DE102012219104A1

DE102012219104A1 - Elektrochemische Zelle mit tubularem Trägergitter

Info

Publication number: DE102012219104A1
Application number: DE102012219104.6A
Authority: DE
Inventors: Birgit Thoben; Imke Heeren
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-05-08
Also published as: KR20150076165A; WO2014060573A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betriff eine elektrochemische Zelle (10), beispielsweise eine Brennstoff-, Elektrolyse- und/oder Metall-Luft-Zelle, welche ein tubulares Funktionsschichtsystem (11) aufweist, welches zwei Elektrodenschichten (11a, 11b) und eine zwischen den Elektrodenschichten (11a, 11b) angeordnete Elektrolytschicht (11c) umfasst. Um eine hohe mechanische Stabilität der Zelle (10) und gleichermaßen eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle (10) zu erzielen, weist die Zelle (10) mindestens einen Trägersteg (13) auf, welcher beabstandet (d) zu dem tubularen Funktionsschichtsystem (11) ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrochemischen Zelle sowie eine damit ausgestattete Energiespeicher- und/oder -wandleranlage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine damit ausgestattete Energiespeicher- und/oder -wandleranlage.
Stand der Technik
Da Windenergie und Sonnenenergie aufgrund von Wetterschwankungen beziehungsweise dem Tag-Nacht-Rhythmus nicht ständig zur Verfügung stehen, sind Systeme zur Speicherung von elektrischer Energie ebenso wie Systeme zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme von besonderem Interesse.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme sind Brennstoffzellen, beispielsweise Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche auch als Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solide oxide fuel cell) bezeichnet werden, bekannt.
Zur Umwandlung/Speicherung von elektrischer Energie können Elektrolysezellen, beispielsweise Hochtemperatur-Elektrolysezellen, und Metall-Luft-Zellen, beispielsweise Hochtemperatur-Metall-Luft-Zellen, eingesetzt werden
Derartige elektrochemische Zellen können eine tubulare, also rohrförmige, oder planare Form aufweisen.
Die Druckschriften EP 1 079 453 B1 , DE 10 2012 001 988 A1 und WO 2005/018018 A2 beschreiben tubulare Brennstoffzellen.
Die Druckschrift JP 2010-129542 A beschreibt ein Verfahren zur Brennstoffzellenherstellung.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle, zum Beispiel eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle und/oder Hochtemperatur-Elektrolysezelle und/oder Hochtemperatur-Metall-Luft-Zelle, welche ein tubulares Funktionsschichtsystem umfasst. Die Zelle kann damit auch als tubulare Zelle bezeichnet werden.
Unter Luft kann insbesondere ein sauerstoffhaltiges Gas, also sowohl ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch als auch reiner Sauerstoff, verstanden werden.
Das Funktionsschichtsystem umfasst dabei insbesondere zwei Elektrodenschichten und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Elektrolytschicht.
Bei einer der beiden Elektrodenschichten kann es sich insbesondere um eine Sauerstoffelektrodenschicht handeln.
Insofern die elektrochemische Zelle eine Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle ist, kann die andere Elektrodenschicht eine Brenngaselektrodenschicht sein. Insofern die elektrochemische Zelle eine Metall-Luft-Zelle ist, kann die andere Elektrodenschicht eine Speicherelektrodenschicht, beispielsweise aus einem reversibel oxidierbaren und reduzierbaren Metall/Metalloxid-System sein.
Unter einem tubularen Körper kann insbesondere ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper verstanden werden, welcher grundsätzlich sowohl eine im Wesentlichen runde, beispielsweise kreisförmige oder ovaloide (ovalförmige) als auch eine polygone Grundfläche aufweisen kann. Insbesondere kann ein tubularer Körper eine kreisförmige Grundfläche aufweisen.
Erfindungsgemäß weist die Zelle mindestens einen Trägersteg auf, welcher beabstandet zu dem tubularen Funktionsschichtsystem ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Zelle zwei oder mehr zu dem tubularen Funktionsschichtsystem beabstandet ausgebildete Trägerstege aufweisen. Insbesondere kann der Trägersteg beziehungsweise können die Trägerstege beabstandet zu einer Elektrodenschicht des tubularen Funktionsschichtsystems. Zum Beispiel kann der Trägersteg beziehungsweise können die Trägerstege beabstandet zu der Außenseite oder zu der Innenseite des tubularen Funktionsschichtsystems, insbesondere zu der äußeren oder inneren Elektrodenschicht des tubularen Funktionsschichtsystems, ausgebildet sein.
Durch den oder die Trägerstege kann die mechanische Stabilität des Funktionsschichtsystems verbessert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Schichten des Funktionsschichtsystems dünner als herkömmlicherweise minimal 200 μm ausgestaltet werden können. Beispielsweise sind auf diese Weise Schichtdicken von weniger als 50 μm, beispielsweise sogar von 15 μm, realisierbar. Eine derartig dünne Schichtdicke wirkt sich insbesondere im Fall der Elektrolytschicht vorteilhaft auf eine Senkung der Betriebstemperatur und eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Zelle aus. Zudem können durch eine dünnere Ausgestaltung der Schichten Materialkosten eingespart werden.
Da der oder die Trägerstege dabei zudem von dem Funktionsschichtsystem beziehungsweise der entsprechenden Elektrodenschicht beabstandet sind und somit zwischen dem oder den Trägerstegen und dem Funktionsschichtsystem, insbesondere der entsprechenden Elektrodenschicht, ein Freiraum ist, durch welchen beispielsweise Gas strömen kann, wird durch die Trägerstege weder die elektrochemisch aktive Fläche des Funktionsschichtsystem beziehungsweise der entsprechenden Elektrodenschicht verringert noch die Gasdiffusion zu dem darunter angeordnete Abschnitt des Funktionsschichtsystems beziehungsweise der Elektrodenschicht wesentlich behindert. So kann vorteilhafterweise eine besonders gute Gaszugänglichkeit des Funktionsschichtsystems beziehungsweise der Elektrodenschicht und damit eine hohe Leistungsfähigkeit der Zelle erzielt werden. Dies wirkt sich insbesondere bei hohen Stromdichten vorteilhaft aus, bei denen ansonsten eine Hemmung der Gasdiffusion, beispielsweise der Sauerstoffdiffusion, zu einem Leistungseinbruch der Zelle führen kann.
Unter einem Trägersteg kann insbesondere eine selbsttragende Struktur verstanden werden.
Die elektrochemische Zelle kann insbesondere zwei Endabschnitte aus einem gasdichten, insbesondere keramischen, Material aufweisen. Das gasdichte Material kann insbesondere ein elektrochemisch unreaktives beziehungsweise inertes Material, insbesondere ein elektrochemisch unreaktives beziehungsweise inertes keramisches Material, sein.
Die Endabschnitte können jeweils an einem Ende des tubularen Funktionsschichtsystems beziehungsweise der Zelle ausgebildet sein. Beispielsweise können die Endabschnitte jeweils angrenzend an einen, eine Tubusöffnung des tubularen Funktionsschichtsystems umgebenden Randabschnitt des Funktionsschichtsystems ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann die elektrochemische Zelle sowohl einseitig geschlossen als auch beidseitig offen ausgestaltet sein.
Bei einer einseitig geschlossenen Ausgestaltung kann eines der an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Gase durch eine, durch das offene Ende der Zelle gesteckte Gaszufuhrlanze in den Innenraum eingeströmt werden, welches den Innenraum dann durch das offene Ende wieder verlässt, wobei das andere an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Gas die Außenseite der Zelle umströmt.
Bei einer beidseitig offenen Ausgestaltung kann eines der an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Gase von einem Ende zum anderen Ende der Zelle durch deren Innenraum hindurch geleitet werden, wobei das andere an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Gas die Außenseite der Zelle umströmt.
Bei einer einseitig geschlossenen Ausgestaltung kann der eine Endabschnitt ein Kappenabschnitt sein, welcher eines der Enden der Funktionsschichtsystems beziehungsweise der Zelle, insbesondere eine der Tubusöffnungen des tubularen Funktionsschichtsystems, verschließt. Der andere Endabschnitt kann dabei insbesondere ein Fußabschnitt beziehungsweise Montageabschnitt sein. Der Kappenabschnitt und/oder der Fußabschnitt und der oder die Trägerstege, können dabei aus dem gleichen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein. Insbesondere können der Kappenabschnitt, der oder die Trägerstege und die später erläuterten Trägerrippe/n und gegebenenfalls der Fußabschnitt dabei aus dem gleichen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein. Zur Ausbildung des Kappenabschnitt und des Fußabschnitts wird das, insbesondere keramische, Material vorzugsweise gasdicht ausgestaltet. Zur Ausbildung der Trägerippen und der später erläuterten Trägerstege kann das Material unabhängig voneinander gasdicht oder gasdurchlässig ausgestaltet sein. Da eine gasdichte Ausgestaltung der später erläuterten Trägerrippen mit dem Vorteil einhergeht darunterliegende Abschnitte aus chemisch empfindlichen Materialien zu schützen und die Gasdurchlässigkeit des Materials der Trägerstege aufgrund der Beabstandung der Trägerstege von dem Funktionsschichtsystem im Wesentlichen unerheblich ist, kann können auch diese, beispielsweise zur Vereinfachung des Herstellungsverfahrens, gasdicht ausgestaltet sein.
Bei einer beidseitig offenen Ausgestaltung können beide Endabschnitte Fußabschnitte beziehungsweise Montageabschnitte sein. Zumindest einer der Fußabschnitte, gegebenenfalls beide Fußabschnitte, und der oder die Trägerstege, können dabei aus dem gleichen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein. Insbesondere können zumindest einer der Fußabschnitte, gegebenenfalls beide Fußabschnitte, und der oder die Trägerstege sowie die später erläuterten Trägerrippe/n aus dem gleichen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein. Zur Ausbildung der Fußabschnitte wird das, insbesondere keramische, Material vorzugsweise gasdicht ausgestaltet. Wie bereits im Zusammenhang mit der einseitig geschlossenen Ausgestaltung analog erläutert, kann das Material zur Ausbildung der Trägerippen und der später erläuterten Trägerstege unabhängig voneinander gasdicht oder gasdurchlässig, insbesondere gasdicht, ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Trägersteg mit den beiden Endabschnitten, insbesondere stoffschlüssig, verbunden. Dabei kann sich der mindestens eine Trägersteg zwischen den Endabschnitten, insbesondere durch einen Freiraum, beabstandet zu dem tubularen Funktionsschichtsystem erstrecken.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf dem Funktionsschichtsystem, insbesondere auf einer der Elektrodenschichten des Funktionsschichtsystems, mindestens eine Trägerrippe ausgebildet. Beispielsweise können auf dem Funktionsschichtsystem, insbesondere auf einer der Elektrodenschichten, zwei oder mehr Trägerrippen ausgebildet sein. Der mindestens eine Trägersteg kann dabei auf der mindestens einen Trägerrippe aufliegen und insbesondere damit verbunden sein. Der mindestens eine Trägersteg kann dabei insbesondere auf zwei oder mehr Trägerrippen aufliegen und insbesondere mit diesen verbunden sein. Insbesondere kann sich der mindestens eine Trägersteg dabei zwischen einer Trägerrippe, insbesondere auf der er aufliegt, und einem Endabschnitt beziehungsweise zwischen den Trägerrippen, insbesondere auf denen er aufliegt, insbesondere durch einen Freiraum, beabstandet zu dem Funktionsschichtsystem, insbesondere zu der Elektrodenschicht, auf der die Trägerrippe/n ausgebildet sind, erstrecken.
Zum Beispiel kann der mindestens eine Trägersteg auf zwei oder mehr der Trägerrippen aufliegen und mit diesen verbunden sein und sich dabei zwischen den Trägerrippen beziehungsweise zwischen einer Trägerrippe und einem Endabschnitt beabstandet zu dem Funktionsschichtsystem erstrecken.
Durch die Trägerrippen kann vorteilhafterweise die mechanische Stabilität des Funktionsschichtsystems verbessert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Schichten des Funktionsschichtsystems dünner als herkömmlicherweise minimal 200 μm ausgestaltet werden können. Beispielsweise sind auf diese Weise Schichtdicken von weniger als 50 μm, beispielsweise sogar von 15 μm, realisierbar. Eine derartig dünne Schichtdicke wirkt sich insbesondere im Fall der Elektrolytschicht vorteilhaft auf eine Senkung der Betriebstemperatur und eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Zelle aus. Zudem können durch eine dünnere Ausgestaltung der Schichten Materialkosten eingespart werden.
Durch eine Kombination von einem oder mehreren Trägerstegen und einer oder mehreren Trägerrippen kann zudem ein hoch gasdurchlässiges Gittergefüge als Träger ausgebildet werden, welches bei vergleichsweise geringem Materialaufwand und Gewicht eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Der geringe Materialaufwand und das geringe Gewicht wirken sich dabei wiederum vorteilhaft auf die Herstellungskosten und die Handhabbarkeit der Zelle, insbesondere bei mobilen Anwendungen, aus.
Unter einer Trägerrippe kann insbesondere eine Erhebung beziehungsweise Materialverstärkung verstanden werden.
Eine kompakte, beispielsweise quaderförmige oder hügelförmige, Ausgestaltung der Trägerrippen hat den Vorteil, dass durch die Trägerrippen eine möglichst geringe Fläche des Funktionsschichtsystems abgedeckt wird.
Funktionsschichtsysteme von elektrochemischen Zellen weisen jedoch herkömmlicherweise neben elektrochemisch aktiven Flächenabschnitten, also an der eigentlichen elektrochemischen Reaktion der elektrochemischen Zelle beteiligten Flächenabschnitten, elektrochemisch inaktive Flächenabschnitte, welche beispielsweise zur Isolation oder elektrischen Kontaktierung dienen und die häufig eine längliche Form aufweisen. Durch eine Belegung von ohnehin elektrochemisch inaktiven Flächenabschnitten wird vorteilhafterweise die elektrochemisch aktive Fläche des Funktionsschichtsystems nicht verringert. Durch das Ausbilden von länglichen Trägerrippen auf derartigen elektrochemisch inaktiven Flächenabschnitten kann zudem die mechanische Stabilität verbessert werden, weswegen es vorteilhaft sein kann, die Trägerrippen länglich auszugestalten.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Trägerrippe auf einem Abschnitt des Funktionsschichtsystems, insbesondere einer der Elektrodenschichten, ausgebildet, welcher zum Beispiel (selbst) elektrochemisch inaktiv ist und welcher beispielsweise zwei oder mehr elektrochemisch aktive Abschnitte des Funktionsschichtsystems, insbesondere der Elektrodenschicht, ionisch und elektrisch voneinander isoliert (Isolationsabschnitt) und/oder elektrisch leitend miteinander verbindet (Interkonnektorabschnitt). Beispielsweise können die Trägerrippen auf Abschnitten des Funktionsschichtsystems, insbesondere einer der Elektrodenschichten, ausgebildet sein, welche elektrochemisch inaktiv sind und welche beispielsweise elektrochemisch aktive Abschnitte des Funktionsschichtsystems, insbesondere der Elektrodenschicht, ionisch und elektrisch voneinander isolieren (Isolationsabschnitte) und/oder elektrisch leitend miteinander verbinden (Interkonnektorabschnitte). So wird durch die Trägerrippen vorteilhafterweise die elektrochemisch aktive Fläche des Funktionsschichtsystem beziehungsweise der entsprechenden Elektrodenschicht nicht verringert. Zudem werden die unter den Trägerrippen liegenden Abschnitte durch die Trägerrippen vor äußeren Einflüssen geschützt, was es beispielsweise ermöglich in diesen Bereichen chemisch instabilere, beispielsweise oxidationsempfindliche, Materialien einzusetzen.
Die Elektrodenschichten können jeweils mehrere durch, insbesondere elektrisch und ionisch isolierende, Isolationsabschnitte voneinander getrennte Elektrodenabschnitte und die Elektrolytschicht mehrere durch, insbesondere elektrisch leitende und ionisch isolierende, Interkonnektorabschnitte voneinander getrennte Elektrolytabschnitte aufweisen. Dabei kann jeweils ein Elektrodenabschnitt der einen Elektrodenschicht mit einem Elektrolytabschnitt der Elektrolytschicht und einem Elektrodenabschnitt der anderen Elektrodenschicht eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit bilden. Die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten können dabei beispielsweise durch die in der Elektrolytschicht ausgebildeten Interkonnektorabschnitte seriell und/oder parallel, insbesondere seriell, verschaltet sein.
Beispielsweise kann ein Trägersteg auf einer oder zwei oder mehr Trägerrippen aufliegen. Insbesondere können zwei oder mehr Trägerstege ausgebildet sein, welche jeweils auf zwei oder mehr der Trägerrippen aufliegen und sich dabei zwischen den Trägerrippen, insbesondere auf denen die Trägerstege jeweils aufliegen, beabstandet zu dem Funktionsschichtsystem erstrecken. Beispielsweise kann die Zelle eine Vielzahl von derartigen Trägerrippen und Trägerstegen aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden beispielsweise der oder die Trägerstege und die Trägerrippe/n und ein, beispielsweise siebartiges, insbesondere tubulares, Trägergitter aus. So kann vorteilhafterweise mit geringem Material- und Gewichtsaufwand eine hohe mechanische Stabilität erzielt werden. Das, insbesondere tubulare, Trägergitter kann dabei das Funktionsschichtsystem umgeben oder von dem Funktionsschichtsystem umgeben sein. Bei Brennstoff- und/oder Elektrolysezellen können die Trägerrippen und Trägerstege beziehungsweise das Trägergitter auf der Sauerstoff- beziehungsweise Luftseite oder auf der Brenngasseite oder gegebenenfalls sowohl auf der Sauerstoff- beziehungsweise Luftseite als auch auf der Brenngasseite ausgebildet sein. Bei Metall-Luft-Zellen können die Trägerrippen und Trägerstege beziehungsweise das Trägergitter insbesondere auf der Sauerstoff- beziehungsweise Luftseite ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind der oder die Trägerstege stoffschlüssig mit der jeweiligen Trägerrippe beziehungsweise den jeweiligen Trägerrippen verbunden. Dies kann beispielsweise durch das später erläuterte Herstellungsverfahren realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfassen die Trägerrippen und/oder Trägerstege mindestens ein keramisches Material. Beispielsweise können die Trägerrippen und/oder Trägerstege aus einem oder mehreren keramischen Materialien ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Trägerrippen und Trägerstege das beziehungsweise die gleiche keramischen Materialien umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise eine stabile Verbindung sowie, beispielsweise aufgrund von ähnlichen beziehungsweise gleichen Ausdehnungskoeffizienten, eine hohe Stabilität unter Temperaturwechselbelastungen erzielt werden. Beispielsweise können die Trägerrippen und/oder Trägerstege mindestens ein keramisches Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Zirkoniumdioxid, insbesondere seltenerddotiertes Zirkoniumdioxid, beispielsweise Scandium und/oder Yttrium und/oder Cer dotiertes Zirkoniumdioxid, und Mischungen davon, umfassen oder daraus ausgebildet sind.
Insbesondere können die Trägerrippen und/oder Trägerstege mindestens ein Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Forsterit basiert im Wesentlichen auf der allgemeinen Summenformel Mg₂SiO₄ und kann vorteilhafterweise durch Reaktionssintern von kostengünstigen Rohstoffen, wie Talk und Magnesiumoxid, hergestellt werden. Zudem weist Forsterit gute Sintereigenschaften und einen zu gängigen Funktionsschichtsystemmaterialien ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten auf, was sich vorteilhaft auf eine gleichzeitige Sinterung (Co-Sinterung) des Funktionsschichtsystems, der Trägerrippen und der Trägerstege auswirkt.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Trägerstege, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems, im Wesentlichen axial, insbesondere axial.
Unter einer im Wesentlichen axialen Erstreckung kann insbesondere verstanden werden, dass sich die entsprechende Struktur entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems erstreckt, wobei beispielsweise auch eine von der Längsachse, beispielsweise um ±45 °, abweichende, zum Beispiel wellenförmige oder helikale, Ausgestaltung möglich ist.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Trägerrippen im Wesentlichen lateral, insbesondere lateral, in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems.
Unter einer im Wesentlichen lateralen Erstreckung in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems kann insbesondere verstanden werden, dass sich die entsprechende Struktur entlang der Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems erstreckt, wobei beispielsweise auch eine von der Umfangsrichtung, beispielsweise um ±45 °, abweichende, zum Beispiel wellenförmige oder helikale, Ausgestaltung möglich ist.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die Trägerrippen entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems, beispielsweise äquidistant, verteilt ausgebildet und/oder die Trägerstege, bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems, umfänglich, beispielsweise äquidistant, verteilt ausgebildet.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform erstrecken sich die Trägerrippen, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems, im Wesentlichen axial, insbesondere axial. Die Trägerstege können sich dabei im Wesentlichen lateral, insbesondere lateral, in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems erstrecken.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die Trägerrippen, bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems, umfänglich, beispielsweise äquidistant, verteilt ausgebildet und/oder die Trägerstege entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems, beispielsweise äquidistant, verteilt ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Trägerrippen auf der Außenseite des tubularen Funktionsschichtsystems ausgebildet.
Im Rahmen einer anderen weiteren Ausführungsform sind die Trägerrippen auf der Innenseite des tubularen Funktionsschichtsystems ausgebildet.
Die Elektrolytschicht des Funktionsschichtsystems kann insbesondere aus einem sauerstoffionenleitenden Material, beispielsweise mit seltenen Erden, insbesondere Scandium, Yttrium und/oder Cer, dotiertem Zirkoniumdioxid (ZrO₂) ausgebildet sein. Das Elektrolytschichtmaterial ist insbesondere, beispielsweise nach einem Sinterprozess im Rahmen des Herstellungsverfahrens, gasdicht, so dass die Gasräume für die elektrochemische Reaktion durch das Funktionsschichtsystem getrennt bleiben.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Anlage sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, welches die folgenden Verfahrenschritte umfasst.
In einem Verfahrensschritt a) werden dabei ein Funktionsschichtsystem und ein Spritzgusswerkzeug bereitgestellt.
Das Funktionsschichtsystem umfasst dabei zwei Elektrodenschichten und eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Elektrolytschicht. Dabei ist auf zumindest einer der Elektrodenschichten eine weitere Schicht aufgebrachte, welche mindestens einen Opfermaterialabschnitt umfasst. Das Funktionsschichtsystem kann in Verfahrensschritt a) beispielsweise in Form einer Folie oder Hülse bereitgestellt werden
Das Spritzgusswerkzeug umfasst eine kavitätsbildende Spritzgusswerkzeugeinheit mit einer im Wesentlichen zylindrischen Kavität und einen in die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit einbringbaren, im Wesentlichen zylindrischen Spritzgusswerkzeugkern. Die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit und/oder der Spritzgusswerkzeugkern weist dabei mindestens eine Nut auf. Der Spritzgusswerkzeugkern kann dabei gegebenenfalls mehrteilig ausgeführt sein. Beispielsweise kann der Spritzgusswerkzeugkern einen Werkzeugkerngrundkörper und eine auf den Werkzeugkerngrundkörper aufsteckbare Funktionsschichtsystemträgerhülse aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhafterweise das Anbringen und Positionieren des Funktionsschichtsystems auf dem Spritzgusswerkzeugkern in dem später erläuterten Verfahrensschritt b) sowie das Entfernen des Spritzgusswerkzeugkerns aus der Spritzgusswerkzeugeinheit nach dem Einspritzen der Spritzgusskomponente im später erläuterten Verfahrensschritt c) vereinfacht werden.
Wie bereits erläutert umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt b), in dem das Funktionsschichtsystem derart auf den Spritzgusswerkzeugkern und/oder die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit aufgebracht und der Spritzgusswerkzeugkern derart in die Spritzgusswerkzeugeinheit eingebracht wird, dass mindestens ein Opfermaterialabschnitt eine Nut der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit und/oder des Spritzgusswerkzeugkerns begrenzt.
Weiterhin umfasst das Verfahren den Verfahrensschritt c), in dem eine Spritzgusskomponente in die mindestens eine Nut eingespritzt wird. Aus dem in die mindestens eine Nut eingespritzten Material werden dabei die Trägerstege ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei der in Verfahrenschritt c) eingesetzten Spritzgusskomponente um eine Keramikspritzgusskomponente handeln. Dementsprechend kann Verfahrenschritt c) mittels Keramikspritzguss (CIM: englisch: Ceramic Injection Moulding), insbesondere mittel Folien-Hinterspritzung beziehungsweise -Überspritzung (IML: englisch: Inmould Labeling) erfolgen.
Ferner umfasst das Verfahren den Verfahrensschritt d) Entfernen des Opfermaterials.
Je nach Beschaffenheit des Opfermaterials kann dessen Entfernen in Verfahrensschritt d) auf unterschiedliche Arten und Weisen erfolgen. Beispielsweise kann das Opfermaterial unter Anderem durch Zersetzen und/oder Vergasen und/oder Ausschmelzen und/oder Lösen in einem Lösungsmittel und/oder durch Abziehen entfernt werden kann.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform wird das Opfermaterial in Verfahrensschritt d) durch Erhitzen entfernt. Beispielsweise kann dafür ein, insbesondere rückstandslos, verbrennendes und/oder vergasendes und/oder schmelzendes Opfermaterial eingesetzt werden.
Als Opfermaterial kann zum Beispiel Papier, insbesondere Filterpapier, eingesetzt werden.
Als, insbesondere rückstandslos, verbrennende Opfermaterialien können zum Beispiel organische Bindemittel eingesetzt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist das Opfermaterial ein organisches Bindemittel oder eine organisches Bindemittelgemisch, zum Beispiel Polyvinylbutyrat und/oder Polyethylenglykol. Insbesondere kann das Opfermaterial das beziehungsweise die gleichen organischen Bindemittel wie die in Verfahrensschritt c) eingesetzte Spritzgusskomponente enthalten.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt Verfahrensschritt e) durch einen Sinterprozess. Dies ermöglicht es nicht nur verbrennende, vergasende und/oder schmelzende Opfermaterialien zu entfernen, sonder im gleichen Prozessschritt die Materialien des Funktionsschichtsystems und der Trägerrippenabschnitte sowie die Spritzgusskomponente, insbesondere unter Ausbildung der Trägerstege, gleichzeitig zu sintern beziehungsweise zu co-sintern. So kann das Herstellungsverfahren vorteilhafterweise vereinfacht, die Herstellungsdauer verkürzt und die Stückzahlrate erhöht werden.
Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform weist die in Verfahrenschritt a) eingesetzte weitere Schicht mindestens einen an einen Opfermaterialabschnitt angrenzenden Trägerrippenabschnitt auf. Der beziehungsweise die Trägerrippenabschnitte der weiteren Schicht können insbesondere zur Ausbildung von Trägerrippen dienen. Insbesondere kann die in Verfahrenschritt a) eingesetzte weitere Schicht mindestens zwei, durch einen Opfermaterialabschnitt voneinander getrennte Trägerrippenabschnitte aufweisen.
In Verfahrensschritt b) kann ein derartiges Funktionsschichtsystem insbesondere derart auf den Spritzgusswerkzeugkern und/oder die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit aufgebracht und der Spritzgusswerkzeugkern derart in die Spritzgusswerkzeugeinheit eingebracht werden, dass mindestens ein Trägerrippenabschnitt und insbesondere mindestens ein Opfermaterialabschnitt eine Nut der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit und/oder des Spritzgusswerkzeugkerns begrenzt. Insbesondere können dabei jeweils mindestens zwei Trägerrippenabschnitte, beispielsweise mindestens zwei Trägerrippenabschnitte und ein dazwischen ausgebildeter Opfermaterialabschnitt, eine Nut der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit und/oder des Spritzgusswerkzeugkerns begrenzen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) das Funktionsschichtsystem durch Drucken, insbesondere Siebdruck, bereitgestellt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfassen die Trägerrippenabschnitte und die Spritzgusskomponente mindestens ein keramisches Material. Insbesondere können die Trägerrippenabschnitte und die Spritzgusskomponente die gleichen keramischen Materialien und gegebenenfalls auch die gleichen organischen Bindemittel umfassen. Beispielsweise können die Trägerrippenabschnitte und die Spritzgusskomponente als keramisches Material mindestens ein Magnesiumsilikat, beispielsweise Forsterit, umfassen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, der erfindungsgemäßen Anlage sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Energiespeicher- und/oder -wandleranlage, beispielsweise eine kraftwärmegekoppelte Energiespeicher- und/oder -wandleranlage, zum Beispiel für eine Photovoltaikanlage und/oder eine Windkraftanlage, welche eine erfindungsgemäße elektrochemische Zelle umfasst.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anlage wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
1b einen schematischen Längsschnitt durch die in 1a gezeigte Ausführungsform;
1c einen schematischen Querschnitt durch die in 1a und 1b gezeigte Ausführungsform;
2a eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
2b einen schematischen Längsschnitt durch die in 2a gezeigte Ausführungsform;
2c einen schematischen Querschnitt durch die in 2a und 2b gezeigte Ausführungsform;
3a eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
3b einen schematischen Längsschnitt durch die in 3a gezeigte Ausführungsform;
3c einen schematischen Querschnitt durch die in 3a und 3b gezeigte Ausführungsform;
4 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
5a einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
5b einen schematischen Querschnitt durch die in 5a gezeigte Ausführungsform;
6a einen schematischen Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zelle;
6b einen schematischen Querschnitt durch die in 6a gezeigte Ausführungsform;
7a–9e schematische Ansichten zur Veranschaulichung einiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 einen schematischen Querschnitt durch eine spezielle Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren Funktionsschichtsystem mit Rippenstrukturabschnitt-Opfermaterialabschnitt-Schicht; und
11a, 11b schematische Querschnitte zur Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1a bis 1c zeigen eine erste Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 10, beispielsweise eine Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle, mit einem tubularen Funktionsschichtsystem 11, welches zwei Elektrodenschichten 11a, 11b und eine zwischen den Elektrodenschichten 11a, 11b angeordnete Elektrolytschicht 11c umfasst.
Die 1a bis 1c zeigen zudem, dass die elektrochemische Zelle 10 zwei Endabschnitte K; F aus einem gasdichten Material aufweist, wobei die Endabschnitte K, F jeweils an einem Ende des tubularen Funktionsschichtsystems 11 ausgebildet sind. Dabei ist einer der Endabschnitte K ein Kappenabschnitt, welcher ein Ende des tubularen Funktionsschichtsystems 11 verschließt, wobei der andere Endabschnitt ein Fußabschnitt F (Gasanschlussflansch) zur Montage der Zelle 10 ist. Das Funktionsschichtsystem 11 ist dabei in einem Zwischenabschnitt Z zwischen dem Kappenabschnitt K und dem Fußabschnitt F ausgebildet. Die Elektroden 11a, 11b des Funktionsschichtsystems 11 können sich dabei auf der gesamten inneren und äußeren Rohrfläche des Funktionsschichtsystems 11 befinden. Der Kappenabschnitt K und der Fußabschnitt F sind in der gezeigten Ausführungsform elektrodenfrei ausgestaltet.
Der Fußabschnitt F kann gegebenenfalls mit einem präzisen Planschliff versehen sein, welcher es ermöglicht den Fußabschnitt F mit einem ebenso präzise plan geschliffenen Gegenflansch einer Gaszuleitung – ohne den Einsatz einer Dichtung, beispielsweise aus einem glasartigen Material – gasdicht zu verbinden.
Die 1a bis 1c veranschaulichen, dass die Zelle 10 Trägerstege 13 aufweist, welcher beabstandet d zu dem tubularen Funktionsschichtsystem 11 ausgebildet sind. Die Trägerstege 13 sind dabei insbesondere zu der Außenseite des Funktionsschichtsystems 11 beziehungsweise zu der äußeren Elektrodenschicht 11a beabstandet d ausgebildet. Dabei sind die Trägerstege 13 einerseits mit dem Kappenabschnitt K und andererseits mit dem Fußabschnitt F verbunden. Durch die aus der Beabstandung d resultierenden Freiräume zwischen den Trägerstegen 13 und der Außenseite des Funktionsschichtsystems 11, insbesondere der äußeren Elektrodenschicht 11a, kann vorteilhafterweise der Elektrodenschicht 11a, insbesondere ungehindert, Gas zugeführt werden.
Die 1a bis 1c zeigen weiterhin, dass sich die Trägerstege 13, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11, axial erstrecken und bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems 11 umfänglich äquidistant verteilt ausgebildet sind.
Der Kappenabschnitt K, die Trägerstege 13, und gegebenenfalls der Fußabschnitt F können dabei aus dem gleichen keramischen Material ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform sind der Kappenabschnitt K, der Fußabschnitt F und die Trägerrippen 12 aus einem keramischen Material, beispielsweise Forsterit, ausgebildet.
Die in den 2a bis 2c gezeigte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 10 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 1a bis 1c gezeigten ersten Ausführungsform, dass zusätzlich auf der Außenseite des Funktionsschichtsystem 11, insbesondere auf der äußeren Elektrodenschicht 11a des Funktionsschichtsystems, mehrere Trägerrippen 12 ausgebildet sind, auf welchen wiederum die Trägerstege 13 aufliegen, wobei die Trägerstege 13 mit den Trägerrippen 12 stoffschlüssig verbunden sind. Zwischen den Trägerrippen 12 beziehungsweise zwischen einem Endabschnitt K, F und einer Trägerrippe 12 sind die Trägerstege 13 beabstandet d zu dem Funktionsschichtsystem 11, insbesondere beabstandet d zu der mit den Trägerrippen 12 versehenen Elektrodenschicht 11a ausgebildet. Insgesamt bilden die Trägerrippen 12 und die Trägerstege 13 dabei ein tubulares Trägergitter aus, welches insbesondere auch als inerter Siebträger ausgestaltet sein kann und welches das tubulare Funktionsschichtsystem 11 umgibt.
Gegebenenfalls können auch die Trägerrippen 12 aus dem gleichen keramischen Material, beispielsweise Forsterit, wie die Trägerstege 13 beziehungsweise der Kappenabschnitt K und/oder der Fußabschnitt F ausgebildet sein.
Die 2a bis 2c zeigen weiterhin, dass sich die Trägerrippen 12 lateral in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems 11 erstrecken, wobei sich die Trägerstege 13, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11, axial erstrecken. Die 2a bis 2c illustrieren, dass dabei die Trägerrippen 12 entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11 äquidistant verteilt ausgebildet sind, wobei die Trägerstege 13, bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems 11, umfänglich äquidistant verteilt ausgebildet sind.
Die in den 3a bis 3c gezeigte dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 10 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 2a bis 2c gezeigten zweiten Ausführungsform, dass sich die Trägerrippen 12, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11, axial und die Trägerstege 13 lateral in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems 11 erstrecken. Dabei sind die Trägerrippen 12, bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems 11, umfänglich äquidistant verteilt ausgebildet sind, wobei die Trägerstege 13 entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11 äquidistant verteilt ausgebildet sind.
Die in 4 gezeigte vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 10 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 2a bis 3c gezeigten zweiten Ausführungsform, dass die Trägerstege 13 helikal ausgebildet sind und sich, bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems 11, nur im Wesentlichen axial erstrecken. Im Rahmen der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform erstrecken sich dabei die Trägerrippen 12 – analog zu der in den 2a bis 2c gezeigten ersten Ausführungsform – lateral in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems 11. Es ist jedoch ebenso möglich, die Trägerrippen 12 nur im Wesentlichen lateral in Umfangsrichtung auszubilden. Ebenso ist es möglich die Trägerrippen 12 und Trägerstege 13 im Wesentlichen diagonal, zum Beispiel in einen Winkel von um die 45 °C zur Längsachse und/oder Umfangsrichtung, auszubilden.
Die in den 5a und 5b gezeigte fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 10 unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 2a bis 2c gezeigten zweiten Ausführungsform, dass die Trägerrippen 12 auf der Innenseite des tubularen Funktionsschichtsystems 11 ausgebildet sind und sich damit auch die Trägerstege 13 innerhalb des tubularen Funktionsschichtsystems 11 erstrecken.
Die in den 6a und 6b gezeigte sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle 10 unterscheidet sich im Wesentlichen ebenfalls dadurch von der in den 3a bis 3c gezeigten dritten Ausführungsform, dass die Trägerrippen 12 auf der Innenseite des tubularen Funktionsschichtsystems 11 ausgebildet sind und sich damit auch die Trägerstege 13 innerhalb des tubularen Funktionsschichtsystems 11 erstrecken.
Die 7a bis 9e zeigen schematische Ansichten zur Veranschaulichung einiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigen die 7a bis 7e jeweils in den Verfahrenschritten a) und b) verwendete Funktionsschichtsysteme 11, welches neben zwei Elektrodenschichten 11a, 11b und einer dazwischen angeordneten Elektrolytschicht 11c eine weitere Schicht 12, 14 umfasst, welche Opferschichtabschnitte 14 und Trägerrippenabschnitte 12 aufweist. Zur Ausbildung einer Zelle 10, welche Trägerstege 13 jedoch keine Trägerrippen 12 umfasst, kann die weitere Schicht 14, insbesondere vollständig aus dem Opfermaterial 14 ausgebildet sein beziehungsweise als Opfermaterialschicht 14 bezeichnet werden. Die 8a bis 8e zeigen die nach dem Spritzgießen in Verfahrensschritt c) resultierenden Anordnungen und die 9a bis 9e zeigen die nach dem Entfernen des Opfermaterials 14 in Verfahrensschritt d) resultierenden elektrochemischen Zellen.
Zum besseren Verständnis des Grundkonzepts sind die mit einer Trägerrippenabschnitt-Opferschichtabschnitt-Schicht 12, 14 versehene Funktionsschichtsysteme 11 in den 7a–c, 8a–c und 9a–c nicht tubular, sondern planar projiziert dargestellt. Dabei zeigen die 7a, 8a und 9a jeweils Querschnitte in einer ersten Ebene, die 7b, 8b und 9b jeweils Querschnitte in einer zweiten zur ersten senkrechten Ebene, die 7c, 8c und 9c jeweils Draufsichten auf die in den 7a, 7b beziehungsweise 8a, 8b beziehungsweise 9a, 9b gezeigten Gegenstände.
In den 7d, 8e, 8d, 8e, 9d und 9e sind zu den in den 7a–c, 8a–c und 9a–c planar projizierten Darstellungen korrespondierende tubulare Darstellungen gezeigt, wobei die 7d, 8d und 9d das Verfahren zur Herstellung der in den 3a bis 3c gezeigten dritten Ausführungsform und die 7e, 8e und 9e das Verfahren zur Herstellung der in den 6a und 6b gezeigten sechsten Ausführungsform veranschaulichen.
Die 7a bis 7e zeigen, dass in Verfahrensschritt a) ein Funktionsschichtsystem 11 bereitgestellt wird, welches zwei Elektrodenschichten 11a, 11b und eine zwischen den Elektrodenschichten 11a, 11b angeordnete Elektrolytschicht 11c umfasst. Auf einer der beiden Elektrodenschichten 11a ist dabei eine weitere Schicht 12, 14 aufgebrachte, welche mehrere, durch Opfermaterialabschnitte 14 voneinander getrennte Trägerrippenabschnitte 12 aufweist. Die mit dem Bezugszeichen X gekennzeichneten Klammern deuten an, dass dabei die Trägerrippenabschnitte 12 auf Abschnitten X des Funktionsschichtsystems 11 ausgebildet sind, welche elektrochemisch inaktiv sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um Interkonnektor- und/oder Isolationsabschnitte handeln, welches dazu dienen, elektrochemisch aktive Abschnitte miteinander elektrisch zu verschalten beziehungsweise elektrisch und/oder ionisch voneinander zu isolieren.
Die 8a bis 8e zeigen, die in den 7a bis 7e gezeigten Anordnungen 11, 12, 14 nach den Verfahrensschritten a), b) und c).
Neben den in den 7a bis 7e gezeigten Anordnungen 11, 12, 14 wurde in Verfahrenschritt a) auch noch ein Spritzgusswerkzeug 20 bereitgestellt, welches eine kavitätsbildende Spritzgusswerkzeugeinheit 21 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Kavität und einen in die Kavität einbringbaren, im Wesentlichen zylindrischen Spritzgusswerkzeugkern 22 umfasst (dargestellt in den 11a und 11b), wobei die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 (dargestellt in den 11a und 11b) oder der Spritzgusswerkzeugkern 22 (nicht dargestellt) mehrere Nuten 21a aufweist.
In Verfahrensschritt b) wurde dann das Funktionsschichtsystem 11 derart auf den Spritzgusswerkzeugkern 22 (dargestellt in den 11a und 11b) beziehungsweise die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 (nicht dargestellt) aufgebracht und der Spritzgusswerkzeugkern 22 in die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 eingebracht, dass jeweils mehrere Trägerrippenabschnitte 12 des Funktionsschichtsystems 11 eine Nut 21a der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 (dargestellt in den 11a und 11b) oder des Spritzgusswerkzeugkerns 22 (nicht dargestellt) begrenzen.
In Verfahrensschritt c) wurde dann eine Spritzgusskomponente 13 in die Nuten 21a (dargestellt in den 11a und 11b) eingespritzt.
Die 8a bis 8e zeigen, dass dabei in den Nuten 21a längliche Erhebungen 13 ausgebildet wurden, welche sowohl auf den Trägerrippen 12 als auch dem Opfermaterial 14 aufliegen.
Die 9a bis 9e zeigen, die in den 7a bis 7e und 8a bis 8e gezeigten Anordnungen 11, 12 nach dem Entfernen der Opfermaterialschicht 14 in Verfahrensschritt d).
Die 9a bis 9e veranschaulichen, dass die in den Nuten 21a ausgebildeten länglichen Erhebungen 13 nach dem Entfernen des Opfermaterials 14 Trägerstege 13 ausbilden, welche auf den Trägerrippen 12 aufliegen und mit diesen verbunden sind, sich dabei jedoch zwischen den Trägerrippen 12 beabstandet zu dem Funktionsschichtsystem 11 und insbesondere beabstandet zu der Elektrodenschicht 11a des Funktionsschichtsystems 11, auf der die Trägerrippen 12 ausgebildet sind, erstrecken. Das Entfernen des Opfermaterials 14 in Verfahrensschritt d) kann dabei beispielsweise durch Erhitzen erfolgen. Insbesondere kann dabei Verfahrensschritt d) durch einen Sinterprozess erfolgt, während dessen nicht nur das Opfermaterial 14, beispielsweise durch Verbrennen, Vergasen und/oder Ausschmelzen, entfernt, sondern auch die Materialien des Funktionsschichtsystems 11 und der Trägerrippen 12 sowie die, die Trägerstege 13 ausbildende Spritzgusskomponente 13 co-gesintert werden.
10 zeigt eine Ausführungsform des Funktionsschichtsystems 11, in dem die Trägerrippenabschnitte 12 auf Abschnitten X des Funktionsschichtsystems 11 ausgebildet sind, welche elektrochemisch inaktiv sind. Im Rahmen der gezeigten Ausführungsform umfassen beide Elektrodenschichten 11a, 11b jeweils eine Vielzahl von Elektrodenabschnitten 11a’, 11b’, welche jeweils innerhalb der jeweiligen Elektrodenschicht 11a, 11b durch elektrisch und ionisch isolierende Isolationsabschnitt 11a’’, 11b’’ voneinander getrennt sind. In der zwischen den beiden Elektrodenschichten 11a, 11b ausgebildeten Elektrolytschicht 11c sind eine Vielzahl von Elektrolytabschnitten 11c’ ausgebildet, welche jeweils durch elektrisch leitende und ionisch isolierende Interkonnektorabschnitte 11c’’, beispielsweise aus Lanthanchromoxid (LaCrO₃), voneinander getrennt sind. Die Interkonnektorabschnitte 11c’’ sind dabei jeweils zwischen Isolationsabschnitten 11a’’, 11b’’ der beiden Elektrodenschichten 11a, 11b angeordnet, wobei die Isolationsabschnitte 11a’’, 11b’’ und Interkonnektorabschnitte 11c’’ derart leicht versetzt zueinander angeordnet sind, dass benachbarte Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 11a’, 11b’, 11c’, welche jeweils durch zwei Elektrodenabschnitte 11a’, 11b’ unterschiedlicher Elektrodenschichten 11a, 11b und einen dazwischen angeordneten Elektroyltabschnitt 11c’ der Elektrolytschicht 11c ausgebildet werden; in Reihe geschaltet werden.
10 veranschaulicht, dass dabei in der gezeigten Ausführungsform die Trägerrippen 12 auf den Isolationsabschnitten 11a’’ der Elektrodenschicht 11a beziehungsweise benachbart zu den Interkonnektorabschnitten 11c’’ der Elektrolytschicht 11c und zu den Isolationsabschnitten 11b’’ der anderen Elektrolytschicht 11b ausgebildet sind. Die gestrichelten Linien veranschaulichen, dass je nach Ausgestaltung des Funktionsschichtsystems die Trägerrippen 12 auch in anderen Positionen, zum Beispiel auf einem, insbesondere offen liegenden, Interkonnektorabschnitt 11c’’ ausgebildet sein können. Eine Positionierung der Trägerrippen 12 auf beziehungsweise über diesen segmentierenden Flächenabschnitten bietet sich an, da durch diese Maßnahme zum Einen die elektrochemisch aktive Fläche nicht verringert wird und zum Anderen durch die Trägerrippen darunter liegende Abschnitte geschützt, was es ermöglicht beispielsweise oxidationsempfindliche keramische und/oder metallische Materialien als Interkonnektor beziehungsweise Isolator in der oxidierender Atmosphäre einzusetzen.
Die 11a und 11b zeigen stark schematisiert ein zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Spritzgusswerkzeugs 20, welches eine kavitätsbildende Spritzgusswerkzeugeinheit 21 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Kavität und einen in die Kavität einbringbaren, im Wesentlichen zylindrischen Spritzgusswerkzeugkern 22 umfasst und die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Die 11a und 11b zeigen, dass die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 Nuten 21a in Form von Längsnuten aufweist. Der Spritzgusswerkzeugkern 22 wird dabei in der Längsmittelachse der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 positioniert. Der Spritzgusswerkzeugkern 22 ist so geformt, dass an ihn 22 ein gegebenenfalls auf einer Kunststofffolie oder Hülse geträgertes folienartiges Funktionsschichtsystem 11 angelegt werden kann. Zusätzlich ist dieses Funktionsschichtsystem 11 mit Trägerrippen 12 und dazwischen ausgebildeten Opfermaterialabschnitten 14 versehen, wobei die Trägerrippen 12 vorzugsweise jeweils in Zonen positioniert sind, in denen in dem Funktionsschichtsystem 11 Interkonnektorabschnitte 11c’’ und/oder Isolationsabschnitten 11a’’, 11b’’ (siehe 10) ausgebildet sind.
11b veranschaulicht, dass die, beispielsweise keramische, Spritzgussmasse 13 beim Spritzvorgang über einen Angusskanal 21b, welcher zentral in den, den späteren Kappenabschnitt K ausbildenden Bereich der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit 21 mündet, in die Längsnuten 21a einströmt und dabei das Funktionsschichtsystem 11 teilweise überströmt. Damit dies gewährleistet ist, ist der Raum zwischen den Trägerrippen 12 mit einem Opfermaterial 14 verfüllt, welches während der Sinterung vollständig ausgebrannt wird. Während der Sinterung können sich auch die Materialien des Funktionsschichtsystems 11, unter anderem auch das Elektrodenmaterial 11a und das Trägerrippenmaterial 12 sowie die Spritzgussmasse 13 mit dem Trägerrippenmaterial 12 innig verbinden. Dadurch, dass Funktionsschichtsystem direkt an die Trägerrippen 12 angrenzt, welche mit den aus der Spritzgusskomponente ausgebildeten Trägerstegen 13 ein mechanisch stabiles Trägergitter ausbilden, entsteht der Vorteil, die Elektrodenschichten und/oder die Elektrolytschicht des Funktionsschichtsystems deutlich dünnwandiger, beispielsweise ca. 50 μm oder weniger dünn, ausgeführt werden können, weil sie keine wesentliche tragende Funktion zu erfüllen haben.
Die innere Elektrodenschicht 11b des Funktionsschichtsystems 11 kann beispielsweise als Brenngaselektrodenschicht und die äußere Elektrodenschicht 11a des Funktionsschichtsystems 11, beispielsweise aus einer sauerstoffionenleitenden oder mischleitenden Keramik, als Sauerstoffelektrodenschicht ausgelegt sein
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1079453 B1 [0006]
DE 102012001988 A1 [0006]
WO 2005/018018 A2 [0006]
JP 2010-129542 A [0007]

Claims

Elektrochemische Zelle (10), insbesondere Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle, mit einem tubularen Funktionsschichtsystem (11), wobei das Funktionsschichtsystem (1) zwei Elektrodenschichten (11a, 11b) und eine zwischen den Elektrodenschichten (11a, 11b) angeordnete Elektrolytschicht (11c) umfasst, wobei die Zelle (10) mindestens einen Trägersteg (13) aufweist, welcher beabstandet (d) zu dem tubularen Funktionsschichtsystem (11) ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle (10) zwei Endabschnitte (K; F) aus einem gasdichten Material aufweist, wobei die Endabschnitte (K, F) jeweils an einem Ende des tubularen Funktionsschichtsystems (11) ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Trägersteg (13) mit den beiden Endabschnitten (K, F) verbunden ist.
Elektrochemische Zelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf dem Funktionsschichtsystem (11) mindestens eine Trägerrippe (12) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Trägersteg (13) auf der mindestens einen Trägerrippe (12) aufliegt und damit verbunden ist.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Trägerrippe (12) auf einem Abschnitt des Funktionsschichtsystems (11) ausgebildet ist, welcher elektrochemisch inaktiv ist.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der oder die Trägerstege (13) und die Trägerrippe/n (12) ein, insbesondere siebartiges, Trägergitter ausbilden.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der oder die Trägerstege (13) stoffschlüssig mit der jeweiligen Trägerrippe (12) oder den jeweiligen Trägerrippen (12) verbunden sind.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trägerrippen (12) und/oder Trägerstege (13) mindestens ein keramisches Material, insbesondere mindestens ein Magnesiumsilikat, umfassen.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die Trägerstege (13), bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems (11), im Wesentlichen axial erstrecken, insbesondere wobei die Trägerstege (13), bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems (11), umfänglich verteilt ausgebildet sind; und/oder wobei sich die Trägerrippen (12) im Wesentlichen lateral in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems (11) erstrecken, insbesondere wobei die Trägerrippen (12) entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems (11) verteilt ausgebildet sind, und/oder oder wobei sich die Trägerrippen (12) bezogen auf die Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems (11), im Wesentlichen axial erstrecken, insbesondere wobei die Trägerrippen (12), bezogen auf den Umfang des tubularen Funktionsschichtsystems (11), umfänglich verteilt ausgebildet sind, und wobei sich die Trägerstege (13), im Wesentlichen lateral in Umfangsrichtung des tubularen Funktionsschichtsystems (11) erstrecken, insbesondere wobei die Trägerstege (13) entlang der Längsachse des tubularen Funktionsschichtsystems (11) verteilt ausgebildet sind.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Trägerrippen (12) auf der Außenseite des tubularen Funktionsschichtsystems (11) ausgebildet sind; oder wobei die Trägerrippen (12) auf der Innenseite des tubularen Funktionsschichtsystems (11) ausgebildet sind.
Elektrochemische Zelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Endabschnitt ein Kappenabschnitt (K) ist, welcher eines der Enden der tubularen Funktionsschichtsystems (11) verschließt, insbesondere wobei der Kappenabschnitt (K), die Trägerrippen (12) und die Trägerstege (13) aus dem gleichen keramischen Material ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Verfahrenschritte: a) Bereitstellen eines Funktionsschichtsystems, welches zwei Elektrodenschichten (11a, 11b) und eine zwischen den Elektrodenschichten (11a, 11b) angeordnete Elektrolytschicht (11c) umfasst, wobei auf zumindest einer der Elektrodenschichten (11a) eine weitere Schicht (12, 14) aufgebrachte ist, welche mindestens einen Opfermaterialabschnitt (14) aufweist; und Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs (20), welches eine kavitätsbildende Spritzgusswerkzeugeinheit (21) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Kavität und einen in die Kavität einbringbaren, im Wesentlichen zylindrischen Spritzgusswerkzeugkern (22) umfasst, wobei die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit (21) und/oder der Spritzgusswerkzeugkern (22) mindestens eine Nut (21a) aufweist, b) Aufbringen des Funktionsschichtsystems (11) auf den Spritzgusswerkzeugkern (22) und/oder die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit (21) und Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns (22) in die Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit (21) derart, dass mindestens eine Opfermaterialabschnitt (14) eine Nut (21a) der Kavität der Spritzgusswerkzeugeinheit (21) und/oder des Spritzgusswerkzeugkerns (22) begrenzt; c) Einspritzen einer Spritzgusskomponente (13) in die mindestens eine Nut (21a); und d) Entfernen des Opfermaterials (14), insbesondere durch Erhitzen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Opfermaterial ein organisches Bindemittel oder eine organisches Bindemittelgemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei Verfahrensschritt d) durch einen Sinterprozess erfolgt, insbesondere wobei die Materialien des Funktionsschichtsystems (11) und der Trägerrippenabschnitte (12) sowie die Spritzgusskomponente (13) gleichzeitig gesintert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in Verfahrensschritt a) das Funktionsschichtsystem (11) durch Drucken, insbesondere Siebdruck, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Trägerrippenabschnitte (12) und die Spritzgusskomponente (13) mindestens ein keramisches Material, insbesondere die gleichen keramischen Materialien umfassen.