DE102013225559A1

DE102013225559A1 - Gewickelte Festoxidzelle

Info

Publication number: DE102013225559A1
Application number: DE102013225559.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulze; Birgit Thoben
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festoxidzelle (10), insbesondere Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle. Um eine kompakte und kostengünstige Zelle mit hoher Leistungsdichte zur Verfügung zu stellen, umfasst die Zelle (10) einen porösen Metallträger (11), auf dem (11) ein Funktionsschichtsystem aus einer Anode (12), einer Kathode (13) und einem zwischen der Anode (12) und der Kathode (13) angeordneten Elektrolyten (14) ausgebildet ist, wobei die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) zu einem Wickel (11–14) gewickelt ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren hiefür sowie ein Energiesystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festoxidzelle, insbesondere eine Brennstoffzelle und/oder eine Elektrolysezelle und/oder eine Metall-Luft-Zelle, sowie ein Herstellungsverfahren und Energiesystem.
Stand der Technik
Festoxidbrennstoffzellen (Englisch: Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)), welche auch als Hochtemperaturbrennstoffzellen bezeichnet werden, werden planar oder tubular hergestellt. Dabei werden wiederum verschiedene Zelltypen im Hinblick auf ihr Trägermaterial unterschieden.
Die Druckschrift WO 03/036746 A2 beschreibt eine durch Foliengießen hergestellte Festoxidbrennstoffzelle.
Die Druckschrift DE 103 25 862 A1 beschreibt eine Festoxidbrennstoffzelle mit einem metallischen Trägersubstrat.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Festoxidzelle. Beispielsweise kann die Festoxidzelle eine (Festoxid-)Brennstoffzelle (SOFC) und/oder eine (Festoxid-)Elektrolysezelle (SOEC) und/oder eine (Festoxid-)Metall-Luft-Zelle sein.
Dabei umfasst die Zelle insbesondere einen porösen Metallträger, auf dem ein Funktionsschichtsystem ausgebildet ist, welches eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten, umfasst. Die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung, insbesondere aus dem porösen Metallträger mit dem darauf ausgebildeten Funktionsschichtsystem, ist dabei zu einem Wickel gewickelt.
Die Verwendung eines porösen Metallträgers bietet vorteilhafterweise die Möglichkeit das Funktionsschichtsystem über das Material des Metallträgers elektrisch zu kontaktieren und so den Aufbau zu vereinfachen. Zudem können poröse Metallträger sehr kostengünstig sein. Darüber hinaus stabilisiert der poröse Metallträger das Funktionsschichtsystem, was es vorteilhafterweise ermöglicht die Schichten des Funktionsschichtsystems, insbesondere die Elektrolytschicht, sehr dünn auszugestalten und dadurch – sehr einfach und mit nur wenig Aufwand an kostenintensiven Materialien – einen geringen Innenwiderstand und damit eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Zudem können poröse Metallträger mit einer vergleichsweise hohen Porosität hergestellt werden, was es vorteilhafterweise ermöglich eine hohe Gasdurchströmung und damit eine hohe Leistungsdichte der Zelle zu erzielen.
Vor allem erlaubt der poröse Metallträger vorteilhafterweise eine große Gestaltungsfreiheit für den Aufbau der Festoxidzelle und insbesondere eine Ausgestaltung der Festoxidzelle in Form eines Wickels. Durch den porösen Metallträger und die Ausgestaltung in Form eines Wickels kann wiederum vorteilhafterweise ein relativ große Zellfläche auf einem relativ engen Raum realisiert und damit eine kompakte Form erzielt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass eine derartige Zelle leicht in Massenproduktion mit sehr günstigen Produktionsverfahren bereitgestellt werden kann.
Insgesamt kann so vorteilhafterweise eine kompakte und kostengünstige Festoxidzelle mit hoher Leistungsdichte zur Verfügung gestellt werden.
Der Elektrolyt kann insbesondere Sauerstoffionen leitend sein. Insbesondere kann der Elektrolyt ein Festkörperelektrolyt sein. Zum Beispiel kann der Elektrolyt dotiertes Zirkoniumoxid, beispielsweise Yttrium-dotiertes Zirkoniumoxid (YSZ), oder ein sonstiges Elektrolytmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Die Anode kann zum Beispiel eine Mischung von Nickel mit dotiertem Zirkoniumoxid, beispielsweise Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ), und/oder mit einem sonstigen Elektrolytmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Die Kathode kann zum Beispiel Lanthanstrontiumcobalteisenoxid (LSCF) und/oder Lanthanstrontiummanganoxid (LSM) und/oder Lanthanstrontiumcobaltoxid (LSC) und/oder ein sonstiges Kathodenmaterial – gegebenenfalls in Mischung mit einem Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, zum Beispiel Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ), umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Insbesondere können die Anode, die Kathode und der Elektrolyt beispielsweise schichtförmig ausgebildet sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist der poröse Metallträger ein poröser Metallschaum. Insbesondere kann der poröse Metallträger ein offenporiger Metallschaum sein. Beispielsweise kann der Metallschaum ein poröser, insbesondere offenporiger, Metallschaum, mit einer Porosität von ≥ 20 Vol.-%, zum Beispiel von ≥ 50 Vol.-%, sein. Metallschäume können vorteilhafterweise sehr kostengünstig hergestellt werden.
Zudem können Metallschäume, insbesondere kostengünstig, sogar mit einer Porosität von ≥ 80 Vol.-%, beispielsweise von ≥ 90 Vol.-%, zum Beispiel mit etwa 92 Vol.-%, hergestellt werden. Insbesondere kann daher der poröse Metallträger ein hochporöser Metallschaum sein. Dabei kann unter einem hochporösen Schaum insbesondere ein Schaum mit einer Porosität von ≥ 80 Vol.-% verstanden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der poröse Metallträger ein perforiertes Blech. So können vorteilhafterweise besonders kurze und insbesondere direkte Gaswege erzielt werden. Insbesondere kann der poröse Metallträger ein laserperforiertes Blech, zum Beispiel mit hunderten oder insbesondere sogar tausenden Perforationen pro Quadratzentimeter, sein. So können vorteilhafterweise ebenfalls Porositäten von ≥ 50 Vol.-% und beispielsweise von ≥ 80 Vol.-%, gegebenenfalls sogar von etwa 90 Vol.-%, erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der poröse Metallträger ein Metallnetz. Metallnetze können vorteilhafterweise ebenfalls kostengünstig und mit einer sehr hohen Porosität, beispielsweise von ≥ 80 Vol.-%, bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der poröse Metallträger eine Porosität von ≥ 80 Vol.-% auf. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Gasdurchströmung erzielt und damit die Leistungsdichte der Zelle optmiert werden. Gegebenenfalls kann der poröse Metallträger sogar eine Porosität von ≥ 90 Vol.-% aufweisen.
Der poröse Metallträger kann insbesondere flächig ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Wickel ein Doppelwickel. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Fläche auf geringem Raum realisiert werden. Zudem können so vorteilhafterweise zwei Gasräume auf einfach Weise voneinander getrennt werden. Gegebenenfalls kann der Wickel auch ein doppelter oder mehrfacher Doppelwickel sein.
Insbesondere kann der Wickel einen inneren Anfang und ein äußeres Ende aufweisen. Im Fall eines Doppelwickels kann der Wickel insbesondere einen inneren Anfang in Form eines umgebogenen Abschnitts und zwei äußere Endabschnitte aufweisen. Dabei kann insbesondere das äußere Ende des Wickels beziehungsweise die äußeren Endabschnitte des Doppelwickels den inneren Anfang des Wickels beziehungsweise Doppelwickels zumindest teilweise überlappen und beispielsweise einfach oder mehrfach, insbesondere spiralartig, umlaufen.
Insbesondere kann die wickelförmige Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung einen ersten Gasraum von einem zweiten Gasraum trennen.
Der erste Gasraum kann beispielsweise ein Brenngasraum sein. Zum Beispiel kann der erste Gasraum mit einer Wasserstoffversorgung und/oder Wasserversorgung verbindbar oder verbunden sein.
Der zweite Gasraum kann beispielsweise ein Luft- beziehungsweise Sauerstoffraum sein. Zum Beispiel kann der zweite Gasraum mit einer Luft- beziehungsweise Sauerstoffversorgung verbindbar oder verbunden sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung um eine (Wickel-)Achse umgebogen. Dabei sind zwei von der Umbiegung ausgehende Abschnitte der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung beabstandet voneinander, insbesondere im Wesentlichen parallel zueinander, um die (Wickel-)Achse gewickelt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Doppelwickel ausgebildet sein.
Beispielsweise kann dabei der erste Gasraum durch die Innenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch die Außenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein. Zum Beispiel kann dabei der erste Gasraum durch voneinander beabstandete, insbesondere zueinander im Wesentlichen parallele, Abschnitte der Innenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch voneinander beabstandete, insbesondere zueinander im Wesentlichen parallele, Abschnitte der Außenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein.
Der erste Gasraum kann jedoch auch durch die Außenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch die Innenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein. Zum Beispiel kann dabei der erste Gasraum durch voneinander beabstandete, insbesondere zueinander im Wesentlichen parallele, Abschnitte der Außenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch voneinander beabstandete, insbesondere zueinander im Wesentlichen parallele, Abschnitte der Innenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Zelle eine in den ersten Gasraum mündende erste Gasleitung auf. Die erste Gasleitung kann beispielsweise rohrförmig ausgestaltet sein. Insbesondere kann dabei die erste Gasleitung in Richtung einer zur (Wickel-)Achse (Z) parallelen Achse oder in Richtung der (Wickel-)Achse (Z) in den ersten Gasraum münden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Zelle eine weitere erste Gasleitung auf, in welche der erste Gasraum mündet. Der erste Gasraum kann dabei am, insbesondere äußeren, Ende des Wickels in die weitere erste Gasleitung münden. Insbesondere kann dabei der erste Gasraum in Wickelrichtung des Wickels in die weitere erste Gasleitung münden.
Die erste Gasleitung kann dabei als Gaszufuhr und die weitere erste Gasleitung als Gasabfuhr, oder umgekehrt die erste Gasleitung als Gasabfuhr und die weitere erste Gasleitung als Gaszufuhr, insbesondere für den ersten Gasraum, dienen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Zelle eine in den zweiten Gasraum mündende zweite Gasleitung auf. Die zweite Gasleitung kann beispielsweise rohrförmig ausgestaltet sein. Insbesondere kann dabei die zweite Gasleitung oder in Richtung der (Wickel-)Achse (Z) oder in Richtung einer zur (Wickel-)Achse (Z) parallelen Achse in den zweiten Gasraum münden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Zelle eine weitere zweite Gasleitung auf, in welche der zweite Gasraum mündet. Der zweite Gasraum kann dabei am, insbesondere äußeren, Ende des Wickels in die weitere zweite Gasleitung münden. Insbesondere kann dabei der zweite Gasraum in Wickelrichtung des Wickels in die weitere zweite Gasleitung münden.
Die zweite Gasleitung kann dabei als Gaszufuhr und die weitere zweite Gasleitung als Gasabfuhr, oder umgekehrt die zweite Gasleitung als Gasabfuhr und die weitere zweite Gasleitung als Gaszufuhr, insbesondere für den zweiten Gasraum, dienen.
Die erste Gasleitung und die zweite Gasleitung können sowohl auf der gleichen Seite, beispielsweise Axialseite, des Wickels, als auch auf unterschiedlichen, zum Beispiel gegenüberliegenden Seiten, beispielsweise Axialseiten, des Wickels in den ersten Gasraum beziehungsweise in den zweiten Gasraum münden. Insbesondere können die erste Gasleitung und die zweite Gasleitung auf der gleichen Seite, insbesondere Axialseite, des Wickels in den ersten Gasraum beziehungsweise zweiten Gasraum münden.
Die weitere erste Gasleitung und die weitere zweite Gasleitung können beispielsweise lateral am, insbesondere äußeren, Ende des Wickels in den ersten Gasraum beziehungsweise in den zweiten Gasraum münden.
Im Rahmen einer Ausführungsform grenzt der poröse Metallträger, beispielsweise Metallschaum, an den ersten Gasraum an. An dem porösen Metallträger kann dabei die Anode des Funktionsschichtsystems anliegen beziehungsweise darauf aufgebracht sein. Die Kathode, insbesondere des Funktionsschichtsystems, kann dabei an den zweiten Gasraum angrenzen. Die Kathode kann insbesondere auf der vom porösen Metallträger, beispielsweise Metallschaum, abgewandten beziehungsweise auf der frei zugänglichen Seite des Funktionsschichtsystems angeordnet sein. Insbesondere kann der erste Gasraum dabei durch zwei Metallträgerabschnitte, beispielsweise Metallschaumabschnitte, der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch zwei Kathodenabschnitte der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein.
Der poröse Metallträger kann im Rahmen dieser Ausführungsform insbesondere aus Nickel ausgebildet sein. Nickel ist vorteilhafterweise unter reduzierender Atmosphären, wie Brenngasatmosphären, stabil und weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem ist Nickel ein vergleichsweise kostengünstiges Material. Darüber hinaus können aus Nickel vorteilhafterweise sehr poröse und insbesondere auch flexible Metallschäume, perforierte Bleche und Netze hergestellt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist daher der poröse Metallträger aus Nickel ausgebildet. Beispielsweise kann der poröse Metallträger ein Nickelschaum oder ein perforiertes Nickelblech oder ein Nickelnetz sein. Insbesondere kann der poröse Metallträger ein Nickelschaum sein. So kann vorteilhafterweise der poröse Metallträger besonders kostengünstig, insbesondere mit einer hohen Porosität und/oder Händelbarkeit, bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform grenzt die Anode an den ersten Gasraum an. Der poröse Metallträger kann dabei insbesondere an dem zweiten Gasraum angrenzen. An dem porösen Metallträger kann dabei die Kathode des Funktionsschichtsystems anliegen beziehungsweise darauf aufgebracht sein. Insbesondere kann dabei der erste Gasraum durch zwei Anodenabschnitte der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung und der zweite Gasraum durch zwei Metallträgerabschnitte, beispielsweise Metallschaumabschnitte, der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung begrenzt sein.
Der poröse Metallträger kann im Rahmen dieser Ausführungsform insbesondere mit einer Schutzschicht versehen, beispielsweise überzogen, sein. So kann der poröse Metallträger vorteilhafterweise vor einer oxidativen Atmosphäre geschützt werden. Beispielsweise kann dabei der poröse Metallträger aus einem chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl, zum Beispiel Crofer, ausgebildet sein. Chromhaltige Eisenmaterialien sind vorteilhafterweise unter oxidierender Atmosphäre, wie Luftatmosphäre, stabil und weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Zudem sind derartige Materialien vergleichsweise kostengünstig und können zu flexiblen Metallschäumen, perforierten Bleche und Netzen verarbeitet werden. Dabei kann die Schutzschicht insbesondere auch als Schutzschicht gegen eine Chromemission dienen. Die Schutzschicht kann insbesondere ein Kathodenmaterial, beispielsweise Lanthanstrontiumcobalteisenoxid (LSCF) und/oder Lanthanstrontiummanganoxid (LSM) und/oder Lanthanstrontiumcobaltoxid (LSC), umfassen oder daraus ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise ein unter oxidativer Atmosphäre stabiler, poröse Metallträger kostengünstig bereitgestellt und zudem die Kathode vor einer Chromvergiftung geschützt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist daher der poröse Metallträger aus einem chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl, zum Beispiel Crofer, ausgebildet. Beispielsweise kann der poröse Metallträger ein Schaum oder ein perforiertes Blech oder ein Netz aus einem chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl, zum Beispiel Crofer, sein. Insbesondere kann der poröse Metallträger dabei ein Schaum aus einem chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl, zum Beispiel Crofer, sein. So kann vorteilhafterweise der poröse Metallträger besonders kostengünstig, insbesondere mit einer hohen Porosität und/oder Händelbarkeit, bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer weiteren zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform ist der poröse Metallträger mit einer Schutzschicht versehen. Insbesondere kann der poröse Metallträger mit einer Schutzschicht überzogen sein. Die Schutzschicht kann insbesondere ein Kathodenmaterial, beispielsweise Lanthanstrontiumcobalteisenoxid (LSCF) und/oder Lanthanstrontiummanganoxid (LSM) und/oder Lanthanstrontiumcobaltoxid (LSC), umfassen oder daraus ausgebildet sein. So kann die Schutzschicht als Chromfänger dienen und eine lange Lebensdauer der Zelle erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Wickel axial durch Bauteile verschlossen. Auf diese Weise können der erste Gasraum und der zweite Gasraum der Zelle vorteilhafterweise axial begrenzt werden. Die axialen Bauteile können dabei insbesondere elektrisch leitend und/oder aus einem metallischen Material ausgebildet sein.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist mindestens eine Axialseite des Wickels durch einen, beispielsweise plattenförmigen, Deckel verschlossen. Der Deckel kann dabei insbesondere auch als Boden dienen. Insbesondere können beide Axialseiten des Wickels durch, beispielsweise plattenförmige, Deckel, insbesondere von denen einer auch als Boden dienen kann, verschlossen sein. Die Deckel können dabei auch insbesondere elektrisch leitend und/oder aus einem metallischen Material ausgebildet sein.
Die Gasabfuhr und/oder Gaszufuhr kann vorteilhafterweise zumindest zum Teil über die axialen Bauteile, beispielsweise Deckel, erfolgen. Insbesondere kann die erste Gasleitung und/oder die zweite Gasleitung durch ein axiales Bauteil, beispielsweise einen Deckel/Boden, hindurchgeführt beziehungsweise darin ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise die Gaszufuhr und/oder Gasabfuhr auf einfache Weise realisiert werden.
Dabei kann die erste Gasleitung durch ein axiales Bauteil, beispielsweise einen Deckel/Boden, und die zweite Gasleitung durch das andere axiale Bauteil, beispielsweise den anderen Deckel/Boden, hindurchgeführt beziehungsweise darin ausgebildet sein. Dies hat sich insbesondere im Hinblick auf die elektrische Kontaktierung des Funktionsschichtsystems als vorteilhaft erwiesen.
Es ist jedoch auch möglich die erste Gasleitung und die zweite Gasleitung durch das gleiche axiale Bauteil, beispielsweise den gleichen Deckel/Boden, hindurch zu führen beziehungsweise darin auszubilden. So kann die Zelle vorteilhafterweise besonders bauraumsparend ausgestaltet werden. Das andere axiale Bauteil kann dabei beispielsweise als Gehäusegrundkörper mit einem Innenraum zur Aufnahme des Wickels ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Funktionsschichtsystem über mindestens ein axiales Bauteil, beispielsweise über die axialen Bauteile, elektrisch kontaktierbar oder elektrisch kontaktiert. Insbesondere kann das Funktionsschichtsystem über mindestens einen Deckel, beispielsweise über die Deckel, elektrisch kontaktierbar oder elektrisch kontaktiert sein. So kann vorteilhafterweise die elektrische Kontaktierung des Funktionsschichtsystems auf einfache Weise realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Zelle eine Hülse beziehungsweise ein Gehäuse zur Aufnahme der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung auf. Dabei können die axialen Bauteile, insbesondere Deckel, Bestandteil des Gehäuses sein. Beispielsweise kann das Gehäuse eine Hülse und zwei Deckel umfassen. Von den Deckeln kann dabei einer als Boden dienen.
Die axialen Bauteile, beispielsweise Deckel, und/oder die Hülse und gegebenenfalls das Gehäuse kann Aluminiumoxid bildenden Edelstahl umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise eine Chromverdampfung verringert und eine Vergiftung der Kathode durch Chrom so gering wie möglich gehalten oder sogar vermieden werden.
Zur elektrischen Kontaktierung kann mindestens ein axiales Bauteil beziehungsweise können gegebenenfalls beide axialen Bauteile zusätzlich, beispielsweise zum Aluminiumoxid bildenden Edelstahl, ein elektrisch leitendes Material, insbesondere mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Aluminiumoxid bildender Edelstahl, umfassen beziehungsweise damit ausgestattet sein. Zum Beispiel kann hierbei als elektrisch leitendes Material ein chromhaltiges Eisenmaterial, beispielsweise ein chromhaltiger Stahl, zum Beispiel Crofer, verwendet werden. Dabei können vorteilhafterweise (nur) die zur elektrischen Kontaktierung erforderlichen Bereiche mit dem elektrisch leitenden Material versehen werden. So können vorteilhafterweise potentiell Chrom emittierende Fläche minimiert und insbesondere – verglichen mit Interkonnektoren in der planaren Bauweise eines Stacks – deutlich verringert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der poröse Metallträger, beispielsweise Metallschaum, an einer an ein axiales Bauteil, insbesondere einen Deckel/Boden, angrenzenden Fläche, insbesondere an einer Axialseite des Wickels, mit einer Isolationsschicht versehen. Die Kathode beziehungsweise Anode kann dabei an einer an ein anderes axiales Bauteil, insbesondere einen anderen Deckel/Boden, angrenzenden Fläche, insbesondere an der anderen Axialseite des Wickels, mit einer Isolationsschicht versehen sein. So kann vorteilhafterweise die elektrische Kontaktierung des Funktionsschichtsystems auf besonders einfache Weise realisiert werden. Die Isolationsschicht/en können beispielsweise aus Elektrolytmaterial, zum Beispiel dotiertem Zirkoniumoxid, wie Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ), ausgebildet sein.
Über die Isolationsschichten, insbesondere aus Elektrolytmaterial, kann der Wickel vorteilhafterweise, zum Beispiel mittels Glas oder eines keramischen Materials, mit den axialen Bauteilen, beispielsweise Deckeln, verbunden sein. So kann vorteilhafterweise eine gute Gastrennung erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist in die axialen Bauteile, beispielsweise Deckel/Boden, (jeweils) eine spiralförmige Struktur zur Stabilisierung des Wickels eingearbeitet. Insbesondere kann die spiralförmige Struktur (jeweils) in die Innenseite des axialen Bauteils, beispielsweise Deckel/Boden, eingearbeitet sein. Beispielsweise kann die spiralförmige Struktur in Form einer spiralförmigen Aussparung beziehungsweise Vertiefung ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die spiralförmige Struktur eingeprägt, beispielsweise vorgeprägt, sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Festoxidzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxidzelle, beispielsweise einer (Festoxid-)Brennstoffzelle (SOFC) und/oder einer (Festoxid-)Elektrolysezelle (SOEC) und/oder einer (Festoxid-)Metall-Luft-Zelle. Insbesondere kann durch das Verfahren eine erfindungsgemäße Festoxidzelle hergestellt werden.
Das Verfahren umfasst insbesondere den Verfahrensschritt a): Bereitstellen, beispielsweise Auslegen, eines flexiblen, porösen Metallträgers, beispielsweise eines Metallschaums oder eines perforierten Blechs oder eines Metallnetzes. Zum Beispiel kann der poröse Metallträger ein Schaum oder ein perforiertes Blech oder ein Netz aus Nickel oder einem chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl, sein.
In einem Verfahrensschritt b) wird auf dem porösen Metallträger, beispielsweise Metallschaum, ein Funktionsschichtsystem ausgebildet. Der poröse Metallträger, beispielsweise Metallschaum, dient dabei als Träger und kann insbesondere mit dem Funktionsschichtsystem beschichtet werden. Das Funktionsschichtsystem kann insbesondere eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten, insbesondere Sauerstoffionen leitenden, Elektrolyten, beispielsweise Festkörperelektrolyten, aufweisen.
In einem Verfahrensschritt c) wird die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung, insbesondere aus Verfahrensschritt b), zu einem Wickel gewickelt. So kann vorteilhafterweise eine kompakte Form erzielt werden. Der Wickel kann dabei insbesondere ein Doppelwickel sein. Gegebenenfalls kann dabei der Wickel als doppelter oder mehrfacher Doppelwickel sein. Das Wickeln in Verfahrenschritt c) kann dabei im Rahmen einer Ausgestaltung im Grünzustand (ungesintert) erfolgen.
In einem Verfahrensschritt d) kann dann die gewickelte Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung, insbesondere aus Verfahrensschritt c), gesintert werden. Dabei können insbesondere die Funktionsschichten des Funktionsschichtsystems (Anode, Elektrolyt und Kathode) gesintert, insbesondere co-gesintert, werden.
Nach dem Sintern kann die Zelle dann in eine Hülse beziehungsweise in ein Gehäuse eingebracht werden.
Weiterhin kann das Verfahren daher einen Verfahrensschritt e) umfassen, in dem die gesinterte Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung in einer Hülse beziehungsweise in einem Gehäuse eingebaut wird. Beispielsweise kann dabei eine Hülse übergestülpt und/oder ein oder zwei Deckel, insbesondere auf die Axialseiten des Wickels, aufgelegt werden.
Weiterhin kann das Verfahren einen Verfahrensschritt f) umfassen, in dem elektrische Kontaktierungen und/oder Gasleitungen, insbesondere Gaszufuhr und Gasabfuhr, montiert werden. Insofern die elektrische Kontaktierung über den oder die Deckel und/oder die Hülse erfolgt, kann Verfahrensschritt f) vorteilhafterweise zumindest teilweise bereits im Zuge des Verfahrenschrittes e) erfolgen.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst Verfahrensschritt b) den Verfahrensschritt b1): Aufbringen einer Anode beziehungsweise einer Kathode auf den porösen Metallträger, beispielsweise Metallschaum. Das Aufbringen der Anode beziehungsweise Kathode auf den porösen Metallträger kann dabei beispielsweise durch Aufdrucken, beispielsweise mittels Siebdruck, und/oder durch Infiltrieren des Metallträgers, beispielsweise Metallschaums, mit Anodenmaterial beziehungsweise Kathodenmaterial erfolgen.
Dabei kann zur Ausbildung der Anode zum Beispiel eine Paste aus Nickel und einem Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, zum Beispiel Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ), oder auch eine Mischung mit einem anderen Elektrolyten verwendet werden.
Dabei kann zur Ausbildung der Kathode zum Beispiel eine Paste verwendet werden, welche Lanthanstrontiumcobalteisenoxid (LSCF) und/oder Lanthanstrontiummanganoxid (LSM) und/oder Lanthanstrontiumcobaltoxid (LSC) und/oder ein sonstiges Kathodenmaterial – gegebenenfalls in Mischung mit einem Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, zum Beispiel Yttrium-dotiertem Zirkoniumoxid (YSZ), umfasst
Weiterhin kann Verfahrensschritt b) die Verfahrensschritte b2a): Aufbringen eines Elektrolyten auf die Anode beziehungsweise und b2b) Aufbringen einer Kathode beziehungsweise Anode auf den Elektrolyten umfassen. Das Aufbringen des Elektrolyten auf die Anode beziehungsweise Kathode, insbesondere in Verfahrensschritt b2a) und/oder das Aufbringen der Kathode beziehungsweise Anode auf den Elektrolyten, insbesondere in Verfahrensschritt b2b) kann dabei beispielsweise durch Aufdrucken, beispielsweise mittels Siebdruck, erfolgen.
Anstelle der Verfahrensschritt b2a) und b2b) kann Verfahrensschritt b) des Verfahrens jedoch auch den Verfahrensschritt b2’): Aufbringen einer Elektrolyt-Kathoden-Anordnung auf die Anode beziehungsweise einer Elektrolyt-Anoden-Anordnung auf die Kathode, umfassen. Dabei kann insbesondere der Elektrolyt, auf die Anode des mit der Anode versehenen, beispielsweise bedruckten, Metallträgers, beziehungsweise die Elektrolyt-Anoden-Anordnung auf die Kathode des mit der Kathode versehenen, beispielsweise bedruckten, Metallträgers, insbesondere aus Verfahrensschritt b1), aufgelegt werden. Dabei kann gegebenenfalls ein vorgesinterter Elektrolyt verwendet werden, welcher mit einer Kathode beziehungsweise Anode beschichtet, beispielsweise bedruckt, ist oder wird. Dies hat den Vorteil, dass das Sintern in Verfahrensschritt bei einer niedrigeren Temperatur, zum Beispiel von etwa 1100 °C, durchgeführt werden kann, was sich vorteilhaft auf die Kathode auswirken kann.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Festoxidzelle und dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Energiesystem, welches mindestens eine erfindungsgemäße und/oder erfindungsgemäß hergestellte Festoxidzelle, beispielsweise (Festoxid-)Brennstoffzelle und/oder (Festoxid-)Elektrolysezelle und/oder (Festoxid-)Metall-Luft-Zelle, umfasst. Insbesondere kann das Energiesystem mindestens zwei erfindungsgemäße und/oder erfindungsgemäß hergestellte Festoxidzellen umfassen.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Energiesystem (mindestens) eine erste, erfindungsgemäße und/oder erfindungsgemäß hergestellte Festoxidzelle und (mindestens) eine zweite, erfindungsgemäße und/oder erfindungsgemäß hergestellte Festoxidzelle.
Insbesondere kann dabei der erste Gasraum der ersten Festoxidzelle, beispielsweise direkt oder indirekt, in den ersten Gasraum der zweiten Festoxidzelle und/oder der zweite Gasraum der ersten Festoxidzelle, beispielsweise direkt oder indirekt, in den zweiten Gasraum der zweiten Festoxidzelle münden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung weist die zweite Festoxidzelle eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung beziehungsweise ein Funktionsschichtsystem mit einer zu einer/der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung beziehungsweise einem/dem Funktionsschichtsystem der ersten Festoxidzelle entgegen gesetzten Umbiegungsrichtung/Umbiegung und/oder umgekehrten Schichtabfolge auf. So können die Gasräume der ersten und zweiten Festoxidzelle vorteilhafterweise besonders einfach aneinander angeschlossen werden und ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden.
Im Hinblick auf entgegen gesetzte Umbiegungsrichtung/Umbiegung, kann beispielsweise die erste Festoxidzelle eine, insbesondere um eine (Wickel-)Achse (Z), umgebogene Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung aufweisen, bei der der poröse Metallträger der ersten Festoxidzelle die Außenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der ersten Festoxidzelle bildet, wobei die zweite Festoxidzelle eine, insbesondere um eine (andere) (Wickel-)Achse (Z’), umgebogene Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung aufweist, bei der der poröse Metallträger der zweiten Festoxidzelle die Innenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der zweiten Festoxidzelle bildet, oder umgekehrt dazu, kann beispielsweise die erste Festoxidzelle eine, insbesondere um eine (Wickel-)Achse (Z), umgebogene Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung aufweisen, bei der der poröse Metallträger der ersten Festoxidzelle die Innenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der ersten Festoxidzelle bildet, wobei die zweite Festoxidzelle eine, insbesondere um eine (andere) (Wickel-)Achse (Z’), umgebogene Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung aufweist, bei der der poröse Metallträger der zweiten Festoxidzelle die Außenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der zweiten Festoxidzelle bildet.
Die Schichtabfolgen der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnungen beziehungsweise Funktionsschichtsysteme der ersten und zweiten Festoxidzelle können beispielsweise im Hinblick auf die Abfolge Funktionsschichtsystem-Metallträger beziehungsweise Metallträger-Funktionsschichtsystem umgekehrt sein.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung weist die zweite Festoxidzelle eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung mit einer zu einer/der Wickelrichtung (W) einer/der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der ersten Festoxidzelle gegenläufigen Wickelrichtung (W’) auf. Dies bietet eine weitere Möglichkeit einen besonders kompakten Aufbau zu realisieren und die Gasräume der ersten und zweiten Festoxidzelle auf verschiedene Weisen aneinander anzuschließen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung mündet ein/der erste/r Gasraum der ersten Festoxidzelle direkt in einen/den ersten Gasraum der zweiten Festoxidzelle und/oder mündet ein/der zweite/r Gasraum der ersten Festoxidzelle direkt in einen/den zweiten Gasraum der zweiten Festoxidzelle.
Beispielsweise können dafür Gasauslassöffnungen der Zellen, beispielsweise direkt, aneinander angelegt werden. Dies kann auf besonders einfache Weise bei Festoxidzellen mit umgekehrter Schichtabfolge beziehungsweise entgegen gesetzter Umbiegungsrichtung realisiert werden.
Es ist jedoch ebenso möglich, hierfür die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der ersten Festoxidzelle und die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung der zweiten Festoxidzelle einteilig auszubilden und/oder stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Dies kann insbesondere bei Festoxidzellen mit gegenläufiger Wickelrichtung vorteilhaft sein.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung mündet der erste Gasraum der ersten Festoxidzelle indirekt, beispielsweise über eine Gasleitung, zum Beispiel eine weitere, erste Gasleitung, in den ersten Gasraum der zweiten Festoxidzelle und/oder der zweite Gasraum der ersten Festoxidzelle indirekt, beispielsweise über eine Gasleitung, zum Beispiel eine weitere, zweite Gasleitung, in den zweiten Gasraum der zweiten Festoxidzelle. Dies kann sowohl bei Festoxidzellen mit umgekehrter Schichtabfolge beziehungsweise entgegen gesetzter Umbiegungsrichtung als auch bei Festoxidzellen mit gegenläufiger Wickelrichtung vorteilhaft sein.
Das Energiesystem kann insbesondere ein Energiewandler- und/oder Energiespeicher-System, zum Beispiel zur Wandlung und/oder Speicherung von erneuerbaren Energien, sein. Beispielsweise kann das Energiesystem eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK), beispielsweise eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (μKWK), sein.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Festoxidzelle und 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
1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Festoxidzelle;
2 einen vergrößerten schematischen Ausschnitt aus 1;
3 eine schematische Seitenansicht der in 1 und 2 gezeigten Festoxidzelle;
4 einen schematischen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnitts durch die in 1 bis 3 gezeigte Festoxidzelle;
5 eine schematische Seitenansicht auf den Metallschaum der in den 1 bis 4 gezeigten Festoxidzelle;
6 eine schematische Seitenansicht auf die Kathode der in den 1 bis 5 gezeigten Festoxidzelle;
7 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems mit zwei Festoxidzellen, welche sich in ihrer Umbiegungsrichtung beziehungsweise Schichtabfolge unterscheiden; und
8 eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems mit zwei Festoxidzellen, welche sich in ihrer Wickelrichtung unterscheiden.
1 zeigt, dass die Festoxidzelle 10 einen porösen Metallträger 11, beispielsweise einen Metallschaum oder ein perforiertes Blech oder ein Metallnetz, umfasst, auf dem ein Funktionsschichtsystem ausgebildet ist, welches eine Anode 12, eine Kathode 13 und einen zwischen der Anode 12 und der Kathode 13 angeordneten Elektrolyten 14 umfasst.
2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht des zentralen Bereiches in 1.
1 und 2 veranschaulichen, dass die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 zu einem Wickel gewickelt ist und dass dabei der Metallschaum 11 an einen ersten Gasraum 15, beispielsweise einen Brenngasraum, und die Kathode 13 an einen zweiten, vom ersten Gasraum 15 getrennten Gasraum 16, beispielsweise einen Luft- beziehungsweise Sauerstoffraum, angrenzt.
1 illustriert, dass der Wickel 11–14 ein Doppelwickel ist. Dabei ist die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 um eine (Wickel-)Achse Z umgebogen, wobei zwei von der Umbiegung ausgehende Abschnitte A,B der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 beabstandet voneinander und beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander um die (Wickel-)Achse Z gewickelt sind. Der erste Gasraum 15 ist dabei durch die Außenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 und der zweite Gasraum 16 durch die Innenseite der umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 begrenzt.
1 deutet an, dass in Richtung einer zu der (Wickel-)Achse Z parallelen Achse eine erste Gasleitung 17 in den ersten Gasraum 15 mündet, wobei der erste Gasraum 15 am, insbesondere äußeren, Ende des Wickels 11–14, insbesondere in Wickelrichtung W des Wickels 11–14, in eine weitere erste Gasleitung 19 mündet. Dabei bilden die erste Gasleitung 17, der erste Gasraum 15 und die weitere erste Gasleitung 19 einen Brennstoffpfad.
1 deutet weiterhin an, dass in Richtung der (Wickel-)Achse Z eine zweite Gasleitung 18 in den zweiten Gasraum 16 mündet, wobei der zweite Gasraum 16 am, insbesondere äußeren, Ende des Wickels 11–14, insbesondere in Wickelrichtung W des Wickels 11–14, in eine weitere zweite Gasleitung 20 mündet. Dabei bilden die zweite Gasleitung 18, der zweite Gasraum 16 und die weitere zweite Gasleitung 20 einen Luftpfad.
1 zeigt weiterhin, dass über die Zelle 10 eine Hülse 21 zur Aufnahme der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 gestülpt ist.
3 zeigt, dass die Zelle 10 zwei Deckel 22, 23, insbesondere einen unteren Deckel (Boden) 22 und einen oberen Deckel (Deckel) 23 umfasst, durch welche 22, 23 die beiden Axialseiten des Wickels 11–14 von unten 22 und von oben 23 verschlossen sind. 3 deutet weiterhin an, dass in die Deckel 22, 23, jeweils eine spiralförmige Struktur 26, 27 zur Stabilisierung des Wickels 11–14 eingearbeitet ist. Insbesondere können die spiralförmigen Strukturen 26, 27 jeweils in Form einer spiralförmigen Vertiefung beziehungsweise Aussparung in der Innenseite des Deckels 22, 23 eingearbeitet sein.
Die 3 und 5 veranschaulichen, dass der poröse Metallträger 11 an einer an den Boden 22 angrenzenden Fläche mit einer Isolationsschicht 24, beispielsweise aus Elektrolytmaterial, versehen ist, hingegen den Deckel 23 direkt kontaktiert.
Die 3 und 6 illustrieren, dass dabei die Kathode 13 an einer an den Deckel 23 angrenzenden Fläche mit einer Isolationsschicht 25, beispielsweise aus Elektrolytmaterial, versehen ist, hingegen den Boden 22 direkt kontaktiert.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise den porösen Metallträger 11 und damit die Anode 12 über den Deckel 23 und die Kathode 13 über den Boden 22 elektrisch zu kontaktieren. Zudem können die Isolationsschichten 24, 25, beispielsweise mittels Glas oder einem keramischen Material, mit dem Boden 22 und Deckel 23 verbunden und die Gasräume 15, 16 getrennt werden.
3 veranschaulicht weiterhin, dass die Gasabfuhr und/oder Gaszufuhr teilweise über, durch den Boden 22 beziehungsweise Deckel 23 an der Unter- und Oberseite des Wickels 11–14 durchgeführte Gasleitungen 17, 18 und teilweise über am seitlichen Ende des Wickels 11–14 lateral eingeführte Gasleitungen 19, 20 realisiert werden kann.
Im Rahmen der in 3 gezeigten Ausführungsform wird eine Gasleitung 17 von unten durch den Boden 22 und eine Gasleitung 18 von oben durch den Deckel 23 geführt. Alternativ können die Gasleitung 17, 18 jedoch auch beide in dem Deckel 23 oder beide in dem Boden 22 ausgebildet sein.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Querschnitts durch den porösen Metallträger 11 und das Funktionssystem 12, 13, 14. 4 veranschaulicht, dass im Rahmen der darin gezeigten Ausführungsform die Anode 12 auf dem porösen Metallträger 11 aufgebracht ist, wobei auf die Anode 12 der Elektrolyt 14 und auf den Elektrolyten 14 wiederum die Kathode 13 aufgebracht ist. Der poröse Metallträger 11 kann dabei insbesondere aus Nickel ausgebildet sein. Alternativ dazu, ist es auch möglich, die Kathode auf den porösen Metallträger und auf die Kathode den Elektrolyten und auf den Elektrolyten wiederum die Anode aufzubringen (nicht dargestellt). Der poröse Metallträger kann dabei jedoch insbesondere aus chromhaltigen Eisenmaterial, beispielsweise Crofer, ausgebildet sein.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems, welches eine erste 10 und eine zweite 10’ Festoxidzelle umfasst. Dabei weist die zweite Festoxidzelle 10’ eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 13’, 14’, 12’, 11’ beziehungsweise ein Funktionsschichtsystem 13’, 14’, 12’ mit einer zu der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11, 12, 14, 13 beziehungsweise dem Funktionsschichtsystem 12, 14, 13 der ersten Festoxidzelle 10 entgegen gesetzten Umbiegungsrichtung/Umbiegung beziehungsweise mit einer dazu umgekehrten Schichtabfolge 13’, 14’, 12’, 11’ auf.
7 veranschaulicht, dass bei der ersten Festoxidzelle 10, ebenso wie bei der in 1 gezeigten Festoxidzelle 10, ein erster Gasraum 15 durch die Außenseite der, um die (Wickel-)Achse Z umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11, 12, 14, 13; A, B und ein zweiter Gasraum 16 durch die Innenseite der, um die (Wickel-)Achse Z umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11, 12, 14, 13; A, B begrenzt ist, wohingegen bei der zweiten Festoxidzelle 10’, ein erster Gasraum 15’ durch die Innenseite der, um eine andere (Wickel-)Achse (Z’) umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 13’, 14’, 12’, 11’; A’, B’ und ein zweiter Gasraum 16’ durch die Außenseite der, um die andere (Wickel-)Achse (Z’) umgebogenen Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 13’, 14’, 12’, 11’; A’, B’ begrenzt ist.
7 zeigt insbesondere, dass die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11, 12, 14, 13 der ersten Festoxidzelle 10 derart um deren (Wickel-)Achse Z umgebogene ist, dass der poröse Metallträger 11 die Außenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11, 12, 14, 13 bildet, wobei die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 13’, 14’, 12’, 11’ der zweite Festoxidzelle 10’ derart um deren (Wickel-)Achse Z’ umgebogen ist, dass der poröse Metallträger 11’ die Innenseite der Umbiegung der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 13’, 14’, 12’, 11’ bildet.
7 veranschaulicht, dass dabei der erste Gasraum 15 der ersten Festoxidzelle 10 direkt in den ersten Gasraum 15’ der zweiten Festoxidzelle 10’ und der zweite Gasraum 16 der ersten Festoxidzelle 10 direkt in den zweiten Gasraum 16’ der zweiten Festoxidzelle 10’ mündet. Dabei sind die lateralen Gasauslassöffnungen der Zellen 10, 10’ aneinander angelegt.
7 veranschaulicht weiterhin, dass die erste 10 und zweite 10’ Festoxidzelle gleichläufige Wickelrichtungen W, W’ aufweisen.
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energiesystems, welches eine erste 10 und eine zweite 10’ Festoxidzelle umfasst. Dabei weist die zweite Festoxidzelle 10’ eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11’–14’ mit einer zu der Wickelrichtung W der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 der ersten Festoxidzelle 10 gegenläufigen Wickelrichtung W’ auf.
8 deutet an, dass dabei der erste Gasraum 15 der ersten Festoxidzelle 10 sowohl direkt als auch indirekt in den ersten Gasraum 15’ der zweiten Festoxidzelle 10’ und der zweite Gasraum 16 der ersten Festoxidzelle 10 sowohl direkt als auch indirekt in den zweiten Gasraum 16’ der zweiten Festoxidzelle 10’ münden kann. Dabei können die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11–14 der ersten Festoxidzelle 10 und die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung 11’–14’ der zweiten Festoxidzelle 10’ einteilig ausgebildet oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein, beispielsweise in Form eines doppelten Doppelwickels, oder der zweite Gasraum 16 der ersten Festoxidzelle 10 kann indirekt, beispielsweise über eine weitere, zweite Gasleitung (20), in den zweiten Gasraum 16’ der zweiten Festoxidzelle 10 münden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/036746 A2 [0003]
DE 10325862 A1 [0004]

Claims

Festoxidzelle (10), insbesondere Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle, umfassend einen porösen Metallträger (11), wobei auf dem porösen Metallträger (11) ein Funktionsschichtsystem, umfassend eine Anode (12), eine Kathode (13) und einen zwischen der Anode (12) und der Kathode (13) angeordneten Elektrolyten (14), ausgebildet ist, wobei die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) zu einem Wickel (11–14) gewickelt ist.
Festoxidzelle (10) nach Anspruch 1, wobei der poröse Metallträger (11) ein poröser Metallschaum oder ein perforiertes Blech oder ein Metallnetz, insbesondere ein poröser Metallschaum, ist.
Festoxidzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der poröse Metallträger (11) eine Porosität von ≥ 80 Vol.-% aufweist.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wickel (11–14) ein Doppelwickel ist.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wickelförmige Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung einen ersten Gasraum (15) von einem zweiten Gasraum (16) trennt.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) um eine Achse (Z) umgebogen ist, wobei zwei von der Umbiegung ausgehende Abschnitte (A, B) der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) beabstandet voneinander um die Achse (Z) gewickelt sind.
Festoxidzelle (10) nach Anspruch 6, wobei in Richtung einer zu der Achse (Z) parallelen Achse oder in Richtung der Achse (Z) eine erste Gasleitung (17) in den ersten Gasraum (15) mündet, wobei der erste Gasraum (15) am Ende des Wickels (11–14), insbesondere in Wickelrichtung (W) des Wickels (11–14), in eine weitere erste Gasleitung (19) mündet, und wobei in Richtung der Achse (Z) oder in Richtung einer zu der Achse (Z) parallelen Achse eine zweite Gasleitung (18) in den zweiten Gasraum (16) mündet, und wobei der zweite Gasraum (16) am Ende des Wickels (11–14), insbesondere in Wickelrichtung (W) des Wickels (11–14), in eine weitere zweite Gasleitung (20) mündet.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der poröse Metallträger (11) an den ersten Gasraum (15) angrenzt und wobei die Kathode (13) an den zweiten Gasraum (16) angrenzt, wobei der poröse Metallträger (11) aus Nickel ausgebildet ist, insbesondere wobei der erste Gasraum (15) durch zwei Metallträgerabschnitte (11) der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) und der zweite Gasraum (16) durch zwei Kathodenabschnitte (13) der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) begrenzt ist.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anode (12) an den ersten Gasraum (15) angrenzt und wobei der poröse Metallträger (11) an den zweiten Gasraum (16) angrenzt, wobei der poröse Metallträger (11) ein, insbesondere mit einer Schutzschicht versehener, Metallträger aus einem chromhaltigen Eisenmaterial ist, insbesondere wobei der erste Gasraum (15) durch zwei Anodenabschnitte (11) der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) und der zweite Gasraum (16) durch zwei Metallträgerabschnitte (13) der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) begrenzt ist.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Wickel (11–14) axial durch Bauteile (22, 23) verschlossen ist, insbesondere wobei mindestens eine Axialseite des Wickels (11–14) durch einen Deckel (22, 23) verschlossen ist.
Festoxidzelle (10) nach Anspruch 10, wobei das Funktionsschichtsystem (11–14) über mindestens ein axiales Bauteil (22, 23), insbesondere Deckel, elektrisch kontaktierbar oder elektrisch kontaktiert ist.
Festoxidzelle (10) nach Anspruch 10 oder 11, wobei in die axialen Bauteile (22, 23), insbesondere Deckel, eine spiralförmige Struktur zur Stabilisierung des Wickels (11–14) eingearbeitet ist.
Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Metallträger (11) an einer an ein axiales Bauteil (22) angrenzenden Fläche mit einer Isolationsschicht (24) versehen ist, wobei die Kathode (13) beziehungsweise Anode (12) an einer an ein anderes axiales Bauteil (23) angrenzenden Fläche mit einer Isolationsschicht (25) versehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines flexiblen, porösen Metallträgers (11), insbesondere eines porösen Metallschaums oder perforierten Blechs oder Metallnetzes, b) Ausbilden eines Funktionsschichtsystems (11–14) auf dem porösen Metallträger (11), c) Wickeln der Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) zu einem Wickel, insbesondere Doppelwickel; und d) Sintern der gewickelten Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14).
Energiesystem, umfassend mindestens eine Festoxidzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 14, insbesondere wobei das Energiesystem eine erste Festoxidzelle (10) und eine zweite Festoxidzelle (10’) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und/oder hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 14 umfasst, wobei die zweite Festoxidzelle (10’) eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (13’, 14’, 12’, 11’) beziehungsweise ein Funktionsschichtsystem (13’, 14’, 12’) mit einer zu einer Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11, 12, 14, 13) beziehungsweise einem Funktionsschichtsystem (12, 14, 13) der ersten Festoxidzelle (10) entgegen gesetzten Umbiegungsrichtung und/oder umgekehrten Schichtabfolge (13’, 14’, 12’, 11’) aufweist, oder wobei die zweite Festoxidzelle (10’) eine Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11’–14’) mit einer zu einer Wickelrichtung (W) einer Metallträger-Funktionsschichtsystem-Anordnung (11–14) der ersten Festoxidzelle (10) gegenläufigen Wickelrichtung (W’) aufweist, wobei ein erster Gasraum (15) der ersten Festoxidzelle (10) direkt oder indirekt in einen ersten Gasraum (15’) der zweiten Festoxidzelle (10’) und wobei ein zweiter Gasraum (16) der ersten Festoxidzelle (10) direkt oder indirekt in einen zweiten Gasraum (16’) der zweiten Festoxidzelle (10’) mündet.