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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest einen Gasraum definiert, welcher in zumindest einem Betriebszustand zu einer Aufnahme zumindest eines Reaktanten vorgesehen ist, und welche zumindest ein erstes metallisches plattenartiges Element und zumindest ein zweites metallisches plattenartiges Element aufweist, welche gemeinsam den Gasraum zumindest im Wesentlichen definieren, vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche zumindest einen Gasraum definiert, welcher in zumindest einem Betriebszustand zu einer Aufnahme zumindest eines Reaktanten vorgesehen ist, und welche zumindest ein erstes plattenartiges Element und zumindest ein zweites plattenartiges Element aufweist, welche gemeinsam den Gasraum zumindest im Wesentlichen definieren.
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Es wird vorgeschlagen, dass die plattenartigen Elemente zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet sind.
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Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Brennstoffzelleneinheit” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere zumindest teilweise eine äußere Hülle der Brennstoffzellenvorrichtung ausbildet. Ferner kann die Brennstoffzelleneinheit insbesondere passive Elemente, insbesondere zu einer Gasführung und/oder -leitung und/oder zu einer Montage der Brennstoffzellenvorrichtung, umfassen. Unter einem „Reaktanten” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein chemischer Stoff und/oder ein chemisches Stoffgemisch verstanden werden, welcher und/oder welches insbesondere zu einer Verwendung bei einer chemischen Reaktion, insbesondere zu einer Verwendung in einem Syntheseprozess, insbesondere innerhalb Brennstoffzellenvorrichtung, vorgesehen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem zumindest einen Reaktanten um ein Brenngas oder um Sauerstoff oder um ein brenngashaltiges Gasgemisch oder um ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch. Insbesondere wird der zumindest eine Reaktant während eines Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere kontinuierlich dem zumindest einen Gasraum zugeführt.
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Unter einem „Gasraum” soll insbesondere ein räumlicher Bereich verstanden werden, der zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen allseitig, insbesondere abgesehen von Zuleitungen und/oder Ableitungen, von einer sichtbaren Außenfläche gegenüberliegenden, insbesondere zumindest teilweise nicht sichtbarer, Innenfläche der Brennstoffzelleneinheit begrenzt ist. Darunter, dass die Brennstoffzelleneinheit den zumindest einen Gasraum „zumindest im Wesentlichen definieren” soll insbesondere verstanden werden, dass eine gedachte, den zumindest einen Gasraum umgebende, geschlossene Hüllfläche zu zumindest 80%, vorzugsweise zu zumindest 85%, vorteilhaft zu zumindest 90% und besonders vorteilhaft zu zumindest 95% von einer durch die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit gebildeten äußeren Hülle bedeckt ist.
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Darunter, dass „die plattenartigen Elemente zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet sind”, soll insbesondere verstanden werden, dass die plattenartigen Elemente mit einem Massenanteil von zumindest 75%, vorteilhaft von zumindest 85% und vorzugsweise von zumindest 95% aus dem Material besteht. Unter einem „keramischen Material” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein anorganisches, nichtmetallisches Material verstanden werden. Insbesondere kann das zumindest eine keramische Material zumindest teilweise kristallin sein. Unter „nichtmetallisch” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zumindest eine keramische Material zumindest weitestgehend frei von insbesondere auf metallischen Bindungen beruhenden, metallischen Eigenschaften ist, jedoch Metallverbindungen, wie beispielsweise Metalloxide und/oder -silikate, umfassen kann. Das keramische Material kann insbesondere zumindest im Wesentlichen von einer Forsteritkeramik gebildet sein. Insbesondere sind das erste plattenartige Element und das zweite plattenartige Element aus einem zumindest weitgehend identischen keramischen Material ausgebildet. Darunter, dass die zumindest eine Abdeckhaube und das zumindest eine Zuströmelement zumindest im Wesentlichen aus einem „zumindest weitgehend identischen” keramischen Material ausgebildet sind, soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das keramische Material des ersten plattenartigen Elements in seiner stofflichen Zusammensetzung zumindest weitgehend und vorzugsweise exakt dem keramischen Material des zweiten plattenartigen Elements entspricht. Insbesondere weisen das erste plattenartige Elemente und das zweite plattenartige Elemente einen zumindest im Wesentlichen identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Insbesondere weicht der Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere ein Längenausdehnungskoeffizienten und/oder ein Raumausdehnungskoeffizienten, des ersten plattenartigen Elements, insbesondere zumindest eines Herstellungsmaterials des ersten plattenartigen Elements, um weniger als 15%, insbesondere um weniger als 10%, vorzugsweise um weniger als 5% und besonders bevorzugt um weniger als 1% von einem Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere einem Längenausdehnungskoeffizienten und/oder einem Raumausdehnungskoeffizienten, des zweiten plattenartigen Elements, insbesondere zumindest eines Herstellungsmaterials des zweiten plattenartigen Elements, ab.
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Unter einem „plattenartigen Element” soll insbesondere ein räumliches Element verstanden werden, welcher in einer Abwicklung in einer Ebene betrachtet, in einem Querschnitt senkrecht zur Ebene eine unrunde Querschnittsfläche aufweist und senkrecht zur Ebene eine insbesondere zumindest im Wesentlichen gleichbleibende Materialstärke aufweist, die weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 25% und besonders bevorzugt weniger als 10% einer Flächenerstreckung des räumlichen Elements parallel zur Ebene, insbesondere einer kleinsten Flächenerstreckung des Elements parallel zur Ebene beträgt. Die plattenartigen Elemente können insbesondere mittels einer Sinterverbindung miteinander verbunden sein.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Langzeitstabilität und/oder hinsichtlich von Herstellungskosten bereitgestellt werden. Insbesondere können durch die Ausbildung der plattenartigen Elemente aus einem keramischen Material thermo-mechanischen Spannungen und/oder eine Degradation zumindest weitgehend vermieden und somit eine Lebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft erhöht werden. Ferner können zur plattenartigen Ausgestaltung des ersten plattenartigen Elements und des zweiten plattenartigen Elements vorteilhaft einfache und/oder kostengünstige Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das erste plattenartige Element zumindest einen zumindest im Wesentlichen porösen Bereich aufweist. Insbesondere ist der poröse Bereich offen porös ausgebildet. Unter einem „porösen Bereich” soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Bereich verstanden werden, welcher Hohlräume aufweist, die insbesondere fluidtechnisch untereinander und/oder mit einer Umgebung in Verbindung stehen. Insbesondere ist der poröse Bereich zur Zuführung zumindest eines zweiten, insbesondere gasförmigen Reaktanten, vorzugsweise Sauerstoff oder Luft, vorgesehen. Hierdurch kann der Brennstoffzellenvorrichtung auf vorteilhaft einfache Weise zumindest ein zweiter Reaktant zugeführt werden. Durch die plattenartige Ausgestaltung des ersten plattenartigen Elements kann vorteilhaft einfach und/oder zuverlässig eine Funktionsschicht auf den porösen Bereich aufgebracht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das erste plattenartige Element zumindest einen im Wesentlichen gasdichten Bereich aufweist, welcher den porösen Bereich in Umfangsrichtung zumindest im Wesentlichen vollständig umschließt. Insbesondere ist der gasdichte Bereich einstückig mit dem porösen Bereich des ersten plattenartigen Elements ausgebildet. Unter „einstückig” soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Abdichtung erreicht werden.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Funktionsschicht aufweist, welche zumindest auf dem porösen Bereich angeordnet ist. Unter einer „Funktionsschicht” soll in diesen Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode sowie zumindest ein zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest eine Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Funktionsschicht auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite des ersten plattenartigen Elements angeordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionsschicht vollständig auf einer Innenseite der des ersten plattenartigen Elements angeordnet. Insbesondere weist die zumindest eine Funktionsschicht eine Schichtdicke von maximal 50 μm, vorteilhaft von maximal 25 μm und besonders vorteilhaft von maximal 15 μm auf. Hierdurch kann ein vorteilhafter Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann durch eine plattenartige Ausgestaltung des ersten plattenartigen Elements die Funktionsschicht vorteilhaft einfach und/oder zuverlässig aufgebracht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das zweite plattenartige Element zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgebildet ist. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder zuverlässige Abdichtung des Gasraums erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das erste plattenartige Element in einem Randbereich zumindest teilweise stufenförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das zweite plattenartige Element in einem Randbereich zu der stufenförmigen Ausbildung des ersten plattenartigen Elements korrespondierend stufenförmig ausgebildet. Hierdurch kann eine vorteilhafte stabile und/oder gasdichte Verbindung zwischen den plattenartigen Elementen erreicht werden.
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Ferner wird ein plattenartiges Element für eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere ist das plattenartige Element zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet. Hierdurch kann ein vorteilhaft insbesondere mechanisch stabiles und/oder kostengünstiges plattenartiges Element bereitgestellt werden.
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Zudem wird ein Brennstoffzellenstack mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtungen vorgeschlagen. Insbesondere sind die Brennstoffzellenvorrichtungen elektrisch und/oder fluidtechnisch verschaltet. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Brennstoffzellenstack mit einer vorteilhaft hohen Energieausbeute realisiert werden.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, welche zumindest einen Gasraum definiert, welcher in zumindest einem Betriebszustand zu einer Aufnahme zumindest eines Reaktanten vorgesehen ist, und welche zumindest ein erstes plattenartiges Element und zumindest ein zweites plattenartiges Element aufweist, welche gemeinsam den Gasraum zumindest im Wesentlichen definieren, wobei die plattenartigen Elemente zumindest im Wesentlichen aus einem keramischen Material gebildet werden. Hierdurch können Herstellungskosten vorteilhaft gering ausfallen. Insbesondere können zur plattenartigen Ausgestaltung des ersten plattenartigen Elements und des zweiten plattenartigen Elements vorteilhaft einfache und/oder kostengünstige Herstellungsverfahren, beispielsweise ein Keramikspritzgussverfahren oder ein Pressverfahren, zum Einsatz kommen.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine Teilschnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche ein erstes keramisches plattenartiges Element und ein zweites keramisches plattenartiges Element aufweist,
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2 eine Teilschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstacks mit fünf Brennstoffzellenvorrichtungen gemäß 1,
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3 eine Teilschnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche ein erstes keramisches plattenartiges Element und ein zweites keramisches plattenartiges Element aufweist und
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4 eine Teilschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstacks mit fünf Brennstoffzellenvorrichtungen gemäß 3.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Brennstoffzelleneinheit 12a auf, welche einen Gasraum 14a definiert. Der Gasraum 14a ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand zu einer Aufnahme zumindest eines Reaktanten, insbesondere Wasserstoff, aufzunehmen. Die Brennstoffzelleneinheit 12a weist ein erstes plattenartiges Element 16a und ein zweites plattenartiges Element 18a auf, welche gemeinsam den Gasraum 14a definieren. Die plattenartigen Elemente 16a, 18a sind zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet.
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Das erste plattenartige Element 16a weist einen porösen Bereich 20a auf. Insbesondere ist der poröse Bereich 20a von einem porösen Forsteritmaterial gebildet. Ferner weist das erste plattenartige Element 16a einen im Wesentlichen gasdichten Bereich 22a auf, welcher den porösen Bereich 20a in Umfangsrichtung vollständig umschließt. Der gasdichte Bereich 22a ist insbesondere von einem dichten Forsteritmaterial gebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 12a weist des Weiteren eine Funktionsschicht 24a auf, welche auf dem porösen Bereich 20a des ersten plattenartigen Elements 16a angeordnet ist. Die Funktionsschicht 24a weist, hier nicht im Detail dargestellt, eine Anode, eine Kathode und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolyt auf. Die Funktionsschicht 24a ist mit der Kathodenseite auf dem porösen Bereich 20a angeordnet. Die Funktionsschicht 24a ist umlaufend von einem Rahmen 32a umgeben, welcher insbesondere von einem gasdichten keramischen Material gebildet ist. Ein zweiter Reaktant, insbesondere Sauerstoff oder Luft, wird der Funktionsschicht 24a in einem Betriebszustand über den porösen Bereich 20a des ersten plattenartigen Elements 16a zugeführt. Das zweite plattenartige Element 18a ist zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgebildet. Das zweite plattenartige Element 18a ist insbesondere vollständig von einem dichten Forsteritmaterial gebildet. Das erste plattenartige Element 16a und das zweite plattenartige Element 18a sind insbesondere mittels einer Sinterverbindung miteinander verbunden.
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2 zeigt eine Teilschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstacks 30a. Der Brennstoffzellenstack 30a umfasst hier beispielhaft fünf identisch ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtungen 10a. Die Brennstoffzellenvorrichtungen 10a sind elektrisch und fluidtechnisch miteinander verschaltet. Die plattenartigen Elemente 16a, 18a weisen in Randbereichen Ausnehmungen 34a auf, welche innerhalb des Brennstoffzellenstacks 30a zu Brenngaskanälen 36a oder Kathodengaskanälen 38a verbunden sind.
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In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b ersetzt.
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3 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Brennstoffzelleneinheit 12b auf, welche einen Gasraum 14b definiert. Der Gasraum 14b ist dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand zu einer Aufnahme zumindest eines Reaktanten, insbesondere Wasserstoff, aufzunehmen. Die Brennstoffzelleneinheit 12b weist ein erstes plattenartiges Element 16b und ein zweites plattenartiges Element 18b auf, welche gemeinsam den Gasraum 14b definieren. Die plattenartigen Elemente 16b, 18b sind zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet.
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Das erste plattenartige Element 16b weist einen porösen Bereich 20b auf. Insbesondere ist der poröse Bereich 20b von einem porösen Forsteritmaterial gebildet. Insbesondere ist das erste plattenartige Element 16b vollständig porös ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 12b weist des Weiteren eine Funktionsschicht 24b auf, welche auf dem porösen Bereich 20b des ersten plattenartigen Elements 16b angeordnet ist. Die Funktionsschicht 24b weist, hier nicht im Detail dargestellt, eine Anode, eine Kathode und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolyt auf. Die Funktionsschicht 24b ist mit der Kathodenseite auf dem porösen Bereich 20b angeordnet. Die Funktionsschicht 24b ist umlaufend von einem Rahmen 32b umgeben, welcher insbesondere von einem gasdichten keramischen Material gebildet ist. Ein zweiter Reaktant, insbesondere Sauerstoff oder Luft, wird der Funktionsschicht 24b in einem Betriebszustand über den porösen Bereich 20b des ersten plattenartigen Elements 16b zugeführt. Das zweite plattenartige Element 18b ist zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgebildet. Das zweite plattenartige Element 18b ist insbesondere vollständig von einem dichten Forsteritmaterial gebildet.
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Das erste plattenartige Element 16b ist in einem Randbereich 26b stufenförmig ausgebildet. Das zweite plattenartige Element 18b ist in einem Randbereich 28b zu der stufenförmigen Ausbildung des ersten plattenartigen Elements 16b korrespondierend stufenförmig ausgebildet. Das erste plattenartige Element 16b ist vollständig in das zweite plattenartige Element 18b integriert, sodass das erste plattenartige Element 16b in Umfangsrichtung vollständig von dem gasdichten Material des zweiten plattenartigen Element 18b umschlossen ist. Das erste plattenartige Element 16b und das zweite plattenartige Element 18b sind insbesondere mittels einer Sinterverbindung miteinander verbunden.
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4 zeigt eine Teilschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstacks 30b. Der Brennstoffzellenstack 30b umfasst hier beispielhaft fünf identisch ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtungen 10b. Die Brennstoffzellenvorrichtungen 10b sind elektrisch und fluidtechnisch miteinander verschaltet. Die plattenartigen Elemente 16b, 18b weisen in Randbereichen Ausnehmungen 34b auf, welche innerhalb des Brennstoffzellenstacks 30b zu Brenngaskanälen 36b oder Kathodengaskanälen 38b verbunden sind.
