DE102014107104A1

DE102014107104A1 - Elektrochemische Zelle und Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle

Info

Publication number: DE102014107104A1
Application number: DE102014107104.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kiefer; Felix Hauler
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: Ekpo Fuel Cell Technologies GmbH
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Um eine elektrochemische Zelle zu schaffen, welche einfach aufgebaut und zuverlässig und sicher betreibbar ist, wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Zelle eine elektrochemisch aktive Lage umfasst, welche eine Anodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst, wobei die elektrochemisch aktive Lage zumindest einseitig in einer Strömungsrichtung mit einem Reaktionsmedium überströmbar ist und wobei die elektrochemische Zelle einen längs der Strömungsrichtung variierenden Reaktionswiderstand aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, welche eine elektrochemisch aktive Lage umfasst, die eine Anodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst, wobei die elektrochemisch aktive Lage zumindest einseitig in einer Strömungsrichtung mit einem Reaktionsmedium überströmbar ist.
Derartige elektrochemische Zellen finden beispielsweise als Brennstoffzellen, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellen, oder Elektrolyseure Anwendung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, welche einfach aufgebaut und zuverlässig und sicher betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrochemische Zelle eine elektrochemisch aktive Lage umfasst, welche eine Anodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst, wobei die elektrochemisch aktive Lage zumindest einseitig in einer Strömungsrichtung mit einem Reaktionsmedium überströmbar ist und wobei die elektrochemische Zelle einen längs der Strömungsrichtung variierenden Reaktionswiderstand aufweist.
Dadurch, dass die elektrochemische Zelle erfindungsgemäß einen längs der Strömungsrichtung variierenden Reaktionswiderstand aufweist, kann die elektrochemische Zelle insbesondere eine gleichmäßige Stromdichteverteilung im Betrieb derselben aufweisen. Die elektrochemische Zelle ist hierdurch vorzugsweise einfach aufgebaut und zugleich zuverlässig und sicher betreibbar.
Unter einem Reaktionswiderstand ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein Widerstand zu verstehen, welchen zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten der elektrochemisch aktiven Lage angeordnete Reaktionsmedien zur Ermöglichung einer Reaktion der beiden Reaktionsmedien miteinander überwinden müssen.
Der Reaktionswiderstand kann dabei insbesondere der lokale Reaktionswiderstand im Bereich einer tatsächlich mit Reaktionsmedium in Kontakt kommenden Kontaktfläche und/oder einer elektrischen Kontaktfläche der elektrochemischen Zelle sein.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Reaktionswiderstand ein über eine senkrecht zur Strömungsrichtung genommene gesamte Breite der elektrochemisch aktiven Lage gemittelter Wert ist. Hierbei sind dann insbesondere mit Reaktionsmedium in Kontakt kommende und/oder elektrische Kontaktflächen und zugleich auch diejenigen Flächen berücksichtigt, welche im Betrieb der elektrochemischen Zelle nicht mit dem Reaktionsmedium in Kontakt kommen und/oder nicht elektrisch kontaktiert sind.
Der Reaktionswiderstand ist vorzugsweise abhängig von der Materialwahl der elektrochemisch aktiven Lage, insbesondere der einzelnen Schichten der elektrochemisch aktiven Lage und/oder von der geometrischen Ausgestaltung der elektrochemisch aktiven Lage, insbesondere der einzelnen Schichten der elektrochemisch aktiven Lage und/oder eines oder mehrerer Interkonnektorelemente.
Günstig kann es sein, wenn der Reaktionswiderstand längs der Strömungsrichtung abnimmt.
Durch einen längs der Strömungsrichtung abnehmenden Reaktionswiderstand ergibt sich vorzugsweise eine längs der Strömungsrichtung zunehmende Reaktionsrate der Reaktionsmedien.
Günstig kann es sein, wenn die elektrochemische Zelle zur Variation des Reaktionswiderstands längs der Strömungsrichtung gradiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Materialstärke, einer Materialdichte, einer Materialporosität, einer Materialwahl, eines flächenspezifischen Widerstands, eines elektrischen Widerstands, eines Diffusionswiderstands, einer Aktivierungspolarisation und/oder eines Polarisationswiderstands.
Unter einer Gradierung ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Variation, beispielsweise eine Abnahme oder Zunahme, insbesondere eine kontinuierliche und/oder stetige Abnahme oder Zunahme, zu verstehen, vorzugsweise längs der Strömungsrichtung über einen Teil oder eine gesamte Länge der elektrochemischen Zelle hinweg.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Anodenschicht eine Anode, eine Anodenfunktionsschicht und/oder ein Anodenkontaktelement umfasst.
Zur Variation des Reaktionswiderstands ist die Anode, die Anodenfunktionsschicht und/oder das Anodenkontaktelement vorzugsweise gradiert ausgebildet, insbesondere hinsichtlich der vorstehend mit Hinblick auf die elektrochemische Zelle genannten Optionen zur Gradierung.
Ein Anodenkontaktelement ist beispielsweise als ein Netz ausgebildet und/oder durch eine Schweißverbindung gebildet.
Günstig kann es sein, wenn die Kathodenschicht eine Kathode, eine Kathodenfunktionsschicht und/oder ein Kathodenkontaktelement umfasst.
Zur Variation des Reaktionswiderstands ist die Kathode, die Kathodenfunktionsschicht und/oder das Kathodenkontaktelement vorzugsweise gradiert ausgebildet, insbesondere hinsichtlich der vorstehend mit Hinblick auf die elektrochemische Zelle genannten Optionen zur Gradierung.
Ein Kathodenkontaktelement ist beispielsweise als eine Paste ausgebildet, welche insbesondere auf die Kathode aufbringbar oder aufgebracht ist.
Die elektrochemische Zelle umfasst vorzugsweise ferner ein oder mehrere Interkonnektorelemente.
Interkonnektorelemente sind beispielsweise Bipolarplatten, welche insbesondere zur elektrischen Verbindung von benachbarten Zellen dienen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Elektrolytschicht zur Variation des Reaktionswiderstands gradiert ausgebildet ist, insbesondere hinsichtlich der vorstehend mit Hinblick auf die elektrochemische Zelle beschriebenen Optionen zur Gradierung.
Günstig kann es sein, wenn der längs der Strömungsrichtung variierende Reaktionswiderstand derart eingestellt ist, dass zumindest näherungsweise eine längs der Strömungsrichtung im Wesentlichen konstante Reaktionsrate erhältlich ist.
Insbesondere ist eine längs der Strömungsrichtung im Wesentlichen konstante Reaktionsrate vorzugsweise trotz einer Konzentrationsabnahme und/oder Dichteabnahme der Reaktionsmedien längs der Strömungsrichtung erhältlich, welche insbesondere aus einer Reaktion der Reaktionsmedien miteinander resultiert.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der längs der Strömungsrichtung variierende Reaktionswiderstand derart eingestellt ist, dass die elektrochemisch aktive Lage im Betrieb der elektrochemischen Zelle eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichteverteilung aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Reaktionswiderstand derart eingestellt ist, dass die elektrochemisch aktive Lage im Betrieb der elektrochemischen Zelle über die gesamte Fläche der elektrochemisch aktiven Lage hinweg eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichteverteilung aufweist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die elektrochemische Zelle Gaskanäle zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage umfasst.
Die Gaskanäle weisen vorzugsweise einen sich längs der Strömungsrichtung erweiternden oder verjüngenden Strömungsquerschnitt auf.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Gaskanäle zumindest abschnittsweise durch ein oder mehrere Interkonnektorelemente der elektrochemischen Zelle gebildet sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die elektrochemische Zelle Gaskanäle zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage umfasst, wobei die Gaskanäle einen sich längs der Strömungsrichtung kontinuierlich und/oder stetig erweiternden oder verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Kontaktfläche der elektrochemisch aktiven Lage, mit welcher die elektrochemisch aktive Lage im Betrieb der elektrochemischen Zelle elektrisch kontaktiert ist und/oder mit Reaktionsmedium in Kontakt kommt, längs der Strömungsrichtung variiert, insbesondere zunimmt, und/oder zumindest abschnittsweise dreiecksförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die elektrochemische Zelle Gaskanäle zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage umfasst, wobei die Gaskanäle sich längs der Strömungsrichtung erstrecken und mittels Querkanälen fluidwirksam miteinander verbunden sind.
Mittels der Querkanäle ist vorzugsweise Reaktionsmedium zwischen den Gaskanälen austauschbar und/oder hin- und herströmbar.
Die elektrochemische Zelle umfasst vorzugsweise ferner Gaskanäle zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage, wobei eine oder mehrere Strömungswegzusammenführungen zur Zusammenführung mehrerer Gaskanäle vorgesehen sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsmedium aus zwei oder mehr Gaskanälen längs der Strömungsrichtung mittels einer Strömungswegzusammenführung zusammenführbar und als Gesamtstrom zu einem stromabwärts angeordneten Endbereich der elektrochemisch aktiven Lage führbar ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Kontaktfläche der elektrochemisch aktiven Lage, mit welcher die elektrochemisch aktive Lage im Betrieb der elektrochemischen Zelle mit Reaktionsmedium in Kontakt kommt und/oder elektrisch kontaktiert ist, mehrere Kontaktflächenabschnitte (Bereiche) umfasst, welche durch Gaskanäle voneinander getrennt sind.
Eine Kontaktfläche der elektrochemisch aktiven Lage kann einerseits die Fläche sein, mit welcher die elektrochemisch aktive Lage im Betrieb der elektrochemischen Zelle mit Reaktionsmedium in Kontakt kommt.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine Kontaktfläche eine elektrische Kontaktfläche sein, an welcher eine elektrische Kontaktierung der elektrochemisch aktiven Lage, insbesondere mittels eines oder mehrerer Interkonnektorelemente, erfolgt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anodenschicht und/oder die Kathodenschicht eine längs der Strömungsrichtung variierende Materialbeschaffenheit aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Anodenkontaktelement und/oder ein Kathodenkontaktelement der elektrochemischen Zelle eine längs der Strömungsrichtung variierende Materialbeschaffenheit aufweist.
Eine längs der Strömungsrichtung variierende Materialbeschaffenheit ist insbesondere eine längs der Strömungsrichtung variierende elektrische Leitfähigkeit, insbesondere eine zunehmende elektrische Leitfähigkeit.
Mittels der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht, insbesondere mittels eines Anodenkontaktelements und/oder eines Kathodenkontaktelements der elektrochemischen Zelle, sind vorzugsweise kontaktierende Bereiche und nichtkontaktierende Bereiche gebildet.
Kontaktierende Bereiche sind insbesondere Bereiche, in welchen eine elektrische Kontaktierung von benachbarten Schichten gegeben ist. Nichtkontaktierende Bereiche sind insbesondere Bereiche, in welchen keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen den Schichten besteht, beispielsweise aufgrund einer Aussparung einer Zwischenschicht.
Ein Anteil der kontaktierenden Bereiche an einer Gesamtfläche der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht nimmt im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche an der Gesamtfläche der Anodenschicht und/oder der Kathodenschicht längs der Strömungsrichtung vorzugsweise zu oder ab.
Günstig kann es sein, wenn in den kontaktierenden Bereichen eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und einem Interkonnektorelement hergestellt ist, während in den nichtkontaktierenden Bereichen keine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen der Anode und dem Interkonnektorelement gegeben ist, insbesondere durch Aussparung des Anodenkontaktelements.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Anode der Anodenschicht und/oder eine Anodenfunktionsschicht der Anodenschicht eine längs der Strömungsrichtung variierende Materialbeschaffenheit, insbesondere eine längs der Strömungsrichtung variierende elektrische Leitfähigkeit, aufweist.
Vorzugsweise weist die Anode der Anodenschicht und/oder die Anodenfunktionsschicht der Anodenschicht eine längs der Strömungsrichtung zunehmende elektrische Leitfähigkeit auf.
Günstig kann es sein, wenn mittels einer Anode der Anodenschicht und/oder einer Anodenfunktionsschicht der Anodenschicht kontaktierende Bereiche und nichtkontaktierende Bereiche gebildet sind, wobei ein Anteil der kontaktierenden Bereiche an einer Gesamtfläche der Anodenschicht im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche an der Gesamtfläche der Anodenschicht längs der Strömungsrichtung vorzugsweise zunimmt oder abnimmt.
Insbesondere ist mittels der Anode der Anodenschicht und/oder der Anodenfunktionsschicht der Anodenschicht in den kontaktierenden Bereichen ein elektrischer Kontakt zwischen dem Anodenkontaktelement und der Elektrolytschicht hergestellt. In den nichtkontaktierenden Bereichen ist vorzugsweise kein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem Anodenkontaktelement und der Elektrolytschicht mittels der Anode der Anodenschicht und/oder der Anodenfunktionsschicht der Anodenschicht gebildet.
Eine Kathode der Kathodenschicht und/oder eine Kathodenfunktionsschicht der Kathodenschicht weisen vorzugsweise eine längs der Strömungsrichtung variierende Materialbeschaffenheit auf.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Kathode der Kathodenschicht und/oder eine Kathodenfunktionsschicht der Kathodenschicht eine längs der Strömungsrichtung variierende, insbesondere zunehmende, elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Mittels einer Kathode der Kathodenschicht und/oder einer Kathodenfunktionsschicht der Kathodenschicht sind vorzugsweise kontaktierende Bereiche und nichtkontaktierende Bereiche gebildet.
Ein Anteil der kontaktierenden Bereiche an einer Gesamtfläche der Kathodenschicht im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche an der Gesamtfläche der Kathodenschicht nimmt vorzugsweise längs der Strömungsrichtung zu oder ab.
Mittels der Kathode der Kathodenschicht und/oder der Kathodenfunktionsschicht der Kathodenschicht ist in den kontaktierenden Bereichen vorzugsweise ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kathodenkontaktelement und der Elektrolytschicht gebildet. In den nichtkontaktierenden Bereichen ist die Kathode und/oder die Kathodenfunktionsschicht vorzugsweise ausgespart, so dass keine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Kathodenkontaktelement und der Elektrolytschicht vorliegt.
Unter einer nicht vorhandenen, nicht vorliegenden und/oder nicht gegebenen elektrischen Verbindung ist dabei vorzugsweise zu verstehen, dass längs einer Stapelrichtung der elektrochemischen Zelle keine unmittelbare elektrische Verbindung besteht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine einfach aufgebaute und zuverlässig und sicher betreibbare elektrochemische Zelle herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Herstellen einer elektrochemisch aktiven Lage, welche eine Anodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Kathodenschicht umfasst, derart, dass die elektrochemische Zelle einen längs einer Strömungsrichtung variierenden Reaktionswiderstand aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner können die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen.
Die elektrochemische Zelle eignet sich insbesondere zur Verwendung als elektrochemischer Wandler, beispielsweise als eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Umwandlung von Brennstoff mit Oxidator und/oder als ein Elektrolyseur zur chemischen Umwandlung von Stoffen unter Nutzung elektrischer Energie.
Die elektrochemische Zelle ist insbesondere eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC-Brennstoffzelle, solid oxide fuel cell).
Zur Kontaktierung einer Anode und somit vorzugsweise als Anodenkontaktelement kann beispielsweise ein metallisches Netz, ein Gewebe, ein Schaum und/oder eine metallhaltige oder metalloxidhaltige Paste vorgesehen sein.
Zur Kontaktierung einer Kathode und somit vorzugsweise als Kathodenkontaktelement kann vorzugsweise eine Paste, beispielsweise eine keramische Paste, vorgesehen sein.
Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine elektrolytgestützte Zelle (ESC), eine anodengestützte Zelle (ASC), eine kathodengestützte Zelle (CSC) und/oder eine metallgestützte Zelle (MSC) sein.
Bei einer elektrolytgestützten, anodengestützten und kathodengestützten Zelle ist vorzugsweise ein Aufbau aus den folgenden Elementen vorgesehen: Kathode, Kathodenfunktionsschicht, Elektrolyt, Anodenfunktionsschicht und Anode. Als kathodenseitiges Kontaktelement (Kathodenkontaktelement) ist beispielsweise eine Paste vorgesehen. Als anodenseitiges Kontaktelement (Anodenkontaktelement) ist beispielsweise ein Netz vorgesehen. Mittels eines Interkonnektors (Interkonnektorelement) ist vorzugsweise eine elektrische oder elektronische Verbindung zweier benachbarter Zellen hergestellt oder herstellbar.
Eine Wiederholeinheit einer metallgestützten Zelle (MSC) setzt sich vorzugsweise aus folgenden Einheiten zusammen: ein Metallsubstrat, eine Anodenfunktionsschicht, ein Elektrolyt, eine Kathodenfunktionsschicht und eine Kathode. Ein kathodenseitiges Kontaktelement (Kathodenkontaktelement) ist dabei beispielsweise als Paste ausgebildet. Ein anodenseitiges Kontaktelement (Anodenkontaktelement) ist beispielsweise als Netz oder in Form einer Schweißverbindung ausgeführt. Zudem ist vorzugsweise ein Interkonnektor (Interkonnektorelement) vorgesehen.
Für den Fall, dass längs der Strömungsrichtung eine unveränderte Zellgeometrie und/oder Zellbeschaffenheit, insbesondere Elektrodenkontaktierung und/oder Interkonnektorgeometrie, vorgesehen ist, wird im Einlassbereich aufgrund des dort relativ hohen Brenngasgehalts eine relativ hohe Strombelastung auftreten. Folglich kann sich ein wegabhängiger Brenngasumsatz und somit eine wegabhängige Brenngasnutzung (fuel utilization) ergeben. Hieraus resultiert auch eine längs des Strömungswegs variierende Stromdichteverteilung, welche am Zelleinlass (Einlassbereich) am höchsten ist und im weiteren Verlauf abnimmt.
Mittels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle, bei welcher ein längs der Strömungsrichtung variierender Reaktionswiderstand vorgesehen ist, können die vorstehend genannten Nachteile vorzugsweise vermieden oder zumindest abgemildert werden.
Insbesondere kann mittels der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle eine unerwünschte ungleichmäßige Temperaturverteilung aufgrund der ungleichmäßigen Stromdichteverteilung vermieden oder zumindest reduziert werden. Hierdurch können vorzugsweise thermomechanische Spannungen in der Zelle, in Fügezonen zwischen der Zelle und einer Zellhalterung (z.B. einem Fensterblech) und/oder in der Zellhalterung selbst vermieden oder zumindest reduziert werden.
Letztlich können hierdurch insbesondere Risse und Undichtigkeiten in der Zelle oder in der Zellfügung verhindert werden, so dass keine schädliche irreversible Beeinträchtigung des Elektrodenmaterials, insbesondere keine Oxidation eines metallischen Anodenmaterials (beispielsweise Nickel) und keine Reduktion des Kathodenmaterials (beispielsweise oxidkeramischer Werkstoff wie LSM oder LSCF) zu befürchten sind. Auch eine unerwünschte direkte Verbrennung der Reaktionsgase, welche zu kritischen Temperaturen führen könnte, kann erfindungsgemäß vorzugsweise vermieden werden.
Ferner kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass aufgrund zu hoher lokaler Stromdichten mikrostrukturelle Änderungen der Elektroden auftreten, insbesondere irreversible Versinterungsprozesse, beispielsweise bei einem Kathodenmaterial wie LSM, was zu einer irreversibel gesenkten Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle führen kann.
Schließlich kann vorzugsweise verhindert werden, dass am Zellauslass eine lokale Brenngasunterversorgung vorliegt, wodurch ebenfalls irreversible Schäden, insbesondere des metallischen Anodenmaterials durch Oxidation, verursacht werden können. Zudem können vorzugsweise Risse im dichten Elektrolyten und/oder ein katastrophales Zellversagen vermieden werden.
Vorzugsweise wird durch gezielte Maßnahmen ein flächenspezifischer Widerstand, insbesondere eine Summe aus ohmschen Widerständen, Diffusions- und Polarisationswiderständen, in Strömungsrichtung eingestellt. Hierdurch kann die elektrochemische Reaktion und somit der Brenngasumsatz angepasst werden, so dass insbesondere eine homogene Stromdichteverteilung realisiert werden kann.
Der flächenspezifische Widerstand kann insbesondere durch geeignete Materialwahl, insbesondere geeignete elektrische Leitfähigkeit, die Porosität des Materials zur Beeinflussung des Gastransports und/oder die Geometrie, insbesondere die Geometrie von Kontaktflächen, eingestellt werden.
Insbesondere kann sich eine gezielte Einstellung des flächenspezifischen Widerstands positiv auf die Lebensdauer und auf die Leistungsfähigkeit der elektrochemischen Zelle auswirken.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, welche als eine anodengestützte Zelle ausgebildet ist;
2 eine schematische Draufsicht von oben auf die elektrochemische Zelle aus 1 mit Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 2 in 1;
3 eine schematische Seitenansicht der elektrochemischen Zelle aus 1 mit Blickrichtung in Richtung des Pfeiles 3 in 1;
4 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, welche als eine metallgestützte Zelle ausgebildet ist;
5 ein Diagramm zur Illustration der Funktionsweise einer elektrochemischen Zelle mit längs der Strömungsrichtung konstantem Reaktionswiderstand;
6 ein weiteres Diagramm zur Illustration der Funktionsweise einer elektrochemischen Zelle mit längs der Strömungsrichtung konstantem Reaktionswiderstand;
7 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher eine sich längs der Strömungsrichtung verbreiternde Kontaktfläche vorgesehen ist;
8 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher eine sich längs der Strömungsrichtung verbreiternde Kontaktfläche sowie Querkanäle vorgesehen sind;
9 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher Strömungswegzusammenführungen zur Zusammenführung von jeweils zwei Gaskanälen vorgesehen sind;
10 eine schematische horizontale Schnittdarstellung durch eine sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher ein hinsichtlich der Materialwahl längs der Strömungsrichtung variierendes Kathodenkontaktelement vorgesehen ist;
11 eine der 10 entsprechende schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher längs der Strömungsrichtung unterbrochene Kontaktbereiche eines Kathodenkontaktelements vorgesehen sind, wobei benachbart zueinander angeordnete Unterbrechungen längs der Strömungsrichtung einen größer werdenden Abstand voneinander aufweisen;
12 eine der 10 entsprechende schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher im Wesentlichen dreiecksförmige Kontaktbereiche eines Kathodenkontaktelements vorgesehen sind;
13 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher eine Kathode und eine Kathodenfunktionsschicht vorgesehen sind, welche quer zur Strömungsrichtung unterbrochen sind;
14 eine schematische horizontale Schnittdarstellung durch eine Kathode einer zehnten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, wobei die Kathode aus zwei in der Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist;
15 eine der 14 entsprechende schematische Darstellung einer elften Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher eine längs der Strömungsrichtung unterbrochene Kathode vorgesehen ist, wobei die Abstände zwischen den Unterbrechungen längs der Strömungsrichtung zunehmen; und
16 eine der 14 entsprechende schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle, bei welcher mehrere mittels der Kathode gebildete Kontaktbereiche (kontaktierende Bereiche) vorgesehen sind, wobei mehrere Kontaktbereiche sich längs der Strömungsrichtung verjüngen und wobei mehrere Kontaktbereiche längs der Strömungsrichtung erweiternd ausgebildet sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten elektrochemischen Zelle ist beispielsweise eine Brennstoffzelle einer Hochtemperaturbrennstoffzellenvorrichtung (solid oxide fuel cell, SOFC). Die elektrochemische Zelle 100 dient insbesondere der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie durch Reaktion von Brennstoff mit Oxidator.
Hierzu weist die elektrochemische Zelle 100 eine elektrochemisch aktive Lage 102 auf.
Die elektrochemisch aktive Lage 102 umfasst eine Anodenschicht 104 und eine Kathodenschicht 106 sowie eine Elektrolytschicht 108.
Die Elektrolytschicht 108 ist zwischen der Anodenschicht 104 und der Kathodenschicht 106 angeordnet.
Die Anodenschicht 104 umfasst eine Anodenfunktionsschicht 110, eine Anode 112 und ein Anodenkontaktelement 114.
Die Kathodenschicht 106 umfasst eine Kathodenfunktionsschicht 116, eine Kathode 118 und ein Kathodenkontaktelement 120.
Zudem sind bei der elektrochemischen Zelle 100 ein oder mehrere Interkonnektorelemente 122 vorgesehen.
Bei der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 ist ein anodengestützter Aufbau vorgesehen, d.h., dass die Anode 112 der elektrochemischen Zelle 100 die mechanische Stabilität gewährleistet.
Die genannten Elemente der elektrochemischen Zelle 100 sind dabei in folgender Reihenfolge aufeinander angeordnet: Interkonnektorelement 122, Anodenkontaktelement 114, Anode 112, Anodenfunktionsschicht 110, Elektrolytschicht 108, Kathodenfunktionsschicht 116, Kathode 118, Kathodenkontaktelement 120 und ggf. ein weiteres Interkonnektorelement 122.
Die elektrochemische Zelle 100 ist vorzugsweise eine von vielen elektrochemischen Zellen 100 der gesamten Brennstoffzellenvorrichtung. Die Interkonnektorelemente 122 dienen dabei zur elektrischen Kontaktierung der elektrochemischen Zellen 100 untereinander.
Mittels der Interkonnektorelemente 122 sind Gaskanäle 124 der elektrochemischen Zelle 100 gebildet.
Diese Gaskanäle 124 sind in einer Strömungsrichtung 126 mit Reaktionsmedium durchströmbar.
Über diese Gaskanäle 124 wird die elektrochemisch aktive Lage 102 der elektrochemischen Zelle 100 mit den zum Betrieb erforderlichen Reaktionsmedien, insbesondere Brennstoff und Oxidator, versorgt.
Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind bei der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 eine längs der Strömungsrichtung 126 konstante Querschnittsform des Gaskanals 124 sowie eine konstante Ausgestaltung der elektrochemisch aktiven Lage 102 vorgesehen.
Eine in 4 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die elektrochemische Zelle 100 gemäß der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform metallgestützt ist.
Somit ist nicht die Anode 112, sondern ein separates Metallsubstrat 128 der elektrochemischen Zelle 100 für die mechanische Stabilität der elektrochemisch aktiven Lage 102 verantwortlich.
Die Anode 112 kann hierdurch deutlich dünner ausgebildet sein.
Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte zweite Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
In den 5 und 6 sind Diagramme zur Illustration der Funktionsweise der elektrochemischen Zellen 100 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform dargestellt.
Wie diesen Diagrammen zu entnehmen ist, ergibt sich aufgrund der gleichförmigen Gaskanäle 124 und der gleichmäßigen Ausgestaltung der elektrochemischen Lage 102 längs der Strömungsrichtung 126 eingangsseitig an der elektrochemischen Zelle 100 zunächst ein relativ hoher Brennstoffgehalt (beispielsweise H₂), welcher aufgrund der erfolgenden Reaktion mit Oxidator längs der Strömungsrichtung 126 abnimmt. Ein Wassergehalt (H₂O) nimmt entsprechend längs der Strömungsrichtung 126 zu (siehe 5).
Eine Stromdichte J, welche letztlich die Reaktionsrate längs der Strömungsrichtung 126 widerspiegelt, nimmt mit der abnehmenden Brennstoffkonzentration ab (siehe 6).
Die ungleiche Stromdichteverteilung längs der Strömungsrichtung 126 ergibt eine ungleiche thermische Belastung der elektrochemischen Zelle 100 im Betrieb derselben, welche für deren Sicherheit und Zuverlässigkeit nachteilig sein kann.
Vorzugsweise wird daher die elektrochemische Zelle 100 so ausgebildet, dass die elektrochemisch aktive Lage 102 einen längs der Strömungsrichtung 126 variierenden Reaktionswiderstand aufweist.
Insbesondere wird die elektrochemische Zelle 100 dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass aufgrund eines variierenden Reaktionswiderstands ein konzentrationsbedingter Stromdichteabfall längs der Strömungsrichtung 126 ausgeglichen wird.
Auf diese Weise wird vorzugsweise ein längs der Strömungsrichtung 126 gleichmäßiger Stromdichteverlauf, insbesondere eine längs der Strömungsrichtung 126 konstante Stromdichteverteilung, ermöglicht.
Wie insbesondere 7 zu entnehmen ist, kann dies beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass die elektrochemische Zelle 100 Interkonnektorelemente 122 umfasst, welche längs der Strömungsrichtung 126 zunehmende Kontaktflächen 130 aufweisen.
Mittels der Interkonnektorelemente 122 sind dabei insbesondere längs der Strömungsrichtung 126 größer werdende elektrisch kontaktierende Bereiche 132 gebildet. Dazwischen sind elektrisch nichtkontaktierende Bereiche 134 gebildet, welche entsprechend längs der Strömungsrichtung 126 kleiner werden.
Durch Variation der elektrisch kontaktierenden Bereiche 132 und der elektrisch nichtkontaktierenden Bereiche 134 längs der Strömungsrichtung 126 kann der Reaktionswiderstand der elektrochemischen Zelle 100 längs der Strömungsrichtung 126 gezielt beeinflusst werden. Insbesondere kann hierdurch eine gleichmäßige Stromdichteverteilung erzielt werden.
Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte dritte Ausführungsform hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 dargestellte vierte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Kontaktflächen 130 oder kontaktierenden Bereiche 132 längs der Strömungsrichtung 126 unterbrochen ausgebildet sind.
Durch diese Unterbrechungen kann ebenfalls gezielt Einfluss auf die Stromdichteverteilung im Betrieb der elektrochemischen Zelle 100 genommen werden.
Zudem können diese Unterbrechungen Querkanäle 136 bilden, mittels welchen die Gaskanäle 124 der elektrochemischen Zelle 100 in einer senkrecht zur Strömungsrichtung 126 verlaufenden Richtung miteinander verbunden sind.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte vierte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass sowohl sich längs der Strömungsrichtung 126 verjüngende kontaktierende Bereiche 132 als auch sich längs der Strömungsrichtung 126 erweiternde kontaktierende Bereiche 132 vorgesehen sind.
Die kontaktierenden Bereiche 132 sind dabei vorzugsweise jeweils im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet.
Insbesondere enden die sich längs der Strömungsrichtung 126 verjüngenden kontaktierenden Bereiche 132 vorzugsweise innerhalb der elektrochemischen Zelle 100, beispielsweise im Wesentlichen mittig längs der Strömungsrichtung 126.
Die zu beiden Seiten eines sich verjüngenden kontaktierenden Bereichs 132 gebildeten Gaskanäle 124 werden somit innerhalb der elektrochemischen Zelle 100 zusammengeführt.
Insbesondere ist eine Strömungswegzusammenführung 138 gebildet.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 10 dargestellte sechste Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Kathodenkontaktelement 120 aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, welche längs der Strömungsrichtung 126 hintereinander angeordnet sind.
Dabei ist ein erstes Material 140 bezüglich der Strömungsrichtung 126 stromaufwärts eines zweiten Materials 142 angeordnet.
Das erste Material 140 weist eine im Vergleich zu dem zweiten Material 142 niedrigere elektrische Leitfähigkeit auf. Im Bereich des ersten Materials 140 weist die elektrochemisch aktive Lage 102 somit einen höheren Reaktionswiderstand auf als im Bereich des zweiten Materials 142.
Auch hierdurch kann gezielt ein längs der Strömungsrichtung 126 variierender Reaktionswiderstand realisiert werden.
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte sechste Ausführungsform hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsformen überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 11 dargestellte siebte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Kathodenkontaktelement 120 lediglich aus einem einzigen Material gebildet ist, jedoch mit Unterbrechungen 144 versehen ist.
Mittels der Unterbrechungen 144, welche längs der Strömungsrichtung 126 aufeinanderfolgend angeordnet sind, sind somit nichtkontaktierende Bereiche 134 gebildet.
Die Abstände der Unterbrechungen 144 voneinander nehmen längs der Strömungsrichtung 126 zu.
Da die Unterbrechungen 144 stets im Wesentlichen dieselben Dimensionen aufweisen, ergibt sich somit ein längs der Strömungsrichtung 126 größer werdendes Verhältnis der Größe (Fläche) der kontaktierenden Bereiche 132 zu der Größe (Fläche) der nichtkontaktierenden Bereiche 134. Somit ist ein Reaktionswiderstand der elektrochemischen Zelle 100 längs der Strömungsrichtung 126 bei der in 11 dargestellten siebten Ausführungsform abnehmend.
Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte siebte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 12 dargestellte achte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die längs der Strömungsrichtung 126 zunehmenden kontaktierenden Bereiche 132 mittels des Kathodenkontaktelements 120 gebildet sind.
Insbesondere sind dabei im Wesentlichen dreiecksförmige kontaktierende Bereiche 132 vorgesehen.
Im Übrigen stimmt die in 12 dargestellte achte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 13 dargestellte neunte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Gaskanäle 124 zwischen den Interkonnektorelementen 122 zumindest teilweise mit Kanalvertiefungen 146 versehen sind.
Die Kanalvertiefungen 146 sind dabei insbesondere Aussparungen in der Kathode 118 und der Kathodenfunktionsschicht 116, welche sich ausgehend von den Gaskanälen 124 des Interkonnektorelements 122 in Richtung der Elektrolytschicht 108 und längs der Strömungsrichtung 126 erstrecken.
Auch mittels derartiger Kanalvertiefungen 146 kann vorzugsweise gezielt Einfluss auf die Stromdichteverteilung der elektrochemischen Zelle 100 genommen werden.
Im Übrigen stimmt die in 13 dargestellte neunte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 14 dargestellte zehnte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass anstelle des Kathodenkontaktelements 120 die Kathode 118 aus zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist.
Auch dabei ist ein erstes Material 140 bezüglich der Strömungsrichtung 126 stromaufwärts eines zweiten Materials 142 angeordnet, wobei das erste Material 140 eine im Vergleich zu dem zweiten Material 142 niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Auch hierdurch kann ein längs der Strömungsrichtung 126 abnehmender Reaktionswiderstand realisiert werden.
Im Übrigen stimmt die in 14 dargestellte zehnte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 10 dargestellten sechsten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 15 dargestellte elfte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 11 dargestellten siebten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass anstelle des Kathodenkontaktelements 120 die Kathode 118 mit Unterbrechungen 144 versehen ist.
Auch hierbei sind die Unterbrechungen 144 in längs der Strömungsrichtung 126 zunehmenden Abständen angeordnet, um den längs der Strömungsrichtung 126 abnehmenden Reaktionswiderstand zu bewirken.
Im Übrigen stimmt die in 15 dargestellte elfte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 11 dargestellten siebten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 16 dargestellte zwölfte Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 100 unterscheidet sich von der in 9 dargestellten fünften Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die kontaktierenden Bereiche 132, welche teilweise längs der Strömungsrichtung 126 abnehmend und teilweise längs der Strömungsrichtung 126 erweiternd ausgebildet sind, nicht mittels des Interkonnektorelements 122, sondern mittels der Kathode 118 gebildet sind.
Im Übrigen stimmt die in 16 dargestellte zwölfte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 9 dargestellten fünften Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Insbesondere durch die Variation der Form und Anordnung der kontaktierenden Bereiche 132 kann ein längs der Strömungsrichtung 126 abnehmender Reaktionswiderstand bei einer elektrochemischen Zelle 100 realisiert werden, um insbesondere eine längs der Strömungsrichtung 126 konstante Stromdichteverteilung zu erzielen. Hierdurch kann die elektrochemische Zelle 100 sicher und zuverlässig betrieben werden.

Claims

Elektrochemische Zelle (100), umfassend eine elektrochemisch aktive Lage (102), welche eine Anodenschicht (104), eine Elektrolytschicht (108) und eine Kathodenschicht (106) umfasst, wobei die elektrochemisch aktive Lage (102) zumindest einseitig in einer Strömungsrichtung (126) mit einem Reaktionsmedium überströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) einen längs der Strömungsrichtung (126) variierenden Reaktionswiderstand aufweist.
Elektrochemische Zelle (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionswiderstand längs der Strömungsrichtung (126) abnimmt.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) zur Variation des Reaktionswiderstands längs der Strömungsrichtung (126) gradiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Materialstärke, einer Materialdichte, einer Materialporosität, einer Materialwahl, eines flächenspezifischen Widerstands, eines elektrischen Widerstands, eines Diffusionswiderstands, einer Aktivierungspolarisation und/oder eines Polarisationswiderstands.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (104) eine Anode (112), eine Anodenfunktionsschicht (110) und/oder ein Anodenkontaktelement (114) umfasst, wobei zur Variation des Reaktionswiderstands die Anode (112), die Anodenfunktionsschicht (110) und/oder das Anodenkontaktelement (114) gradiert ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenschicht (106) eine Kathode (118), eine Kathodenfunktionsschicht (116) und/oder ein Kathodenkontaktelement (120) umfasst, wobei zur Variation des Reaktionswiderstands die Kathode (118), die Kathodenfunktionsschicht (116) und/oder das Kathodenkontaktelement (120) gradiert ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytschicht (108) zur Variation des Reaktionswiderstands gradiert ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der längs der Strömungsrichtung (126) variierende Reaktionswiderstand derart eingestellt ist, dass zumindest näherungsweise eine längs der Strömungsrichtung (126) im Wesentlichen konstante Reaktionsrate erhältlich ist, insbesondere trotz einer aus der Reaktion der Reaktionsmedien miteinander resultierenden Konzentrationsabnahme und/oder Dichteabnahme der Reaktionsmedien längs der Strömungsrichtung (126).
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der längs der Strömungsrichtung (126) variierende Reaktionswiderstand derart eingestellt ist, dass die elektrochemisch aktive Lage (102) im Betrieb der elektrochemischen Zelle (100) eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichteverteilung aufweist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) Gaskanäle (124) zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage (102) umfasst, wobei die Gaskanäle (124) vorzugsweise einen sich längs der Strömungsrichtung (126) erweiternden oder verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
Elektrochemische Zelle (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskanäle (124) zumindest abschnittsweise durch ein oder mehrere Interkonnektorelemente (122) der elektrochemischen Zelle (100) gebildet sind.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) Gaskanäle (124) zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage (102) umfasst, wobei die Gaskanäle (124) einen sich längs der Strömungsrichtung (126) kontinuierlich und/oder stetig erweiternden oder verjüngenden Strömungsquerschnitt aufweisen.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche (130) der elektrochemisch aktiven Lage (102), mit welcher die elektrochemisch aktive Lage (102) im Betrieb der elektrochemischen Zelle (100) elektrisch kontaktiert ist und/oder mit Reaktionsmedium in Kontakt kommt, längs der Strömungsrichtung (126) variiert, insbesondere zunimmt, und/oder zumindest abschnittsweise dreiecksförmig ausgebildet ist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) Gaskanäle (124) zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage (102) umfasst, wobei die Gaskanäle (124) sich längs der Strömungsrichtung (126) erstrecken und mittels Querkanälen (136) fluidwirksam miteinander verbunden sind.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (100) Gaskanäle (124) zur Zuführung von Reaktionsmedium zu der elektrochemisch aktiven Lage (102) umfasst, wobei eine oder mehrere Strömungswegzusammenführungen (138) zur Zusammenführung mehrerer Gaskanäle (124) vorgesehen sind.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenschicht (104) und/oder die Kathodenschicht (106), insbesondere ein Anodenkontaktelement (114) und/oder ein Kathodenkontaktelement (120) der elektrochemischen Zelle (100), eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende Materialbeschaffenheit, insbesondere eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende elektrische Leitfähigkeit, aufweist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Anodenschicht (104) und/oder der Kathodenschicht (106), insbesondere mittels eines Anodenkontaktelements (114) und/oder eines Kathodenkontaktelements (120) der elektrochemischen Zelle (100), kontaktierende Bereiche (132) und nichtkontaktierende Bereiche (134) gebildet sind, wobei ein Anteil der kontaktierenden Bereiche (132) an einer Gesamtfläche der Anodenschicht (104) und/oder der Kathodenschicht (106) im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche (134) an der Gesamtfläche der Anodenschicht (104) und/oder der Kathodenschicht (106) längs der Strömungsrichtung (126) variiert, insbesondere kontinuierlich zunimmt oder abnimmt.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode (112) der Anodenschicht (104) und/oder eine Anodenfunktionsschicht (110) der Anodenschicht (104) eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende Materialbeschaffenheit, insbesondere eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende elektrische Leitfähigkeit, aufweist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Anode (112) der Anodenschicht (104) und/oder einer Anodenfunktionsschicht (110) der Anodenschicht (104) kontaktierende Bereiche (132) und nichtkontaktierende Bereiche (134) gebildet sind, wobei ein Anteil der kontaktierenden Bereiche (132) an einer Gesamtfläche der Anodenschicht (104) im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche (134) an der Gesamtfläche der Anodenschicht (104) längs der Strömungsrichtung (126) zunimmt oder abnimmt.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (118) der Kathodenschicht (106) und/oder eine Kathodenfunktionsschicht (116) der Kathodenschicht (106) eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende Materialbeschaffenheit, insbesondere eine längs der Strömungsrichtung (126) variierende elektrische Leitfähigkeit, aufweist.
Elektrochemische Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Kathode (118) der Kathodenschicht (106) und/oder einer Kathodenfunktionsschicht (116) der Kathodenschicht (106) kontaktierende Bereiche (132) und nichtkontaktierende Bereiche (134) gebildet sind, wobei ein Anteil der kontaktierenden Bereiche (132) an einer Gesamtfläche der Kathodenschicht (106) im Vergleich zu einem Anteil der nichtkontaktierenden Bereiche (134) an der Gesamtfläche der Kathodenschicht (106) längs der Strömungsrichtung (126) zunimmt oder abnimmt.
Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle (100), insbesondere einer elektrochemischen Zelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Herstellen einer elektrochemisch aktiven Lage (102), welche eine Anodenschicht (104), eine Elektrolytschicht (108) und eine Kathodenschicht (106) umfasst, derart, dass die elektrochemische Zelle (100) einen längs einer Strömungsrichtung (126) variierenden Reaktionswiderstand aufweist.