DE102018216096A1

DE102018216096A1 - Elektrodenträgervorrichtung für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit

Info

Publication number: DE102018216096A1
Application number: DE102018216096.1A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Kneule; Andreas Haeffelin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenträgervorrichtung für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einem Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit (16a; 16b) der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit.Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung eine in dem Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) angeordnete Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) aufweist, welche zumindest einen wesentlichen Volumenanteil eines Hüllkörpers (20a; 20b; 20c; 20d; 20e; 20f; 20g; 20h) des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) umfasst.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Elektrodenträgervorrichtung für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einem Elektrodenträgerelement zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenträgervorrichtung für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einem Elektrodenträgerelement zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung eine in dem Elektrodenträgerelement angeordnete Fluidkanaleinheit umfasst, welche zumindest einen wesentlichen Volumenanteil eines Hüllkörpers des Elektrodenträgerelements umfasst. Unter einer „Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelle, und/oder eines Elektrolyseurs, insbesondere eines Hochtemperaturelektrolyseurs, verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamte Festoxidbrennstoffzelle, den gesamten Elektrolyseur, insbesondere den gesamten Hochtemperaturelektrolyseur, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren umfassen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu verbrennen. Alternativ oder zusätzlich ist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, in einem Trennungsprozess unter Zuführung elektrischer Energie ein Fluid in zumindest zwei Bestandteile zu zerteilen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell 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.
Vorzugsweise soll unter einer „Elektrodeneinheit“ einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit eine Einheit verstanden werden, die zumindest eine Elektrode, insbesondere eine Elektrodenschicht, umfasst, welche unmittelbar an dem mittels der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit durchgeführten Verbrennungsprozess und/oder dem Trennungsprozess beteiligt ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit, insbesondere zusätzlich zu der Elektrode, zumindest eine weitere Elektrode, insbesondere eine weitere Elektrodenschicht. Insbesondere sind die Elektrode und die weitere Elektrode zu einer Verwendung als Kathoden-Anoden-Paar vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit zumindest ein Trennelement, insbesondere eine Elektrolytschicht. Vorzugsweise ist das Trennelement zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode angeordnet. Vorzugsweise ist die Elektrode und/oder die weitere Elektrode als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest die Elektrode und/oder die weitere Elektrode als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. Insbesondere ist die Elektrodeneinheit als Membran-ElektrodenEinheit (engl.: membrane electrode assembly MEA) ausgebildet.
Vorzugsweise ist das Elektrodenträgerelement zu einer Anordnung der Elektrodeneinheit an der Elektrodenträgervorrichtung vorgesehen. Vorzugsweise umfasst das Elektrodenträgerelement zumindest eine Elektrodenanlegefläche. Vorzugsweise ist die Elektrodenanlegefläche zumindest als ein Teilbereich einer Oberfläche, insbesondere einer größten Außenfläche, des Elektrodenträgerelements ausgebildet. Vorzugsweise ist das Elektrodenträgerelement flach ausgebildet. Insbesondere weist das Elektrodenträgerelement in einer zur Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung eine maximale Erstreckung auf, die kleiner ist als eine maximale Erstreckung der Elektrodenanlegefläche, die vorzugsweise kleiner ist als 1/10 der maximalen Erstreckung der Elektrodenanlegefläche, die besonders bevorzugt kleiner ist als 1/30 der maximalen Erstreckung der Elektrodenanlegefläche. Vorzugsweise ist, insbesondere zumindest in einem Referenzzustand des Elektrodenträgerelements, ein größter Krümmungsradius einer Krümmung der Elektrodenanlegefläche größer als, insbesondere mehr als dreimal so groß wie, besonders bevorzugt mehr als fünfmal so groß wie die maximale Erstreckung der Elektrodenanlegefläche. Vorzugsweise ist das Elektrodenträgerelement als Folie, als Scheibe, als Gewebe, als Platte oder dergleichen ausgebildet. Insbesondere ist die maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements in einer zur Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung zumindest kleiner als 500 µm, bevorzugt kleiner als 250 mm, besonders bevorzugt kleiner als 150 µm.
Vorzugsweise ist eine maximale Erstreckung der Elektrodenanlegefläche größer als eine maximale Erstreckung der Elektrodeneinheit. Insbesondere ist ein maximaler Umfang der Elektrodenanlegefläche größer als ein maximaler Umfang der Elektrodeneinheit. Vorzugsweise weist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere das Elektrodenträgerelement, zumindest in einer zur Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung eine maximale Erstreckung auf, die größer ist als, bevorzugt mehr als doppelt so groß ist wie, besonders bevorzugt mehr als fünfmal so groß ist wie eine maximale Erstreckung der Elektrodeneinheit in einer zu der Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung in einem an der Elektrodenträgervorrichtung angeordneten, insbesondere fixierten, Zustand der Elektrodeneinheit.
Vorzugsweise ist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere das Elektrodenträgerelement, zumindest im Wesentlichen aus zumindest einem Metall gefertigt. Darunter, dass ein Objekt „im Wesentlichen aus einem Material“ gefertigt wird, soll insbesondere verstanden werden, dass ein Volumenanteil des Materials an einem Gesamtvolumen des Objekts mehr als 25 %, bevorzugt mehr als 50 %, besonders bevorzugt mehr als 75 % beträgt. Alternativ ist das Elektrodenträgerelement zumindest im Wesentlichen aus einer Keramik und/oder einem Kunststoff gefertigt. Vorzugsweise wird das Elektrodenträgerelement zumindest im Wesentlichen aus einem hochtemperaturstabilen Material, insbesondere Metall, gefertigt. Unter „hochtemperaturstabil“, soll insbesondere formbeständig und/oder chemisch beständig bis zu Temperaturen von zumindest 500°C, bevorzugt bis Temperaturen von zumindest 850°C, besonders bevorzugt bis Temperaturen von zumindest 1200°C, verstanden werden. Es ist denkbar, dass die Elektrodenträgervorrichtung Bauelemente umfasst, die aus einer Keramik, einem Kunststoff oder einem anderen Material gefertigt sind, beispielsweise zu einer elektrisch und/oder thermisch isolierten Fixierung des Elektrodenträgerelements.
Unter einem „Hüllkörper des Elektrodenträgerelements“ soll insbesondere ein kleinster gedachter Körper verstanden werden, der das Elektrodenträgerelement vollständig umgibt. Vorzugsweise ist der Hüllkörper durchgangsöffnungsfrei. Insbesondere weist der Hüllkörper eine einfach zusammenhängende Oberfläche auf. Vorzugsweise ist der Hüllkörper ein allgemeiner Zylinder, insbesondere ein Quader und/oder eine Scheibe. Es ist denkbar, dass eine größte Seitenfläche des Hüllkörpers eine Wölbung aufweist. Vorzugsweise ist eine größte Seitenfläche, insbesondere die Grundfläche, des Hüllkörpers zumindest im Wesentlichen parallel zu der Elektrodenanlegefläche, insbesondere zumindest teilweise überlappend mit der Elektrodenanlegefläche, angeordnet. Unter „im Wesentlichen parallel“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung, insbesondere in einer Ebene, verstanden werden, wobei die Richtung gegenüber der Bezugsrichtung eine Abweichung insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist.
Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit zumindest einen Fluidkanal. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit eine Vielzahl an Fluidkanälen. Darunter dass „die Fluidkanaleinheit einen Volumenanteil eines Hüllkörpers umfasst“, soll insbesondere verstanden werden, dass die Fluidkanaleinheit zumindest teilweise innerhalb des Hüllkörpers angeordnet ist, der insbesondere das Elektrodenträgerelement vollständig umgibt. Vorzugsweise beinhaltet der von der Fluidkanaleinheit eingenommene Volumenanteil zumindest einen materialfreien Innenraum eines Fluidkanals der Fluidkanaleinheit. Vorzugsweise ist der von der Fluidkanaleinheit eingenommene Volumenanteil zumindest im Wesentlich vollständig durch materialfreie Innenräume der Fluidkanäle gegeben. Vorzugsweise soll unter „im Wesentlichen vollständig“ zumindest zu 85 %, vorzugsweise zumindest zu 90%, besonders bevorzugst zumindest zu 99 %, verstanden werden. Insbesondere nimmt das Elektrodenträgerelement einen Volumenanteil des Hüllkörpers ein. Vorzugsweise komplementieren sich der von der Fluidkanaleinheit eingenommene und der von dem Elektrodenträgerelement eingenommene Volumenanteil zumindest im Wesentlichen vollständig zu dem Gesamtvolumen des Hüllkörpers.
Unter „einem wesentlichen Volumenanteil“ soll insbesondere ein Volumenanteil von zumindest 25 %, bevorzugt von zumindest 50 %, besonders bevorzugt von zumindest 75% verstanden werden. Insbesondere nimmt das Elektrodenträgerelement einen Volumenanteil von weniger als 75 %, bevorzugt von weniger als 50 %, besonders bevorzugt von weniger als 25 % des Hüllkörpers ein. Vorzugsweise ist das Elektrodenträgerelement massiv ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung, bei der das Elektrodenträgerelement von der Fluidkanaleinheit unterschiedlich ausgebildete Hohlräume aufweist, zählt ein Volumen dieser Hohlräume zu dem von dem Elektrodenträgerelement eingenommenen Volumenanteil des Hüllkörpers.
Insbesondere ist die Fluidkanaleinheit in das Elektrodenträgerelement eingelassen. Vorzugsweise weist das Elektrodenträgerelement Aussparungen und/oder Durchbrüche zur Formung und/oder zur Aufnahme der Fluidkanaleinheit auf. Insbesondere bildet zumindest ein Fluidkanal der Fluidkanaleinheit einen Durchbruch durch das Elektrodenträgerelement. Vorzugsweise ist zumindest eine einen Fluidkanal begrenzende Kanalwand der Fluidkanaleinheit mit dem Elektrodenträgerelement einstückig 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. Besonders bevorzugt ist zumindest ein Fluidkanal der Fluidkanaleinheit durch einen Materialabtragungsprozess, beispielsweise einen Zerspanungsprozess und/oder einen Ätzprozess, an einem Rohling des Elektrodenträgerelements geformt. Es ist aber auch denkbar, dass zumindest eine einen Fluidkanal begrenzende Kanalwand in einer Ausnehmung des Elektrodenträgerelements kraft- und/oder formschlüssig fixiert ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrodenträgervorrichtung kann eine vorteilhaft hohe Permeabilität des Elektrodenträgerelements, insbesondere für ein Brenngas und/oder ein Oxidans, erreicht werden. Insbesondere kann ein Druckverlust eines durch das Elektrodenträgerelement strömenden Fluids, insbesondere eines Brenngases und/oder eines Oxidans, vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teilbereich einer die Fluidkanaleinheit abschließenden Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements kleinporig ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit eine Vielzahl an Fluidkanälen. Unter einer „Vielzahl“ soll insbesondere zumindest 500, bevorzugt zumindest 750, besonders bevorzugt zumindest 1500 verstanden werden. Vorzugsweise sind zumindest zwei Fluidkanäle zumindest im Wesentlichen parallel angeordnet. Vorzugsweise weist die Fluidkanaleinheit zumindest eine Mündungsöffnung für zumindest einen Fluidkanal auf, welche insbesondere in die Elektrodenanlegefläche mündet. Vorzugsweise weist die Fluidkanaleinheit für jeden Fluidkanal zumindest eine Mündungsöffnung in die Elektrodenanlegefläche auf. Unter „kleinporig“ soll insbesondere verstanden werden, dass eine maximale Erstreckung zumindest der Mehrzahl der Mündungsöffnungen der Fluidkanaleinheit wesentlich kleiner ist als eine maximale Erstreckung der die Mündungsöffnungen umgebenden Elektrodenanlegefläche. Unter „wesentlich kleiner“ soll insbesondere zumindest zehnmal kleiner, vorzugsweise zumindest zwanzigmal kleiner, besonders bevorzugt zumindest vierzigmal kleiner verstanden werden. Vorzugsweise sind die Fluidkanäle in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen in dem Elektrodenträgerelement angeordnet. Insbesondere sind die Mündungsöffnungen an der Elektrodenanlegefläche in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen angeordnet. Vorzugsweise ist eine minimale Stegbreite zwischen zumindest zwei Fluidkanälen, insbesondere zwischen zumindest zwei Mündungsöffnungen, kleiner als eine maximale Erstreckung der Mündungsöffnung. Unter einer „Stegbreite“ soll insbesondere eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements zwischen zwei benachbarten Fluidkanälen, insbesondere zwischen zwei Mündungsöffnungen, verstanden werden. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit eine Vielzahl von Fluidkanälen auf einer Fläche von vorzugsweise weniger als 750 cm², vorzugsweise von weniger als 500 cm², besonders bevorzugt von weniger als 250 cm². Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann zumindest der Teilbereich mit einer vorteilhaft hohen Dichte an Fluidkanälen, insbesondere Mündungsöffnungen, versehen werden. Insbesondere kann ein Abstand eines Punkts der Elektrodeneinheit, welcher an der Fluidkanaleinheit angeordnet ist, zur nächsten Stützstelle der Elektrodenanlegefläche vorteilhaft kurz gestaltet werden, insbesondere bei einer gleichzeitig hohen Permeabilität des Elektrodenträgerelements.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Fluidkanal der Fluidkanaleinheit zumindest einen Teilabschnitt und zumindest einen weiteren Teilabschnitt umfasst, wobei unterschiedliche, insbesondere zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements parallele, Querschnittsflächen des Teilabschnitts und des weiteren Teilabschnitts unterschiedliche Flächeninhalte aufweisen. Vorzugsweise ist der Teilabschnitt an der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Insbesondere endet der Teilabschnitt in der zu dem Fluidkanal zugehörigen Mündungsöffnung der Fluidkanaleinheit. Vorzugsweise ist der weitere Teilabschnitt an dem Teilabschnitt angeordnet. Insbesondere mündet der weitere Teilabschnitt in den Teilabschnitt. Insbesondere ist der weitere Teilabschnitt beabstandet von der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Vorzugsweise umfasst das Elektrodenträgerelement an einer von der Elektrodenanlegefläche abgewandten Außenseite eine Sockelfläche. Vorzugsweise ist der weitere Teilabschnitt an der Sockelfläche des Elektrodenträgerelements angeordnet. Vorzugsweise weist die Fluidkanaleinheit zumindest eine Eingangsöffnung an der Sockelfläche auf, die in den weiteren Teilabschnitt mündet. Vorzugsweise weist der weitere Teilabschnitt eine größere Querschnittsfläche auf als der Teilabschnitt. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des Teilabschnitts und/oder des weiteren Teilabschnitts entlang einer Geraden zur Elektrodenanlegefläche hin zumindest streckenweise konstant. Es ist auch denkbar, dass der Teilabschnitt und/oder der weitere Teilabschnitt sich zumindest streckenweise zur Elektrodenanlegefläche hin verjüngend ausgebildet sind/ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Druckverlust eines durch das Elektrodenträgerelement strömenden Fluids, insbesondere eines Brenngases und/oder eines Oxidans, vorteilhaft auf einen definierten Wert festgelegt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung zumindest ein Fluidverteilungselement umfasst, das an einer von der Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements abgewandten Sockelfläche des Elektrodenträgerelements angeordnet ist und das zu einer fluidtechnischen Verbindung zumindest zweier Fluidkanäle der Fluidkanaleinheit vorgesehen ist. Insbesondere ist das Fluidverteilungselement dazu vorgesehen, ein durch eine Eingangsöffnung der Fluidkanaleinheit einströmendes Fluid auf zumindest zwei, vorzugsweise auf mehr als zehn, besonders bevorzugt auf mehr als zwanzig, Fluidkanäle zu verteilen. Vorzugsweise ist der weitere Teilabschnitt zumindest eines Fluidkanals als Fluidverteilungselement ausgebildet. Insbesondere sind zumindest zwei weitere Teilabschnitte zweier Fluidkanäle einstückig miteinander ausgebildet. Insbesondere sind zumindest zwei Eingangsöffnungen der Fluidkanaleinheit zu zumindest zwei verschiedenen Fluidkanälen der Fluidkanaleinheit einstückig miteinander ausgebildet. Vorzugsweise verbindet zumindest ein weiterer Teilabschnitt eines Fluidkanals zumindest zwei Teilabschnitte verschiedener Fluidkanäle fluidtechnisch miteinander. Insbesondere ist zumindest eine maximale Erstreckung der Querschnittsfläche des weiteren Teilabschnitts größer als ein minimaler Abstand zwischen zwei Teilabschnitten zweier benachbarter Fluidkanäle. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft gleichmäßige Fluidversorgung durch verschiedene Fluidkanäle erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung zumindest ein Versteifungselement zu einer mechanischen Stabilisierung des Elektrodenträgerelements umfasst. Vorzugsweise soll unter einem „Versteifungselement“ zumindest ein Strukturelement verstanden werden, das durch eine Anordnung an dem Elektrodenträgerelement eine Biegefestigkeit des Elektrodenträgerelements erhöht, insbesondere zumindest um 50 % erhöht, bevorzugt zumindest um 100 % erhöht, besonders bevorzugt zumindest um 200 % erhöht. Vorzugsweise ist das Versteifungselement an der Sockelfläche des Elektrodenträgerelements angeordnet, insbesondere mit einer größten Außenfläche des Versteifungselements. Vorzugsweise ist an dem Versteifungselement zumindest ein Fluidversorgungskanal der Elektrodenträgervorrichtung angeordnet. Insbesondere ist der Fluidversorgungskanal in das Versteifungselement eingelassen. Vorzugsweise ist der Fluidversorgungkanal zu einer Fluidversorgung der Fluidkanaleinheit vorgesehen. Insbesondere ist der Fluidversorgungskanal zu einer Versorgung zumindest eines Fluidverteilungselements, vorzugsweise mehrerer Fluidverteilungselemente, vorgesehen. Vorzugsweise ist das Versteifungselement zumindest im Wesentlichen aus Metall, insbesondere dem gleichen Metall wie das Elektrodenträgerelement, gefertigt. Vorzugsweise ist das Versteifungselement stoffschlüssig mit dem Elektrodenträgerelement verbunden. Beispielsweise umfasst das Versteifungselement eine Schweißfläche und/oder eine Klebefläche. Es ist aber auch denkbar dass das Versteifungselement form- und/oder kraftschlüssig mit dem Elektrodenträgerelement verbunden ist, insbesondere verschraubt und/oder gebördelt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Materialstärke des Elektrodenträgerelements bei gleichbleibender Biegefestigkeit vorteilhaft gering gehalten werden. Insbesondere kann ein Materialabtragungsprozess an einem Rohling des Elektrodenträgerelements zur Formung der Fluidkanaleinheit vorteilhaft schnell und vorteilhaft kostengünstig durchgeführt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest eine maximale Erstreckung des Versteifungselements größer ist als eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements. Vorzugsweise weist das Versteifungselement in einem an dem Elektrodenträgerelement angeordneten Zustand eine maximale Erstreckung in einer zu der Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung auf, die größer ist als eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements in dieser Richtung. Insbesondere ist das Versteifungselement in einer zu dem Elektrodenträgerelement senkrechten Richtung zumindest doppelt so groß, bevorzugt zumindest dreimal so groß wie das Elektrodenträgerelement. Vorzugsweise weist das Versteifungselement in einem an dem Elektrodenträgerelement angeordneten Zustand eine maximale Erstreckung in eine zu der Elektrodenanlegefläche parallele Richtung auf, die größer ist als eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements in diese Richtung. Insbesondere ist ein maximaler Umfang des Versteifungselements größer als ein maximaler Umfang des Elektrodenträgerelements, insbesondere der Sockelfläche. Insbesondere ist das Versteifungselement als Platte und/oder Blech ausgebildet. Es ist insbesondere denkbar, dass das Elektrodenträgerelement in einer Vertiefung des Versteifungselements angeordnet wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Versteifungselement vorteilhaft einfach an dem Elektrodenträgerelement angeordnet werden. Insbesondere kann das Versteifungselement vorteilhaft stabil ausgebildet werden.
Darüber hinaus geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einer Herstellung einer Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung, für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, wobei die Elektrodenträgervorrichtung zumindest ein Elektrodenträgerelement zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein wesentlicher Volumenanteil eines Hüllkörpers des Elektrodenträgerelements zur Formung einer Fluidkanaleinheit abgetragen, insbesondere weggeätzt, wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Rohling des Elektrodenträgerelements hergestellt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material von dem Rohling selektiv abgetragen, insbesondere zur Formung der Fluidkanaleinheit. Vorzugsweise wird Material von der größten Außenfläche des Rohlings abgetragen. Insbesondere wird Material von der Elektrodenanlegefläche und/oder der Sockelfläche abgetragen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Elektrodeneinheit auf die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere auf die Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements, aufgebracht, beispielsweise durch einen Heizpressprozess, einen Druckprozess, einen Gasphasenabscheidungsprozess oder dergleichen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt das Elektrodenträgerelement auf das Versteifungselement aufgebracht. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine vorteilhaft hohe Permeabilität des Elektrodenträgerelements, insbesondere für ein Brenngas und/oder ein Oxidans, erreicht werden. Insbesondere kann ein Druckverlust eines durch das Elektrodenträgerelement strömenden Fluids, insbesondere eines Brenngases und/oder eines Oxidans, vorteilhaft klein gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Fluidkanaleinheit durch einen Ätzprozess an dem Elektrodenträgerelement geformt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material mittels eines Ätzprozesses von dem Rohling abgetragen. Vorzugsweise ist der Rohling als Teilabschnitt eines Endlosbandes realisiert. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material mittels eines Reel-to-Reel-Ätzprozesses und/oder eines Coil-To-Coil-Ätzprozesses von dem Rohling abgetragen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit vereinzelt, insbesondere von dem Endlosband abgetrennt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenträgervorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann ein Verfahren mit vorteilhaft massenproduktionstauglichen Verfahrenszeiten zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann auf eine Entgratung, Wärmenachbehandlung und/oder Reinigung der Elektrodenträgervorrichtung nach einer Formung der Fluidkanaleinheit verzichtet werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung der Fluidkanaleinheit das Elektrodenträgerelement von einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements und von einer von der Elektrodenanlegefläche abgewandten Sockelfläche des Elektrodenträgerelements zur gleichen Zeit bearbeitet wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Mündungsherstellungsschritt Material von dem Rohling ausgehend von der Elektrodenanlegefläche abgetragen. Vorzugsweise wird in einem Eingangsherstellungsschritt Material von dem Rohling ausgehend von der Sockelfläche abgetragen. Vorzugsweise wird in dem Mündungsherstellungsschritt der Teilabschnitt zumindest eines Fluidkanals, vorzugsweise aller Fluidkanäle, hergestellt. Vorzugsweise wird in dem Eingangsherstellungsschritt der weitere Teilabschnitt zumindest eines Fluidkanals, vorzugsweise aller Fluidkanäle, hergestellt. Vorzugsweise werden in einem Fluidkanalherstellungsschritt der Mündungsherstellungsschritt und der Eingangsherstellungsschritt zur gleichen Zeit durchgeführt. Insbesondere überlappen sich der Mündungsherstellungsschritt und der der Eingangsherstellungsschritt zeitlich zumindest teilweise. Es ist denkbar, dass der Mündungsherstellungsschritt vor dem Eingangsherstellungsschritt endet oder der Eingangsherstellungsschritt vor dem Mündungsherstellungsschritt endet, insbesondere wenn der Teilabschnitt und der weitere Teilabschnitt unterschiedlich große Volumen umfassen. Es ist denkbar, dass der Mündungsherstellungsschritt vor dem Eingangsherstellungsschritt startet oder dass der Eingangsherstellungsschritt vor dem Mündungsherstellungsschritt startet, insbesondere wenn der Teilabschnitt und der weitere Teilabschnitt unterschiedlich große Volumen umfassen. Alternativ werden der Mündungsherstellungsschritt und der Eingangsherstellungsschritt nacheinander ausgeführt. Es ist auch denkbar, dass zur Herstellung der Fluidkanaleinheit Material nur von einer Seite des Rohlings abgetragen wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können/kann das Elektrodenträgerelement und/oder die Fluidkanaleinheit vorteilhaft zeitsparend und vorteilhaft kostengünstig hergestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung der Fluidkanaleinheit von einer Sockelfläche des Elektrodenträgerelements großflächiger Material entfernt wird als von einer der Sockelfläche abgewandten Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements. Vorzugsweise wird während des Eingangsherstellungsschritts großflächiger Material abgetragen als während des Mündungsherstellungsschritts. Insbesondere wird in dem Eingangsherstellungsschritt zumindest ein Fluidverteilungselement geformt. Insbesondere wird das Fluidverteilungselement an der Sockelfläche geformt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der weitere Teilbereich vorteilhaft zu einer Festlegung eines Druckverlusts und/oder zur Formung eines Fluidverteilungselements verwendet werden. Insbesondere kann ein Fluidverteilungselement vorteilhaft einfach hergestellt werden. Insbesondere kann eine Festlegung des Druckverlusts vorteilhaft einfach durchgeführt werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung eines Fluidkanals von einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements und von einer von der Elektrodenanlegefläche abgewandten Sockelfläche des Elektrodenträgerelements gleichmäßig Material entfernt wird. Vorzugsweise wird während des Eingangsherstellungsschritts gleich viel Material abgetragen wie während des Mündungsherstellungsschritts. Insbesondere wird zumindest ein Fluidkanal hergestellt, der einen Teilabschnitt und einen weiteren Teilabschnitt umfasst, deren, insbesondere zu der Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements parallele, Querschnittsflächen den zumindest im Wesentlichen gleichen Flächeninhalt aufweisen. Darunter, dass zwei Werte „im Wesentlichen gleich sind“, soll insbesondere verstanden werden, dass ein kleinstes Verhältnis der Werte größer als 0,8, bevorzugt größer als 0,9, besonders bevorzugt größer als 0,95 ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können Rüstkosten vorteilhaft gering halten werden. Insbesondere können Stegbreiten zwischen zwei Fluidkanälen vorteilhaft gering gehalten werden.
Darüber hinaus wird eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, vorgeschlagen, welche mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und/oder welche eine erfindungsgemäße Elektrodenträgervorrichtung umfasst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zur Verfügung gestellt werden, die vorteilhaft kostengünstig und vorteilhaft massenproduktionstauglich hergestellt werden kann. Insbesondere kann eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zur Verfügung gestellt werden, die vorteilhaft geringe Querströmungsverluste innerhalb der Elektrodeneinheit aufweist.
Die erfindungsgemäße Elektrodenträgervorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann die erfindungsgemäße Elektrodenträgervorrichtung, das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind acht Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, 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.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines Elektrodenträgerelements der erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
5 eine weitere schematische Darstellung einer Rückseite des Elektrodenträgerelements,
6 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens,
7 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer alternativen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
8 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
9 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer zusätzlichen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
10 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer anderweitigen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
11 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer sonstigen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung und
12 eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche eines Elektrodenträgerelements einer anderen erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a wird mit einem Verfahren 38a hergestellt (siehe 2). Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a umfasst eine Elektrodenträgervorrichtung 10a. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a als, insbesondere metallgestützte, Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a zumindest eine Elektrodeneinheit 16a. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 16a zumindest eine Elektrode 40a. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 16a zumindest eine weitere Elektrode 42a. Vorzugsweise sind/ist die Elektrode 40a und/oder die weitere Elektrode 42a jeweils als Elektrodenschicht ausgebildet. Vorzugsweise ist die Elektrode 40a aus einem Oxidanselektrodenmaterial geformt. Vorzugsweise ist die weitere Elektrode 42a aus einem Brennstoffelektrodenmaterial geformt. Es ist aber auch denkbar, dass die Elektrode 40a aus einem Brennstoffelektrodenmaterial und/oder die weitere Elektrode 42a aus einem Oxidanselektrodenmaterial geformt ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 16a zumindest ein Trennelement 44a, insbesondere eine Trennschicht. Vorzugsweise ist das Trennelement 44a als Elektrolytschicht ausgebildet. Vorzugsweise ist das Trennelement 44a zwischen der Elektrode 40a und der weiteren Elektrode 42a angeordnet. Vorzugsweise ist die Elektrodeneinheit 16a an der Elektrodenträgervorrichtung 10a angeordnet.
Die Elektrodenträgervorrichtung 10a für die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a umfasst zumindest ein Elektrodenträgerelement 14a. Das Elektrodenträgerelement 14a ist zu einer Stützung der Elektrodeneinheit 16a der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a vorgesehen. Die Elektrodenträgervorrichtung 10a umfasst eine in dem Elektrodenträgerelement 14a angeordnete Fluidkanaleinheit 18a. Die Fluidkanaleinheit 18a umfasst zumindest einen wesentlichen Volumenanteil eines Hüllkörpers 20a des Elektrodenträgerelements 14a. Vorzugsweise ist der Hüllkörper 20a als Quader ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18a zumindest einen Fluidkanal 24a, 26a. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18a eine Vielzahl an weiteren Fluidkanälen, wobei diese hier der Übersichtlichkeit halber nicht alle einzeln mit Bezugszeichen versehen sind. Insbesondere nimmt die Fluidkanaleinheit 18a einen Volumenanteil des Hüllkörpers 20a ein. Insbesondere nimmt das Elektrodenträgerelement 14a einen Volumenanteil des Hüllkörpers 20a ein. Vorzugsweise komplementieren sich der von der Fluidkanaleinheit 18a eingenommene und der von dem Elektrodenträgerelement 14a eingenommene Volumenanteil zumindest im Wesentlichen vollständig zu dem Gesamtvolumen des Hüllkörpers 20a. Vorzugsweise umfasst das Elektrodenträgerelement 14a eine Elektrodenanlegefläche 22a. Vorzugsweise ist die Elektrodenanlegefläche 22a an der größten Außenfläche des Elektrodenträgerelements 14a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18a zumindest eine Mündungsöffnung 46a, 48a. Vorzugsweise mündet der Fluidkanal 24a, 26a über die Mündungsöffnung 46a, 48 in die Elektrodenanlegefläche 22a. Vorzugsweise umfasst das Elektrodenträgerelement 14a zumindest eine Sockelfläche 34a. Vorzugsweise ist die Sockelfläche 34a an einer der Elektrodenanlegefläche 22a abgewandten Außenfläche des Elektrodenträgerelements 14a angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18a zumindest eine Eingangsöffnung 50a, 52a. Vorzugsweise ist die Eingangsöffnung 50a, 52a an der Sockelfläche 34a angeordnet. Vorzugsweise mündet die Eingangsöffnung 50a, 52a in den Fluidkanal 24a, 26a. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18a für die Mehrzahl aller Fluidkanäle zumindest je eine Mündungsöffnung und je eine Eingangsöffnung, wobei diese der Übersichtlichkeit halber hier nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Vorzugsweise sind ein Teilabschnitt 28a zumindest eines Fluidkanals 24a und ein weiterer Teilabschnitt 30a dieses Fluidkanals 24a zumindest im Wesentlichen baugleich ausgebildet. Insbesondere weisen der Teilabschnitt 28a und der weitere Teilabschnitt 30a ein im Wesentlichen gleiches Volumen auf. Insbesondere weisen zur Elektrodenanlegefläche 22a parallele Querschnitte des Teilabschnitts 28a und des weiteren Teilabschnitts 30a einen im Wesentlichen gleichen Flächeninhalt auf. Zumindest ein Teilbereich der die Fluidkanaleinheit 18a abschließenden Elektrodenanlegefläche 22a des Elektrodenträgerelements 14a ist kleinporig ausgebildet. Insbesondere ist eine maximale Erstreckung der Mündungsöffnungen 46a, 48a wesentlich kleiner als eine maximale Erstreckung der Elektrodenanlegefläche 22a. Insbesondere ist eine Stegbreite zwischen zwei Mündungsöffnungen 46a, 48a kleiner als eine maximale Erstreckung der Mündungsöffnungen 46a, 48a.
2 zeigt das Verfahren 38a zu einer Herstellung der Elektrodenträgervorrichtung 10a für die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a. Die Elektrodenträgervorrichtung 10a umfasst zumindest das Elektrodenträgerelement 14a zu einer Stützung der Elektrodeneinheit 16a der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12a. In zumindest einem Verfahrensschritt wird zumindest ein wesentlicher Volumenanteil des Elektrodenträgerelements 14a zur Formung einer Fluidkanaleinheit 18a abgetragen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Vorformungsschritt 54a ein Rohling des Elektrodenträgerelements 14a hergestellt. Vorzugsweise ist der Rohling als Abschnitt eines Endlosbandes realisiert. Es ist aber auch denkbar, dass der Rohling als Abschnitt einer Platte ausgebildet ist. Vorzugsweise wird in einem Fluidkanalherstellungsschritt 56a die Fluidkanaleinheit 18a gebildet. Insbesondere wird in dem Fluidkanalherstellungsschritt 56a Material von dem Rohling selektiv abgetragen, insbesondere zur Formung der Fluidkanäle 24a, 26a. Vorzugsweise wird Material von der größten Außenfläche des Rohlings abgetragen. Insbesondere wird Material von der Elektrodenanlegefläche 22a und/oder der Sockelfläche 34a abgetragen. In dem Fluidkanalherstellungsschritt 56a wird die Fluidkanaleinheit 18a durch einen Ätzprozess an dem Elektrodenträgerelement 14a geformt. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material mittels eines Reel-to-Reel-Ätzprozesses und/oder eines Coil-To-Coil-Ätzprozesses von dem Rohling abgetragen. Vorzugsweise wird in zumindest einem Mündungsherstellungsschritt 58a Material von dem Rohling ausgehend von der Elektrodenanlegefläche 22a abgetragen. Vorzugsweise wird in einem Eingangsherstellungsschritt 60a Material von dem Rohling ausgehend von der Sockelfläche 34a abgetragen. In dem Fluidkanalherstellungsschritt 56a wird zur Formung der Fluidkanaleinheit 18a das Elektrodenträgerelement 14a von der Elektrodenanlegefläche 22a des Elektrodenträgerelements 14a und von der von der Elektrodenanlegefläche 22a abgewandten Sockelfläche 34a des Elektrodenträgerelements 14a zur gleichen Zeit bearbeitet. Vorzugsweise werden in dem Fluidkanalherstellungsschritt 56a der Mündungsherstellungsschritt 58a und der Eingangsherstellungsschritt 60a zur gleichen Zeit durchgeführt. In zumindest einem Verfahrensschritt wird zur Formung eines Fluidkanals 24a, 26a von der Elektrodenanlegefläche 22a des Elektrodenträgerelements 14a und von der von der Elektrodenanlegefläche 22a abgewandten Sockelfläche 34a des Elektrodenträgerelements 14a gleichmäßig Material entfernt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Auftragungsschritt 62a die Elektrodeneinheit 16a auf die Elektrodenträgervorrichtung 10a, insbesondere auf die Elektrodenanlegefläche 22a des Elektrodenträgerelements 14a, aufgebracht, beispielsweise durch einen Heizpressprozess, einen Druckprozess, einen Gasphasenabscheidungsprozess oder dergleichen. Es ist denkbar, dass die Elektrodeneinheit 16a in einem vorgelagerten Schritt vorgeformt wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Vereinzelungsschritt 64a die Elektrodenträgervorrichtung 10a zusammen mit der Elektrodeneinheit 16a zu Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheiten 12a vereinzelt, insbesondere von dem Endlosband und/oder der Platte abgetrennt.
In den 3 bis 12 sind weitere Ausführungsbeispiele 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 bis 12 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b bis h ersetzt.
3 zeigt eine Elektrodenträgervorrichtung 10b. Die Elektrodenträgervorrichtung 10b für die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12b umfasst zumindest ein Elektrodenträgerelement 14b. Das Elektrodenträgerelement 14b ist zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit 16b der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12b vorgesehen. Die Elektrodenträgervorrichtung 10b umfasst eine in dem Elektrodenträgerelement 14b angeordnete Fluidkanaleinheit 18b. Die Fluidkanaleinheit 18b umfasst zumindest einen wesentlichen Volumenanteil eines Hüllkörpers 20b des Elektrodenträgerelements 14b. Die Elektrodenträgervorrichtung 10b umfasst zumindest ein Versteifungselement 36b zu einer mechanischen Stabilisierung des Elektrodenträgerelements 14b. Zumindest eine maximale Erstreckung des Versteifungselements 36b ist größer als eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements 14b. Vorzugsweise ist das Versteifungselement 36b als Versteifungsblech ausgebildet. Vorzugsweise ist das Versteifungselement 36b an einer Sockelfläche 34b des Elektrodenträgerelements 14b angeordnet, insbesondere mit einer größten Außenfläche des Versteifungselements 36b. Vorzugsweise weist die größte Außenfläche des Versteifungselements 36b eine größere maximale Erstreckung auf als die Sockelfläche 34b. Vorzugsweise weist das Versteifungselement 36b eine größere Materialdicke als das Elektrodenträgerelement 14b und/oder die Elektrodeneinheit 16b, insbesondere gemeinsam, auf. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung 10b zumindest einen Fluidversorgungskanal 68b, 70b, 72b. Vorzugsweise ist der Fluidversorgungskanal 68b, 70b, 72b in das Versteifungselement 36b eingelassen. Vorzugsweise ist der Fluidversorgungskanal 68b, 70b, 72b zu einer Fluidversorgung der Fluidkanaleinheit 18b vorgesehen. Vorzugsweise mündet der Fluidversorgungskanal 68b, 70b, 72b in zumindest einen weiteren Teilabschnitt 30b, vorzugsweise in mehrere weitere Teilabschnitte, der Fluidkanaleinheit 18b.
Die 4 und 5 zeigen Detailansichten des Elektrodenträgerelements 14b und der Fluidkanaleinheit 18b. Zumindest ein Fluidkanal 24b, 26b der Fluidkanaleinheit 18b umfasst zumindest einen Teilabschnitt 28b. Zumindest ein Fluidkanal 24b, 26b der Fluidkanaleinheit 18b umfasst zumindest einen weiteren Teilabschnitt 30b. Unterschiedliche, insbesondere zu einer Elektrodenanlegefläche 22b des Elektrodenträgerelements 14b parallele Querschnittsflächen des Teilabschnitts 28b und des weiteren Teilabschnitts 30b weisen unterschiedliche Flächeninhalte auf. Vorzugsweise ist der Teilabschnitt 28b an der Elektrodenanlegefläche 22b angeordnet. Vorzugsweise ist der weitere Teilabschnitt 30b an dem Teilabschnitt 28b angeordnet. Vorzugsweise ist der weitere Teilabschnitt 30b an der Sockelfläche 34b des Elektrodenträgerelements 14a angeordnet. Vorzugsweise weist die Fluidkanaleinheit 18b zumindest eine Eingangsöffnung 50b an der Sockelfläche 34b auf, die in den weiteren Teilabschnitt 30b mündet. Vorzugsweise weist der weitere Teilabschnitt 30b eine größere Querschnittsfläche auf als der Teilabschnitt 28b. Die Elektrodenträgervorrichtung 10b umfasst zumindest ein Fluidverteilungselement 32b, das an der von der Elektrodenanlegefläche 22b des Elektrodenträgerelements 14b abgewandten Sockelfläche 34b des Elektrodenträgerelements 14b angeordnet ist und das zu einer fluidtechnischen Verbindung zumindest zweier Fluidkanäle 24b, 26b der Fluidkanaleinheit 18b vorgesehen ist. Insbesondere ist der weitere Teilabschnitt 30b als Fluidverteilungselement 32b ausgebildet. Insbesondere ist der weitere Teilabschnitt 30b als gemeinsamer weiterer Teilabschnitt 30b zumindest zweier Fluidkanäle 24b, 26b ausgebildet. Vorzugsweise verbindet der weitere Teilabschnitt 30b mehrere Teilabschnitte 28b verschiedener Fluidkanäle 24b, 26b fluidtechnisch miteinander. Vorzugsweise sind mehrere Fluidkanäle 24b, 26b, insbesondere mehrere Mündungsöffnungen 46b, 48b der Fluidkanäle 24b, 26b, in regelmäßigen Abständen innerhalb einer Kanalgruppe 66b angeordnet. Vorzugsweise weisen alle Fluidkanäle 24b, 26b in der Kanalgruppe 66b einen gemeinsamen weiteren Teilabschnitt 30b auf. Vorzugsweise ist die Elektrodenanlegefläche 22b zumindest innerhalb der Kanalgruppe 66b kleinporig ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Stegbreite innerhalb der Kanalgruppe 66b kleiner als eine maximale Erstreckung der Mündungsöffnungen 46b, 48b. Vorzugsweise umfasst die Fluidkanaleinheit 18b mehrere Kanalgruppen, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit einem Bezugszeichen versehen sind. Vorzugsweise sind die Kanalgruppen 66b in regelmäßigen Abständen an der Elektrodenanlegefläche 22b verteilt. Insbesondere ist eine Stegbreite zwischen zwei Kanalgruppen 66b größer als oder gleich wie eine Stegbreite innerhalb einer Kanalgruppe 66b.
6 zeigt ein Verfahren 38b zu einer Herstellung der Elektrodenträgervorrichtung 10b für die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12b. Die Elektrodenträgervorrichtung 10b umfasst zumindest das Elektrodenträgerelement 14b zu einer Stützung der Elektrodeneinheit 16b der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 12b. In zumindest einem Verfahrensschritt wird zumindest ein wesentlicher Volumenanteil des Elektrodenträgerelements 14b zur Formung der Fluidkanaleinheit 18b abgetragen. In einem Eingangsherstellungsschritt 60a wird zur Formung der Fluidkanaleinheit 18b von einer Sockelfläche 34b des Elektrodenträgerelements 14b großflächiger Material entfernt als von einer der Sockelfläche 34b abgewandten Elektrodenanlegefläche 22b des Elektrodenträgerelements 14b. Insbesondere wird in dem Eingangsherstellungsschritt 60a das Fluidverteilungselement 32b erstellt. Vorzugsweise wird in einem Versteifungsschritt 74b das Versteifungselement 36b hergestellt. Insbesondere wird in dem Versteifungsschritt 74b der Fluidversorgungskanal 68b, 70b, 72b durch einen Umformungsprozess, insbesondere eine Stanzen und/oder ein Zerspanen, an dem Versteifungselement 36b angeformt. Vorzugsweise wird in dem Versteifungsschritt 74b das Elektrodenträgerelement 14b auf das Versteifungselement 36b aufgebracht, insbesondere fixiert. Vorzugsweise ist der Versteifungsschritt 74b einem Fluidkanalherstellungsschritt 56b nachgelagert. Vorzugsweise ist der Versteifungsschritt 74b einem Auftragungsschritt 62b vorgelagert. Es ist aber auch denkbar, dass der Versteifungsschritt 74b dem Auftragungsschritt 62b und/oder einem Vereinzelungsschritt 64b nachgelagert ist.
Die 7 bis 11 zeigen eine jeweils alternative Ausgestaltung einer Elektrodenträgervorrichtung 10c-10h. Insbesondere zeigen die 7 bis 11 je einen Querschnitt eines Elektrodenträgerelements 14c-14h der Elektrodenträgervorrichtung 10c-10h, insbesondere eines weiteren Teilabschnitts 30c-30h eines Fluidkanals 24c-24h einer Fluidkanaleinheit 18c-18f der Elektrodenträgervorrichtung 10c-10h. Bezüglich weiterer Merkmale der Elektrodenträgervorrichtungen 10c-10h darf insbesondere auch auf die 3 bis 6 und deren Beschreibung verwiesen werden.
7 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche 22d des Elektrodenträgerelements 14d parallelen Querschnitt durch ein Elektrodenträgerelement 14c der Elektrodenträgervorrichtung 10c. Insbesondere weist der weitere Teilabschnitt 30c einen schlangenlinienförmigen oder spiralförmigen Verlauf auf. Insbesondere umfasst die Fluidkanaleinheit 18c genau einen weiteren Teilabschnitt 30c. Insbesondere umfasst die Fluidkanaleinheit 18c genau ein Fluidverteilungselement 32c. Insbesondere verbindet der weitere Teilabschnitt 30c zumindest die Mehrzahl der, vorzugsweise alle, Fluidkanäle 24c der Fluidkanaleinheit 18c fluidtechnisch miteinander. Insbesondere verbindet der weitere Teilabschnitt 30c zumindest die Teilabschnitte der Mehrzahl der, vorzugsweise aller, Fluidkanäle 24c der Fluidkanaleinheit 18c fluidtechnisch miteinander.
8 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements 14d parallelen Querschnitt durch ein Elektrodenträgerelement 14d der Elektrodenträgervorrichtung 10d. Insbesondere weist der weitere Teilabschnitt 30d und/oder das Fluidverteilungselement 32d einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt auf. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18d mehrere in einem rechteckigen Muster regelmäßig verteilte weitere Teilabschnitte und/oder Fluidverteilungselemente auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind.
9 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements 14e parallelen Querschnitt durch ein Elektrodenträgerelement 14e der Elektrodenträgervorrichtung 10e. Insbesondere weist der weitere Teilabschnitt 30e und/oder das Fluidverteilungselement 32e einen rechteckigen Querschnitt auf. Insbesondere erstreckt sich der weitere Teilabschnitt 30e und/oder das Fluidverteilungselement 32e zumindest entlang einer Richtung über eine im Wesentlichen maximale gesamte Erstreckung, insbesondere zumindest über 50 % der, maximalen Erstreckung des Elektrodenträgerelements 14e in dieser Richtung. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18e mehrere zumindest im Wesentlichen parallel angeordnete weitere Teilabschnitte und/oder Fluidverteilungselemente auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind.
10 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements 14f parallelen Querschnitt durch ein Elektrodenträgerelement 14f der Elektrodenträgervorrichtung 10f. Insbesondere weist der weitere Teilabschnitt 30f und/oder das Fluidverteilungselement 32f einen polygonen, insbesondere achteckigen, oder kreisförmigen Querschnitt auf. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18f mehrere in einem rechteckigen Muster regelmäßig verteilte weitere Teilabschnitte und/oder Fluidverteilungselemente auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind.
11 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements 14g parallelen Querschnitt durch ein Elektrodenträgerelement 14g der Elektrodenträgervorrichtung 10g. Vorzugsweise weist der weitere Teilabschnitt 30g, 31g einen rechteckigen Querschnitt auf. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18g mehrere weitere Teilabschnitte auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind. Vorzugsweise überlappen sich zumindest zwei weitere Teilabschnitte 30g, 31g teilweise, insbesondere zur Bildung des Fluidverteilungselements 32g. Insbesondere erstreckt sich das Fluidverteilungselement 32g zumindest entlang einer Haupterstreckungsrichtung über eine im Wesentlichen maximale gesamte Erstreckung, insbesondere zumindest über 50 % der maximalen Erstreckung des Elektrodenträgerelements 14g in die Haupterstreckungsrichtung. Vorzugsweise sind die zumindest zwei sich überlappenden weiteren Teilabschnitte 30g, 31g entlang einer zu der Haupterstreckungsrichtung zumindest im Wesentlichen senkrechten Richtung gegeneinander versetzt angeordnet. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18g mehrere zumindest im Wesentlichen parallel angeordnete weitere Fluidverteilungselemente auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind.
12 zeigt einen zu einer Elektrodenanlegefläche des Elektrodenträgerelements 14h parallelen Querschnitt durch das Elektrodenträgerelement 14h der Elektrodenträgervorrichtung 10h. Insbesondere weist der weitere Teilabschnitt 30h und/oder das Fluidverteilungselement 32h einen sechseckigen Querschnitt auf. Insbesondere weist die Fluidkanaleinheit 18h mehrere in einem wabenförmigen Muster regelmäßig verteilte weitere Teilabschnitte und/oder Fluidverteilungselemente auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind.

Claims

Elektrodenträgervorrichtung für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einem Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit (16a; 16b) der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, gekennzeichnet durch eine in dem Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) angeordnete Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h), welche zumindest einen wesentlichen Volumenanteil eines Hüllkörpers (20a; 20b; 20c; 20d; 20e; 20f; 20g; 20h) des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) umfasst.
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilbereich einer die Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) abschließenden Elektrodenanlegefläche (22a; 22b) des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) kleinporig ausgebildet ist.
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fluidkanal (24b, 24c; 24d; 24e; 24f; 24g; 24h) der Fluidkanaleinheit (18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) zumindest einen Teilabschnitt (28b) und zumindest einen weiteren Teilabschnitt (30b; 30c; 30d; 30e; 30f; 30g; 30h) umfasst, wobei unterschiedliche, insbesondere zu einer Elektrodenanlegefläche (22b) des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) parallele, Querschnittsflächen des Teilabschnitts (28b) und des weiteren Teilabschnitts (30b; 30c; 30d; 30e; 30f; 30g; 30h) unterschiedliche Flächeninhalte aufweisen.
Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Fluidverteilungselement (32b; 32c; 32d; 32e; 32f; 32g; 32h), das an einer von der Elektrodenanlegefläche (22b) des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) abgewandten Sockelfläche (34b) des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) angeordnet ist und das zu einer fluidtechnischen Verbindung zumindest zweier Fluidkanäle (24b, 24c; 24d; 24e; 24f; 24g; 24h) der Fluidkanaleinheit (18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) vorgesehen ist.
Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Versteifungselement (36b) zu einer mechanischen Stabilisierung des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h).
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine maximale Erstreckung des Versteifungselements (36b) größer ist als eine maximale Erstreckung des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h).
Verfahren zu einer Herstellung einer Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere einer Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, für eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere für eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit, wobei die Elektrodenträgervorrichtung zumindest ein Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit (16a; 16b) der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein wesentlicher Volumenanteil des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) zur Formung einer Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) durch einen Ätzprozess an dem Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung der Fluidkanaleinheit (18a; 18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) das Elektrodenträgerelement (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) von einer Elektrodenanlegefläche (22a; 22b) des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) und von einer von der Elektrodenanlegefläche (22a; 22b) abgewandten Sockelfläche (34a; 34b) des Elektrodenträgerelements (14a; 14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) zur gleichen Zeit bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung der Fluidkanaleinheit (18b; 18c; 18d; 18e; 18f; 18g; 18h) von einer Sockelfläche (34b) des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h) großflächiger Material entfernt wird als von einer der Sockelfläche (34b) abgewandten Elektrodenanlegefläche (22b) des Elektrodenträgerelements (14b; 14c; 14d; 14e; 14f; 14g; 14h).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zur Formung eines Fluidkanals (24a) von einer Elektrodenanlegefläche (22a) des Elektrodenträgerelements (14a) und von einer von der Elektrodenanlegefläche (22a) abgewandten Sockelfläche (34a) des Elektrodenträgerelements (14a) gleichmäßig Material entfernt wird.
Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere Festoxidbrennstoffzelleneinheit, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 und/oder mit einer Elektrodenträgervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.