehrzahl von Gasdurchtrittsöffnungen auf, in der dargestellten Variante drei mittige Gasdurchtrittsöffnungen (11), durch die das Prozessgas im Betrieb des elektrochemischen Moduls zu- bzw. abgeleitet wird. Von den Gasdurchtrittsöffnungen erstrecken sich jeweils sternförmig Kanäle (12) bis an den seitlichen Rand (A) des Formteils, der in der Anordnung im elektrochemischen Modul dem inneren Prozessgasraum des elektrochemischen Moduls zuge8/17
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Patentamt wandt ist. Kanäle, die von der Gasdurchtrittsöffnung (11) ursprünglich in eine dem inneren Prozessgasraum abgewandte Richtung abzweigen, sind dabei bogenförmig an den seitlichen Rand (A) in Richtung innerer Prozessgasraum umgelenkt. Die einzelnen Kanäle erstrecken sich durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand (A), wodurch eine effiziente Gaslenkung und ein geringer Druckabfall innerhalb des Prozessgasführungsraums ermöglicht wird.
[0062] Zusätzlich hat das Formteil (10) von der Gasdurchtrittsöffnung (11) in Richtung des seitlichen Randes (A) eine gasdurchlässige, offenporige Struktur (d.h. es ist ein Gasaustausch zwischen einzelnen benachbarten Poren möglich). An den übrigen seitlichen Rändern ist es verpresst (13) und daher in diesen Richtungen gasundurchlässig.
[0063] Im Betrieb des elektrochemischen Moduls strömt das Prozessgas von den Gasdurchtrittsöffnungen (11) durch die Kanäle (12) und die Poren an den seitlichen Rand (A) des Formteils, von wo es in den inneren Prozessgasraum weiterströmt. Der Gasstrom kann auch in umgekehrter Richtung erfolgen.
[0064] Die Anzahl und Geometrie der Kanäle ist optimiert, sodass der innere Prozessgasraum möglichst gleichmäßig versorgt wird. Für diesen Zweck sind am seitlichen Rand (A) die Abstände zwischen benachbarten Kanälen annähernd gleich, die Kanäle sind also bei ihrer Ausmündung gleichmäßig über den seitlichen Rand verteilt. Zudem münden im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kanäle am seitlichen Rand (A) annähernd rechtwinkelig ein, die Kanäle verlaufen in diesem Bereich also lokal zueinander im Wesentlichen parallel.
[0065] Wie Fig. 1c zu entnehmen ist, sind die Kanäle oberflächlich ausgebildet und variieren in ihrer Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche eines Kanals ist über seine Länge hinweg im Wesentlichen konstant, aber umso größer gewählt, je größer die Länge des Kanals von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zum seitlichen Rand (A) ist. Auch dies ist eine Maßnahme, um eine möglichst gleichmäßige Anströmung bzw. Ableitung von den Verteilstrukturen des Interkonnektors im Inneren des Prozessgasraums zu erreichen.
[0066] Fig. 2a zeigt einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß dem Stand der Technik ohne das erfindungsgemäße Formteil. Die Anordnung des Formteils in einem elektrochemischen Modul (20) ist in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt. Fig. 2a und Fig. 2b zeigen in schematischer Darstellung jeweils einen Querschnitt durch einen Stack (30) mit drei aufeinander gestapelten elektrochemischen Modulen (20). Die elektrochemischen Module (20) weisen jeweils eine elektrochemische Zelleinheit (21) auf, die aus einem pulvermetallurgisch hergestellten, porösen, metallischen Trägersubstrat (22) besteht, auf die in einem gasdurchlässigen Bereich ein Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht aufgebracht ist. Das Trägersubstrat (22) mit dem Schichtaufbau (23) ist am Rand gasdicht verpresst und hat eine plattenförmige Grundstruktur, die in Ausführungsvarianten zwecks Oberflächenvergrößerung auf einer kleineren Längenskala auch lokal gekrümmt, beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein kann. Auf der dem Schichtaufbau gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats (22) befindet sich jeweils ein Interkonnektor (24), der im Bereich, wo er an das Trägersubstrat (22) anliegt, eine Rippenstruktur (24a) aufweist. Die Längsrichtung der Rippenstruktur verläuft dabei in der Querschnittsebene in Fig. 2a und Fig. 2b. Der Interkonnektor (24) erstreckt sich über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus und liegt an seinem äußeren Rand an einem die elektrochemische Zelleinheit umlaufenden Rahmenblech (25) an. Das umlaufende Rahmenblech (25) ist am inneren Rand gasdicht mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) und am äußeren Rand über eine umlaufende Schweißverbindung gasdicht mit dem Interkonnektor (24) verbunden. Das Rahmenblech (25) und der Interkonnektor (24) bilden so Bestandteile eines metallischen, gasdichten Gehäuses, welches mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) einen gasdichten Prozessgasraum (26) begrenzt. Der Prozessgasführungsraum (27) ist ein Unterraum des Prozessgasraums (26), er erstreckt sich über den Bereich außerhalb des Bereichs der elektrochemischen Zelleinheit (21) und ist in Richtung elektrochemischer Zelleinheit (21) offen ausgebildet. Im Bereich des Prozessgasführungsraumes sind im Gehäuse (Rahmenblech und Interkonnektor) Gasdurchtrittsöffnungen (28) zur Zu9/17
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Patentamt und/oder Ableitung der Prozessgase ausgebildet (in den Fig. 2a und Fig. 2b nicht dargestellt, da der Schnitt seitlich der Gasdurchtrittsöffnungen erfolgt ist). Die Gasdurchtrittsöffnungen im Gehäuse (28) und die Gasdurchtrittsöffnungen (11) im Formteil fluchten miteinander. Die Gasführung innerhalb des Stacks erfolgt in vertikaler Richtung (Stapelrichtung des Stacks (B)) durch entsprechende Kanalstrukturen, die im Bereich der Gasdurchtrittsöffnungen üblicherweise durch separate Einleger (29), Dichtungen sowie durch gezielte Auftragung von Dichtmasse (z.B. Glaslot) gebildet werden. Die so abgedichteten Kanalstrukturen verbinden in vertikaler Richtung die Prozessgasführungsräume benachbarter elektrochemischer Module.
[0067] Während in Fig. 2a der Stand der Technik ohne Formteil abgebildet ist, zeigen Fig. 2b und Fig. 2c die Anordnung des Formteils nach Fig. 1a innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) des elektrochemischen Moduls (20). Es ist zu beachten, dass in Fig. 2c das elektrochemische Modul im Vergleich zu den Modulen in Fig. 2a und Fig. 2b zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle (12) auf den Kopf gestellt dargestellt ist. Die Form des Formteils ist an den Innenraum des Prozessgasführungsraums angepasst. Das Formteil liegt mit seiner Oberseite am Rahmenblech (25), der oberen Abgrenzung des Prozessgasführungsraums, und mit seiner Unterseite am Interkonnektor (24), der unteren Abgrenzung des Prozessgasführungsraums, an. Vorteilhaft ist jeweils eine flächige Anlage, an seiner Oberseite und/oder an seiner Unterseite. Seine Dicke entspricht daher der Raum-Innenhöhe des Prozessgasführungsraums (27). Die oberflächlich ausgebildeten Kanäle (12) befinden sich an der Unterseite des Formteils (10) (in Fig. 2c ist das Formteil auf den Kopf gestellt abgebildet). Neben der Gasleitungsfunktion in Prozessgasführungsraum übernimmt das Formteil eine wichtige mechanische Funktion. Es dient der Abstützung des Gehäuses entlang der Stapelrichtung des Stacks (B), sodass bei Anlegen eines Anpressdrucks ein Zusammendrücken des Gehäuse-Randbereichs verhindert wird. Zusätzlich wird aufgrund der flächigen Ausgestaltung des Formteils die Biegungs- und Torsionssteifigkeit des Gehäuse-Randbereichs, das aus einem dünnen Rahmenblech (25) und dünnen Interkonnektor (24) besteht, entscheidend erhöht und so die Gefahr von Rissbildungen in den Schweißnähten bei mechanischen Belastungen reduziert. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird das Formteil punktweise am Gehäuse angeschweißt und so fixiert. Bevorzugt sind die für die Zuleitung und Ableitung der Prozessgase verwendeten Formteile (10,10‘) unterschiedlich. Ihre Eigenschaften (Material, Form, Porosität, Geometrie der Kanalstrukturen, etc.) können für ihren Einsatzzweck unabhängig voneinander optimiert werden.
[0068] Fig. 3a zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung und Fig. 3b die Aufsicht einer weiteren Ausführungsvariante des Formteils. In dieser Ausführungsvariante stehen die einzelnen Gasdurchtrittsöffnungen (11) des Formteils durch zusätzliche Kanäle miteinander in Verbindung. Diese Kanalstruktur trägt zu einem zusätzlichen Gasausgleich bei.
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Claims (17)

  1. Ansprüche
    1. Poröses bzw. zumindest abschnittsweise poröses Formteil (10,10‘; 10“) für ein elektrochemisches Modul (20), wobei das elektrochemische Modul (20) mindestens eine elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25) aufweist, das mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum (26) bildet, wobei sich das Gehäuse (24; 25) auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) bildet und im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27) mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10‘; 10“) als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet ist und zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) sowie zur Abstützung des Gehäuses nach beiden Seiten entlang einer Stapelrichtung (B) des elektrochemischen Moduls angepasst ist.
  2. 2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10,10‘; 10“) mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (11) aufweist.
  3. 3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10‘; 10“) zumindest in einer Richtung in der Haupterstreckungsebene von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zu einem seitlichen Rand des Formteils gasdurchlässig ist.
  4. 4. Formteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchlässigkeit durch eine offenporige Struktur des Formteils hergestellt wird.
  5. 5. Formteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10‘; 10“) entlang der Haupterstreckungsebene mindestens einen Kanal (12) aufweist.
  6. 6. Formteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zum seitlichen Rand erstrecken.
  7. 7. Formteil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) im Bereich der Gasdurchtrittsöffnung von der Gasdurchtrittsöffnung radial oder im Wesentlichen radial nach außen erstrecken.
  8. 8. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) in den seitlichen Rand zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel einmünden.
  9. 9. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Kanälen die Querschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle umso größer ist, je länger der Kanal ist.
  10. 10. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) zumindest abschnittsweise über die gesamte Dicke des Formteils erstrecken.
  11. 11. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10‘; 10“) aus einer pulvermetallurgisch hergestellten auf Eisen und/oder Chrom basierten ferritischen Legierung gebildet ist.
  12. 12. Verwendung eines Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem elektrochemischen Modul (20), wobei das Formteil innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) angeordnet wird.
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  13. 13. Elektrochemisches Modul (20), aufweisend:
    eine im Wesentlichen plattenförmige elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25), das mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) einen gasdichten Prozessgasraum (26) bildet, wobei sich das Gehäuse (24;25) auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, das Gehäuse (24; 25) dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) bildet und mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28) im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) im Bereich der Gasdurchtrittsöffnungen mindestens ein Formteil (10, 10‘; 10“) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist, welches der Abstützung des Gehäuses entlang der Stapelrichtung (B) des elektrochemischen Moduls (20) dient.
  14. 14. Elektrochemisches Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau (23) auf einer ersten, dem Prozessgasraum abgewandten Seite eines im Wesentlichen plattenförmigen, metallischen Trägersubstrats (22), das zumindest im Bereich des Schichtaufbaus porös ist, angeordnet ist.
  15. 15. Elektrochemisches Modul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Gehäuse (24;25) aus mindestens einem das Trägersubstrat umlaufenden Rahmenblech (25) und einem Interkonnektor (24) gebildet ist, wobei das umlaufende Rahmenblech (25) an seinem inneren Rand gasdicht mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) und am äußeren Rand über eine umlaufende Schweißverbindung gasdicht mit dem Interkonnektor (24) verbunden ist.
    Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
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    Fig. lb
    Fig. lc
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    Fig. 2a
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    Patentamt
    24a
    Fig. 2c
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    Patentamt
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    Fig. 3a
    Fig. 3b
  17. 17/17
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