DE102018216100A1

DE102018216100A1 - Elektrodenträgervorrichtung zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit

Info

Publication number: DE102018216100A1
Application number: DE102018216100.3A
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
Also published as: EP3853932A1; CN112740447A; JP7130858B2; JP2022501775A; KR20210058844A; US20210313595A1; WO2020058316A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenträgervorrichtung zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit (12) einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Elektrodenanlegefläche (16) für die Elektrodeneinheit (12).Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung zumindest eine an der Elektrodenanlegefläche (16) angeordnete Formschlusseinheit (18) zu einer Fixierung der Elektrodeneinheit (12) an der Elektrodenanlegefläche (16) umfasst.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Elektrodenträgervorrichtung zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Elektrodenanlegefläche für die Elektrodeneinheit, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenträgervorrichtung zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Elektrodenanlegefläche für die Elektrodeneinheit.
Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenträgervorrichtung zumindest eine an der Elektrodenanlegefläche angeordnete Formschlusseinheit zu einer Fixierung der Elektrodeneinheit an der Elektrodenanlegefläche umfasst. Unter einer „Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle, und/oder eines Elektrolyseur, insbesondere ein Hochtemperaturelektrolyseur, verstanden werden. Insbesondere kann die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamten 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 Verbrennungsprozesses und/oder Trennungsprozesses 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 die Elektrodenträgervorrichtung zu einer mechanischen und/oder thermischen Stabilisierung der Elektrodeneinheit vorgesehen. 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 zumindest in einer zur Elektrodenanlegefläche senkrechten Richtung eine maximale Erstreckung auf, die größer ist als, bevorzugt mehr als doppelt so groß wie, besonders bevorzugt mehr als fünfmal so groß 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 umfasst die Elektrodenträgervorrichtung zumindest einen Grundkörper. Vorzugsweise ist die Elektrodenanlegefläche zumindest als ein Teilbereich einer Oberfläche, insbesondere einer größten Außenfläche, des Grundkörpers ausgebildet. Vorzugsweise ist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere der Grundkörper, flach ausgebildet. Insbesondere weist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere der Grundkörper, zumindest in einer zur Elektrodenanlegefläche, insbesondere zur größten Außenfläche, senkrechten Richtung eine maximale Erstreckung auf, die kleiner ist als eine maximale Erstreckung, bevorzugt kleiner als 1/10 einer maximalen Erstreckung, besonders bevorzugt kleiner als 1/30 einer maximale Erstreckung, der Elektrodenanlegefläche. Vorzugsweise ist, insbesondere zumindest in einem Referenzzustand der Elektrodenträgervorrichtung, ein größter Krümmungsradius einer Krümmung der größten Außenfläche, insbesondere der Elektrodenanlegefläche, größer als, insbesondere mehr als dreimal so groß wie, besonders bevorzugt mehr als fünfmal so groß wie, die maximale Erstreckung der größten Außenfläche, insbesondere der Elektrodenanlegefläche. Vorzugsweise ist der Grundkörper als Folie, als Scheibe, als Gewebe, als Platte oder dergleichen ausgebildet. Insbesondere ist die maximale Erstreckung der Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere des Grundkörpers, in der zur Elektrodenanlegefläche, insbesondere zur größten Außenfläche, senkrechten Richtung zumindest kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 750 µm besonderes bevorzugt kleiner als 500 µm.
Vorzugsweise ist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere der Grundkörper 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 75 % beträgt. Alternativ ist die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere der Grundkörper, zumindest im Wesentlichen aus einer Keramik und/oder einem Kunststoff gefertigt. Vorzugsweise wird die Elektrodenträgervorrichtung 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 andere Material gefertigt sind, beispielsweise zu einer elektrischen und/oder thermischen isolierten Fixierung der Elektrodenträgervorrichtung und/oder einzelner Bauelemente der Elektrodenträger.
Vorzugsweise ist die Formschlusseinheit, insbesondere zumindest ein Formschlusselement der Formschlusseinheit, dazu vorgesehen, eine formschlüssige oder eine form- und kraftschlüssige Verbindung mit der Elektrodeneinheit, insbesondere mit einem zu dem Formschlusselement komplementären Formschlusselement der Elektrodeneinheit, herzustellen. Insbesondere ist die Formschlusseinheit, dazu vorgesehen eine vorhandene kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Elektrodenträgervorrichtung mit der Elektrodeneinheit zusätzlich zu sichern. Vorzugsweise ist die Formschlusseinheit dazu vorgesehen, eine formschlüssige oder eine form- und kraftschlüssige Verbindung in einer zu der Elektrodenanlegefläche im Wesentlichen parallelen Richtung zwischen der Elektrodenträgervorrichtung und der Elektrodeneinheit herzustellen. 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 Formschlusseinheit zumindest ein Formschlusselement, vorzugsweise eine Vielzahl an Formschlusselementen. Beispielsweise umfasst die Formschlusseinheit zumindest eine als Noppe, als Steg, als Haken, als Stift, als Kegel, als Rille, als Öse, als Lamelle, als Ausbuchtung, als Einfassung, als Nut, als Kragen oder dergleichen ausgeformtes Formschlusselement. Vorzugsweise sind zumindest zwei Formschlusselement, vorzugsweise zumindest eine Mehrzahl der Formschlusselemente, zumindest im Wesentlichen baugleich ausgebildet. Unter „im Wesentlichen baugleich“ soll insbesondere bis auf Fertigungstoleranzen verstanden werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Formschlusseinheit zumindest zwei unterschiedlich ausgebildete Formschlusselemente umfasst. Vorzugsweise ist zumindest ein Formschlusselement, vorzugsweise eine Mehrzahl der Formschlusselemente, der Formschlusseinheit an der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest ein Formschlusselement, vorzugsweise eine Mehrzahl der Formschlusselemente, der Formschlusseinheit an dem Grundkörper der Elektrodenträgervorrichtung fixiert.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrodenträgervorrichtung kann eine vorteilhaft sichere Fixierung der Elektrodeneinheit an der Elektrodenträgervorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann eine, beispielsweise durch ein Sintern hergestellte, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Elektrodeneinheit mit der Elektrodenträgervorrichtung zusätzlich gesichert werden. Insbesondere kann die Elektrodenträgervorrichtung in einem mit der Elektrodeneinheit formschlüssig verbundenen Zustand vorteilhaft schnell temperiert, insbesondere aufgeheizt, werden. Insbesondere kann ein Ablösen, insbesondere ein Delaminieren, der Elektrodeneinheit von der Elektrodenträgervorrichtung bei einem, insbesondere schnellen, Temperieren vorteilhaft verhindert werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Formschlusselement der Formschlusseinheit einstückig mit der Elektrodenanlegefläche ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Formschlusseinheit zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen, einstückig mit der Elektrodenanlegefläche, insbesondere mit dem Grundkörper der Elektrodenträgervorrichtung 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. Vorzugsweise ist zumindest ein Formschlusselement als Fertigungselement eines, insbesondere selektiven, Materialabtragungsprozesses von der Elektrodenanlegefläche, beispielsweise eines Schneideprozesses, eines Zerspanungsprozesses, eines Ätzprozesses oder dergleichen, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist zumindest ein Formschlusselement als Fertigungselement eines Materialauftragungsprozesses an der Elektrodenanlegefläche, beispielsweise eines Schweißprozess, eines Klebeprozesses, eines Anspritzprozesses oder dergleichen ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass die Formschlusseinheit als Schicht ausgebildet ist, die auf die Elektrodenanlegefläche aufgebracht ist. Darunter, dass die Formschlusseinheit „im Wesentlichen einstückig“ mit einem Objekt ausgebildet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass zumindest eine Mehrzahl der Formschlusselemente, vorzugsweise alle Formschlusselemente, der Formschlusseinheit einstückig mit dem Objekt ausgebildet ist. Es ist denkbar, dass die Formschlusseinheit zumindest ein Bauelement, insbesondere ein Formschlusselement, aufweist, beispielsweise ein Riegelelement, ein Schraubelement, ein Steckelement, ein Verschlusselement oder dergleichen, das eigenständig ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist die Elektrodenträgervorrichtung vorteilhaft wenige Einzelteile auf. Insbesondere kann eine Aufbringung der Elektrodeneinheit auf die Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere eine Fixierung mit der Formschlusseinheit, vorteilhaft einfach durchgeführt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Formschlusselement der Formschlusseinheit in einem fluidkanalfreien Teilbereich der Elektrodenanlegefläche angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung zumindest einen Fluidkanal. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung eine Vielzahl an, insbesondere zumindest im Wesentlichen baugleichen, Fluidkanälen. Vorzugsweise ist zumindest ein Fluidkanal der Elektrodenträgervorrichtung in den Grundkörper der Elektrodenträgervorrichtung eingelassen. Vorzugsweise ist eine Ausgangsöffnung zumindest eines Fluidkanals der Elektrodenträgervorrichtung an der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Vorzugsweise umgibt die Elektrodenanlegefläche die Ausgangsöffnung des zumindest einen Fluidkanals vollständig. Vorzugsweise weist die Elektrodenanlegefläche zumindest einen Fluidkanalbereich auf. Vorzugsweise ist in dem Fluidkanalbereich die Ausgangsöffnung des zumindest einen Fluidkanals angeordnet. Vorzugsweise umgibt der Fluidkanalbereich die Ausgangsöffnung des zumindest einen Fluidkanals vollständig. Bevorzugt ist/sind in dem Fluidkanalbereich die Mehrzahl der Ausgangsöffnungen und/oder alle Ausgangsöffnungen aller Fluidkanäle in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen voneinander angeordnet. Vorzugsweise ist der Fluidkanalbereich zusammenhängend ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass die Elektrodenanlegefläche mehrere Fluidkanalbereiche aufweist, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Unter einem „fluidkanalfreien Teilbereich“ soll insbesondere ein Teilbereich der Elektrodenanlegefläche verstanden werden, bei dem jeder zu dem Teilbereich gehörende Punkt zumindest einen Mindestabstand zu der Ausgangsöffnung eines Fluidkanals, insbesondere aller Fluidkanäle, aufweist. Vorzugsweise ist der Mindestabstand größer als eine maximale Erstreckung der, insbesondere größten, Ausgangsöffnung. Vorzugsweise ist der Mindestabstand größer als ein minimaler und/oder maximaler Abstand zwischen zwei, insbesondere benachbarten, Ausgangsöffnungen. Vorzugsweise ist der Fluidkanalbereich zumindest im Wesentlichen vollständig von dem fluidkanalfreien Teilbereich und/oder mehreren fluidkanalfreien Teilbereichen umschlossen. Unter „im Wesentlichen vollständig umschlossen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass an zumindest 50 %, vorzugsweise an mehr als 75 %, besonders bevorzugt an mehr als 95 %, eines maximalen Umfangs des Fluidkanalbereichs zumindest ein, insbesondere der, fluidfreier Teilbereich angrenzt. Insbesondere ist der Fluidkanalbereich beabstandet von einer äußeren Begrenzung der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Insbesondere bildet der fluidkanalfreie Teilbereich einen Randbereich zwischen den Fluidkanälen und der äußeren Begrenzung der Elektrodenanlegefläche. Insbesondere ist der fluidkanalfreie Teilbereich zu einem Anlegen, insbesondere Fixieren, des Trennelements der Elektrodeneinheit vorgesehen. Vorzugsweise ist zumindest ein Formschlusselement, vorzugsweise mehrere Formschlusselemente, in dem fluidkanalfreien Teilbereich angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest an einem wesentlichen Anteil des fluidkanalfreien Teilbereichs zumindest ein Formschlusselement angeordnet. Vorzugsweise soll unter „einem wesentlichen Anteil“ eines Bereichs zumindest 10 %, bevorzugt zumindest 30 %, besonders bevorzugt mehr als 50 %, eines Flächeninhalts des Bereichs verstanden werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine fluidtechnische Abdichtung des Fluidkanalbereichs der Elektrodenanlegefläche durch die Elektrodeneinheit vorteilhaft gesichert werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Formschlusselement der Formschlusseinheit in einem Fluidkanalbereich der Elektrodenanlegefläche angeordnet ist. Insbesondere ist zumindest ein Formschlusselement zwischen zumindest zwei Fluidkanälen angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest an einem wesentlichen Anteil des Fluidkanalbereichs zumindest ein Formschlusselement angeordnet. Es ist denkbar, dass in dem Fluidkanalbereich und in dem fluidkanalfreien Teilbereich unterschiedlich ausgeformte und/oder zumindest im Wesentlichen baugleiche Formschlusselemente angeordnet sind. Denkbar ist, dass das zumindest eine Formschlusselement hinterschneidungsfrei ausgebildet ist, insbesondere zu einer Ermöglichung einer kostengünstigen Herstellung des Formschlusselements. Vorzugsweise ist zumindest an einem wesentlichen Anteil der gesamten Elektrodenanlegefläche zumindest ein Formschlusselement angeordnet. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Fluidkanalbereich zumindest eine ausgezeichnete Stützstelle zur Anbringung eines Formschlusselements. Insbesondere ist an der ausgezeichneten Stützstelle eine, insbesondere ansonsten regelmäßige, Anordnung der Ausgangsöffnungen unterbrochen. Insbesondere umfasst der Fluidkanalbereich mehrere ausgezeichnete Stützstellen in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen zueinander. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Elektrodeneinheit vorteilhaft sicher an der Elektrodenträgervorrichtung fixiert werden. Insbesondere kann eine Teilablösung der Elektrodenträgervorrichtung vorteilhaft vermieden werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Formschlusselement der Formschlusseinheit eine Hinterschneidung aufweist. Insbesondere weist ein Profil des Formschlusselements in zumindest einer zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen senkrechten Schnittebene eine Hinterschneidung auf. Der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ soll hier insbesondere eine Ausrichtung einer Richtung relativ zu einer Bezugsrichtung definieren, wobei die Richtung und die Bezugsrichtung, insbesondere in einer Ebene betrachtet, einen Winkel von 90° einschließen und der Winkel eine maximale Abweichung von insbesondere kleiner als 8°, vorteilhaft kleiner als 5° und besonders vorteilhaft kleiner als 2° aufweist. Vorzugsweise weist das Formschlusselement in einer zur Elektrodenanlegefläche parallelen Schnittebene eine Schnittfläche mit einem Flächeninhalt auf, der größer ist als ein Flächeninhalt einer weiteren Schnittfläche in einer zur Elektrodenanlegefläche parallelen weiteren Schnittebene, welche näher an einer von der Elektrodenanlegefläche abgewandten Seite der Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere des Grundkörpers angeordnet ist als die Schnittebene. Vorzugsweise ist das Formschlusselement in Richtung der von der Elektrodenanlegefläche abgewandten Seite verjüngend ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass das Formschlusselement ein Absatz, insbesondere ein T-förmiges Profil, aufweist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Formschluss in eine zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen parallel verlaufende Richtung vorteilhaft zuverlässig gestaltet werden. Insbesondere kann ein zusätzlicher Formschluss in einer zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen senkrechte und/oder querverlaufende Richtung erreicht werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Formschlusseinheit zumindest ein als Mikrozahn ausgebildetes Formschlusselement zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit aufweist. Unter einem „Mikrozahn“ soll insbesondere ein zahnförmiges Formschlusselement verstanden werden, bei dem ein kleinster gedachter Quader, der das zahnförmige Formschlusselement vollständig umgibt, zumindest eine, vorzugsweise zwei, besonders bevorzugt drei charakteristische Kantenlängen aufweist, die in einem Mikrometerbereich liegen, insbesondere zumindest kleiner als 3 mm, vorzugsweise kleiner als 500 µm, besonders bevorzugt kleiner als 100 µm und/oder vorzugsweise zumindest größer als 500 nm, bevorzugt größer als 1 µm sind. Unter einem „zahnförmigen Formschlusselement“ soll insbesondere ein Strukturelement verstanden werden, das zumindest eine Zahnflanke, vorzugsweise zwei Zahnflanken, aufweist, insbesondere zu einer Bildung eines Formschlusses in einer zu der Zahnflanke zumindest im Wesentlichen senkrechten Richtung. Vorzugsweise sind die Zahnflanken bezüglich einer zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen senkrechten Ebene symmetrisch ausgebildet und/oder angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass die Zahnflanken unterschiedlich ausgebildet sind. Beispielsweise weist der Mikrozahn in einer zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen senkrechten Ebene ein rechteckförmiges, ein trapezförmiges, ein dreieckförmiges und/oder ein parabelförmiges Profil auf. Es ist denkbar, dass der Mikrozahn bezüglich einer Symmetrieachse drehsymmetrisch und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Alternativ ist der Mikrozahn als Steg ausgebildet, wobei insbesondere eine maximale Erstreckung des Stegs größer ist als eine maximale Erstreckung des Profils. Vorzugsweise weist die Elektrodeneinheit ein weiteres, insbesondere analog und/oder komplementär ausgebildetes, Formschlusselement, insbesondere einen weiteren Mikrozahn, zu einer Verzahnung mit dem Mikrozahn auf. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Formschlusseinheit vorteilhaft flach ausgestaltet werden. Insbesondere kann die Elektrodenträgervorrichtung vorteilhaft kompakt gestaltet werden. Insbesondere schränkt die Formschlusseinheit ein Design der Elektrodenanlegefläche, insbesondere des Fluidkanalbereichs, vorteilhaft wenig ein. Insbesondere kann auf eine Bereitstellung von ausgezeichneten Stützstellen zu einer Anordnung der Formschlusseinheit, insbesondere des Formschlusselements verzichtet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Formschlusseinheit eine Vielzahl an als Mikrozahn ausgebildeten Formschlusselementen zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit aufweist. Vorzugsweise sind die Mikrozähne in regelmäßigen Abständen an der Elektrodenanlegefläche zueinander angeordnet. Insbesondere sind als Stege ausgebildete Mikrozähne zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Es ist auch denkbar, dass die Mikrozähne unregelmäßig auf der Elektrodenanlegefläche verteilt sind. Insbesondere ist es denkbar, dass die Formschlusseinheit zumindest zwei verschieden ausgebildete Mikrozähne umfasst. Insbesondere sind verschiedene Mikrozähne in verschiedenen Teilbereichen der Elektrodenanlegefläche, beispielsweise in dem Fluidkanalbereich und/oder in dem fluidkanalfreien Bereich, angeordnet. Es ist auch denkbar, dass die Elektrodenanlegefläche zumindest zwei sich zumindest teilweise überlappende Teilbereiche aufweist, in denen die zumindest zwei verschiedenen Mikrozähne angeordnet sind. Vorzugsweise ist zumindest ein wesentlicher Anteil des fluidkanalfreien Teilbereichs, des Fluidkanalbereichs und/oder der gesamten Elektrodenanlegefläche mit Mikrozähnen ausgestattet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein vorteilhaft großer Teilbereich der Elektrodenanlegefläche mit Mikrozähnen versehen werden. Insbesondere kann die Formschlusseinheit eine vorteilhaft hohe effektive Wirkfläche aufweisen. Insbesondere kann ein vorteilhaft sicherer Formschluss oder Form- und Kraftschluss zwischen der Elektrodeneinheit und der Elektrodenträgervorrichtung erreicht werden.
Weiter geht die Erfindung aus von einem Verfahren zu einer Herstellung einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, wobei die Brennstoffzellen- und/oder die Elektrolyseureinheit zumindest eine Elektrodeneinheit und zumindest eine Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere eine erfindungsgemäße Elektrodenträgervorrichtung, zu einer Stützung der Elektrodeneinheit umfasst. Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Elektrodeneinheit zumindest formschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung verbunden wird. Vorzugsweise wird in zumindest einem Elektrodenträgerherstellungsschritt die Elektrodenträgervorrichtung hergestellt. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenträgerherstellungsschritt zumindest ein Grundkörper, insbesondere ein Metallblech, der Elektrodenträgervorrichtung strukturiert. Insbesondere wird in dem Elektrodenträgerherstellungsschritt zumindest ein Fluidkanal in den Grundkörper eingelassen. Vorzugsweise wird der zumindest eine Fluidkanal durch einen Umformungsprozess, insbesondere mittels Stanzen, Prägen, Fräsen, Laserbohren, Laserschneiden oder dergleichen, in den Grundkörper der Elektrodenträgervorrichtung eingelassen. Vorzugsweise wird während des Elektrodenträgerherstellungsschritts die Formschlusseinheit der Elektrodenträgervorrichtung an der Elektrodenanlegefläche angeordnet, insbesondere geformt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Elektrodenherstellungsschritt die Elektrodeneinheit der Elektrodeneinheit hergestellt, insbesondere zumindest vorgeformt. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenherstellungsschritt zumindest ein Rohling, ein Pressling, ein Grünling, ein Weißling, oder dergleichen von der Elektrodeneinheit hergestellt. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit auf einem Transportelement hergestellt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Zusammenführungsschritt die, insbesondere vorgeformte, Elektrodeneinheit auf die Elektrodenträgervorrichtung aufgebracht. Alternativ wird die Elektrodeneinheit direkt auf der Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere schichtweise, hergestellt. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt nach einer Aufbringung auf die Elektrodenträgervorrichtung von einem vorgeformten Zustand, insbesondere durch ein Sintern und/oder durch ein Aushärten, in einen Endzustand überführt. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit in dem Zusammenführungsschritt und/oder während der direkten Herstellung auf der Elektrodenträgervorrichtung formschlüssig oder form- und kraftschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung verbunden. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit in zumindest einem Verfahrensschritt in eine zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen parallele Richtung formschlüssig oder form-und kraftschlüssig mit der Elektrodenträgerrichtung verbunden. Insbesondere wird die Elektrodeneinheit in einem vorgeformten Zustand formschlüssig oder form- und kraftschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung verbunden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann die eine vorteilhaft sichere Fixierung der Elektrodeneinheit an der Elektrodenträgervorrichtung erreicht werden. Insbesondere kann eine, beispielsweise durch ein Sintern hergestellte, kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindung der Elektrodeneinheit mit der Elektrodenträgervorrichtung zusätzlich gesichert werden. Insbesondere kann die Elektrodenträgervorrichtung in einem mit der Elektrodeneinheit formschlüssig verbundenen Zustand vorteilhaft schnell temperiert, insbesondere aufgeheizt, werden. Insbesondere können Prozesszeiten vorteilhaft gering gehalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Formschlusselement einer Formschlusseinheit der Elektrodenträgervorrichtung an der Elektrodenanlegefläche der Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere durch einen Materialabtragungsprozess und/oder durch einen Materialauftragungsprozess, geformt wird. Vorzugsweise wird während des Elektrodenträgerherstellungsschritts die Formschlusseinheit hergestellt. Insbesondere wird während des Elektrodenträgerherstellungsschritts das zumindest eine Formschlusselement der Formschlusseinheit hergestellt. Vorzugsweise wird das Formschlusselement an der Elektrodenanlegefläche angeordnet. Insbesondere wird das Formschlusselement an der Elektrodenanlegefläche geformt. Vorzugsweise wird das Formschlusselement durch zumindest einen, insbesondere selektiven, Materialabtragungsprozess, beispielweise durch einen Zerspanungsprozess, durch einen Laserschneid- und/oder Bohrprozess, durch einen Ätzprozess oder dergleichen, geformt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material von dem Grundkörper der Elektrodenträgervorrichtung zur Formung des Formschlusselements abgetragen. Insbesondere wird Material von der Elektrodenanlegefläche zur Formung des Formschlusselements abgetragen. Alternativ oder zusätzlich wird in zumindest einem Verfahrensschritt Material auf den Grundkörper, insbesondere auf die Elektrodenanlegefläche, aufgebracht, insbesondere zur Formung zumindest eines Formschlusselements, beispielsweise mittels eines Schweißprozesses, eines Klebeprozesses und/oder eines Anspritzprozesses, bevorzugt mittels einer Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft kompakte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit hergestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zu einem Aufbringen der Elektrodeneinheit auf die Elektrodenträgervorrichtung eine Form der Elektrodeneinheit an zumindest ein Formschlusselement einer Formschlusseinheit der Elektrodenträgervorrichtung angepasst wird. Insbesondere wird ein zu dem Formschlusselement analoges oder komplementäres weiteres Formschlusselement an der Elektrodeneinheit, insbesondere an dem Trennelement, angeformt. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit, insbesondere in einen vorgeformten Zustand, auf die Elektrodenanlegefläche aufgebracht. Insbesondere wird die Elektrodeneinheit an dem Formschlusselement angeordnet. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt die Elektrodeneinheit auf das Formschlusselement aufgepresst, insbesondere zu einer plastischen Verformung der Elektrodeneinheit durch das Formschlusselement. Insbesondere wird die Elektrodeneinheit auf das Formschlusselement auflaminiert. Alternativ wird die Elektrodeneinheit direkt auf dem Formschlusselement aufgetragen, beispielsweise mit einem Siebdruckverfahren, einem Sprühprozess, einem Gasphasenabscheidungsverfahren oder dergleichen. In einer alternativen Ausgestaltung wird zumindest ein zu dem Formschlusselement korrespondierendes Formschlusselement der Elektrodeneinheit vor einer Aufbringung der Elektrodeneinheit auf die Elektrodenanlegefläche zumindest vorgeformt und/oder fertiggestellt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein zu dem Formschlusselement korrespondierendes Formschlusselement der Elektrodeneinheit vorteilhaft komplementär zu dem Formschlusselement gestaltet werden. Insbesondere kann das korrespondiere Formelement vorteilhaft passgenau hergestellt werden. Insbesondere kann das korrespondiere Formschlusselement vorteilhaft einfach hergestellt werden. Insbesondere kann auf eine Kontrolle der Fertigungsgenauigkeit verzichtet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Dimensionierung zumindest eines Formschlusselements einer Formschlusseinheit der Elektrodenträgervorrichtung an eine Partikelgröße der Elektrodeneinheit angepasst wird. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit aus zumindest einem Granulat, und insbesondere einem Bindemittel, und/oder eine Paste, die insbesondere Körner aufweist, vorgeformt. Vorzugsweise soll unter einer „Partikelgröße der Elektrodeneinheit“ eine durchschnittliche maximale Erstreckung einzelner Körner der Paste und/oder des Granulats, insbesondere aus welchem die Elektrodeneinheit vorgeformt wird, verstanden werden. Vorzugsweise wird das Formschlusselement derart geformt, dass zumindest eine, insbesondere ein zur Elektrodenanlegefläche zumindest im Wesentlichen senkrechte, charakteristische Kantenlänge eines kleinsten das Formschlusselements vollständig umgebenden Quaders größer ist als die Partikelgröße der Elektrodeneinheit. Besonders bevorzugt werden zwei direkt benachbarte Formschlusselemente mit einem minimalen Abstand zueinander hergestellt, der größer ist als die Partikelgröße der Elektrodeneinheit. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine vorteilhaft zuverlässige Verteilung der Elektrodeneinheit, insbesondere der Körner der Elektrodeneinheit, an, um und zwischen den Formschlusselementen erreicht werden. Insbesondere kann ein zu dem Formschlusselement korrespondierendes Formschlusselement der Elektrodeneinheit vorteilhaft genau an eine Form des Formschlusselements angepasst werden. Insbesondere kann eine Entstehung von Hohlräumen vorteilhaft gering gehalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt das zumindest eine Formschlusselement der Formschlusseinheit der Elektrodenträgervorrichtung mittels Laser-Texturierung oder mittels eines additiven Fertigungsschritts, wie beispielsweise mittels eines Pulverbettverfahrensschritts, eines Freiraumverfahrensschritts, eines Flüssigmaterialverfahrensschritts oder dergleichen, erstellt wird. Vorzugsweise wird die Formschlusseinheit, insbesondere das zumindest eine Formschlusselement, durch eine Laserbearbeitung der Elektrodenanlegefläche hergestellt. Insbesondere wird die Elektrodenanlegefläche mittels Laserbearbeitung texturiert. Insbesondere werden regelmäßige und/oder unregelmäßige Strukturen zur Bildung von Formschlusselementen in die Elektrodenanlegefläche eingebracht. Alternativ oder zusätzlich wird zumindest ein Formschlusselement durch einen Ätzprozess und/oder einen Zerspanungsprozess, insbesondere einen Bohrprozess, einen Fräsprozess und/oder einen Feilprozess, geformt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können vorteilhaft präzise, vorteilhaft regelmäßig angeordnete und/oder vorteilhaft kleine Formschlusselemente realisiert werden.
Weiterhin wird eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit vorgeschlagen, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist und/oder eine erfindungsgemäße Elektrodenträgervorrichtung umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit als metallgestützte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zur Verfügung gestellt werden, die eine vorteilhaft sichere mechanische Verbindung der Elektrodeneinheit und der Elektrodenträgervorrichtung aufweist. Insbesondere kann eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit zur Verfügung gestellt werden, die eine vorteilhaft hohe Toleranz gegen Temperaturgradienten und/oder thermomechanische Spannungen aufweist. Insbesondere kann die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit vorteilhaft schnell zerstörungsfrei temperiert, insbesondere aufgeheizt, werden. Insbesondere weist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit eine vorteilhaft lange Lebensdauer auf.
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 ist ein Ausführungsbeispiel 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.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines Formschlusselements der erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Formschlusselements der erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
5 eine schematische Darstellung zusätzlicher Formschlusselemente der erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung,
6 eine schematische Darstellung eines anderweitigen Formschlusselements der erfindungsgemäßen Elektrodenträgervorrichtung, und
7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14. Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14 wird mit einem Verfahren 38 hergestellt (siehe 7). Die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14 umfasst eine Elektrodenträgervorrichtung 10. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14 zumindest eine Elektrodeneinheit 12. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14 als, insbesondere metallgestütze, Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 12 zumindest eine Elektrode 40. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 12 zumindest eine weitere Elektrode 42. Vorzugsweise ist die Elektrode 40 und/oder die weiter Elektrode 42 jeweils als Elektrodenschicht ausgebildet. Vorzugsweise ist die Elektrode 40 aus einem Oxidanselektrodenmaterial geformt. Vorzugsweise ist die weitere Elektrode 42 aus einem Brennstoffelektrodenmaterial geformt. Es ist aber auch denkbar, dass die Elektrode 40 aus einem Brennstoffelektrodenmaterial und/oder die weitere Elektrode 42 aus einem Oxidanselektrodenmaterial geformt sind/ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit 12 zumindest ein Trennelement 44, insbesondere eine Trennschicht. Vorzugsweise ist das Trennelement 44 als Elektrolytschicht ausgebildet. Vorzugsweise ist das Trennelement 44 zwischen der Elektrode 40 und der weiteren Elektrode 42 angeordnet. Vorzugsweise ist die Elektrodeneinheit 12 an der Elektrodenträgervorrichtung 10 angeordnet.
Die Elektrodenträgervorrichtung 10 ist zu einer Stützung der Elektrodeneinheit 12 der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14 vorgesehen. Die Elektrodenträgervorrichtung 10 umfasst zumindest eine Elektrodenanlegefläche 16 für die Elektrodeneinheit 12. Insbesondere liegt die Elektrodenanlegefläche 16 an der Elektrodeneinheit 12 an. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung 10 zumindest einen, insbesondere flachen, Grundkörper 46. Vorzugsweise ist der Grundkörper 46 als Folie, Scheibe und/oder Platten, insbesondere als Metallblech, ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung 10 zumindest einen Fluidkanal 48. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung 10 eine Vielzahl an, insbesondere zu dem Fluidkanal 48 analog ausgebildeten und insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel angeordneten, weiteren Fluidkanälen. Vorzugsweise ist der Fluidkanal 48 in den Grundkörper 46 eingelassen. Insbesondere durchbricht der Fluidkanal 48 den Grundkörper 46. Vorzugsweise mündet zumindest eine Ausgangsöffnung 50 des Fluidkanals 48 in die Elektrodenanlegefläche 16. Vorzugsweise umgibt die Elektrodenanlegefläche 16 die Ausgangsöffnung 50 in zumindest einer Ebene vollständig. Die Elektrodenanlegefläche 16 weist zumindest einen Fluidkanalbereich 34 auf. Insbesondere ist der Fluidkanal 48, und insbesondere sind alle weiteren Fluidkanäle der Elektrodenträgervorrichtung 10, in dem Fluidkanalbereich 34 angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanlegefläche 16 zumindest einen fluidkanalfreien Teilbereich 32. Vorzugsweise liegt die weitere Elektrodeneinheit 12 an dem Fluidkanalbereich 34 an. Vorzugsweise liegt das Trennelement 44 an dem fluidkanalfreien Teilbereich 32 an. Insbesondere umschließt der fluidkanalfreie Teilbereich 32 den Fluidkanalbereich 34 zumindest in einer Ebene vollständig. insbesondere dichtet das Trennelement 44 den Fluidkanalbereich 34 gegenüber dem fluidkanalfreien Teilbereich 32 und/oder gegenüber der Elektrode 40 fluiddicht ab. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenträgervorrichtung 10 zumindest ein Fluidraumabschlusselement 51. Insbesondere ist das Fluidraumabschlusselement 51 als Metallblech ausgebildet. Insbesondere ist das Fluidraumabschlusselement 51 an dem Grundkörper 46, insbesondere an einer von der Elektrodenanlegefläche 16 abgewandten Außenseite des Grundkörpers 46, angeordnet. Vorzugsweise bildet das Fluidraumabschlusselement 51 und der Grundkörper einen Fluidraum 53 zu einer Verteilung eines Fluids, insbesondere eines Oxidans und/oder eines Brennstoffs, auf den Fluidkanal 48 und/oder auf weitere Fluidkanäle.
2 zeigt eine Detailansicht der Elektrodenträgervorrichtung 10. Die Elektrodenträgervorrichtung 10 umfasst zumindest eine Formschlusseinheit 18. Die Formschlusseinheit 18 ist an der Elektrodenanlegefläche 16 angeordnet. Die Formschlusseinheit 18 ist zu einer Fixierung der Elektrodeneinheit 12 an der Elektrodenanlegefläche 16 vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest ein Formschlusselement 20, 22, 24, 26, 28, 30. Die 3 bis 6 zeigen eine Detailansicht der Formschlusselemente 22, 24, 26, 28, 30. Die Formschlusseinheit 18 weist zumindest ein als Mikrozahn ausgebildetes Formschlusselement 20, 22, 24, 26, 28, 30 zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit 12 auf. Die Formschlusseinheit 18 umfasst eine Vielzahl an als Mikrozahn ausgebildeten Formschlusselementen 20, 22, 24, 26, 28, 30 zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit 12. Die Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 der Formschlusseinheit 18 sind einstückig mit der Elektrodenanlegefläche 16 ausgebildet. Insbesondere sind die Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 einstückig mit dem Grundkörper 46 ausgebildet.
Vorzugsweise weist die Formschlusseinheit 18 zumindest das trapezförmige Formschlusselement 20 auf. Insbesondere weist das trapezförmige Formschlusselement 20 in zumindest einer zur Elektrodenanlegefläche 16 zumindest im Wesentlichen senkrechten Schnittebene ein trapezförmiges Profil auf. Insbesondere weist das trapezförmige Formschlusselement 20 in einer zu der Schnittebene und zu der Elektrodenanlegefläche 16 zumindest im Wesentlichen senkrechten weiteren Schnittebene ein rechteckförmiges und/oder trapezförmiges Profil auf. Insbesondere ist das trapezförmige Formschlusselement 20 als Kegelstumpf, Pyramidenstumpf und/oder als trapezförmiger Steg ausgebildet. Insbesondere weist das trapezförmige Formschlusselement 20 der Formschlusseinheit 18 eine Hinterschneidung 36 auf. Insbesondere bildet die längere charakteristische Trapezseite die Elektrodenanlegefläche 16. Insbesondere ist die kürzere charakteristische Trapezseite von der Elektrodenanlegefläche 16 abgewandt angeordnet.
Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest das quaderförmige Formschlusselement 22 (siehe 3). Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest das zylinderförmige Formschlusselement 24 (siehe 4). Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest das kegelförmige Formschlusselement 26 (siehe 5). Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest das pyramidenförmige Formschlusselement 26 (siehe 5). Vorzugsweise umfasst die Formschlusseinheit 18 zumindest das weitere pyramidenförmige Formschlusselement 30 (siehe 6).
Vorzugsweise weist die Formschlusseinheit 18 eine Vielzahl an zumindest im Wesentlichen baugleichen Formschlusselementen auf. Es ist denkbar, dass die Formschlusseinheit 18 Formschlusselemente nur einer einzigen Bauart aufweist. Es ist auch denkbar, dass in verschiedenen Teilbereichen der Elektrodenanlegefläche 16 verschiedene Bauarten der Formschlusselemente verwendet werden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass in zumindest einem Teilbereich zumindest zwei verschiedene Bauarten der Formschlusselemente, insbesondere abwechselnd, verwendet werden (vgl. 5).
Zumindest eines der Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 der Formschlusseinheit 18 ist in dem fluidkanalfreien Teilbereich 32 der Elektrodenanlegefläche 16 angeordnet. Insbesondere sind die Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 der Formschlusseinheit 18 zu einer Abdichtung des Fluidkanalbereichs 34 vorgesehen, insbesondere zu einer Fixierung des Trennelements 44 und/oder der weiteren Elektrode 42 auf dem Grundkörper 46. Insbesondere sind/ist das trapezförmige Formschlusselement 20, das quaderförmige Formschlusselement 22, das zylinderförmige Formschlusselement 24, das kegelförmige Formschlusselement 26 und/oder das pyramidenförmige Formschlusselement 28 in dem fluidkanalfreien Teilbereich 32 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das weitere pyramidenförmige Formschlusselement 30 in dem fluidkanalfreien Teilbereich 32 angeordnet ist. Zumindest eines der Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 der Formschlusseinheit 18 ist in dem Fluidkanalbereich 34 der Elektrodenanlegefläche 16 angeordnet. Insbesondere ist das weitere pyramidenförmige Formschlusselement 30 in dem Fluidkanalbereich 34 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das trapezförmige Formschlusselement 20, das quaderförmige Formschlusselement 22, das zylinderförmige Formschlusselement 24, das kegelförmige Formschlusselement 26 und/oder das pyramidenförmige Formschlusselement 28 in dem Fluidkanalbereich 34 angeordnet ist/sind.
7 zeig das Verfahren 38 zu einer Herstellung der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 14, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Die Brennstoffzellen- und/oder die Elektrolyseureinheit 14 umfasst zumindest die Elektrodeneinheit 12 und zumindest die Elektrodenträgervorrichtung 10 zu einer Stützung der Elektrodeneinheit 12. In zumindest einem Verfahrensschritt wird die Elektrodeneinheit 12 zumindest formschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung 10 verbunden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 38 einen Elektrodenherstellungsschritt 52. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenherstellungsschritt 52 die Elektrodeneinheit 12 hergestellt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Elektrodenherstellungsschritt 52 die Elektrodeneinheit 12 hergestellt, insbesondere zumindest vorgeformt. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenherstellungsschritt 52 zumindest ein Rohling, ein Pressling, ein Grünling, ein Weißling, oder dergleichen von der Elektrodeneinheit 12 hergestellt. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit 12 auf einem Transportelement 54 hergestellt, insbesondere schichtweise aufgetragen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren 38 zumindest einen Elektrodenträgerherstellungsschritt 56. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenträgerherstellungsschritt 56 die Elektrodenträgervorrichtung 10 hergestellt. Vorzugsweise wird die Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere der Grundkörper 46, zumindest im Wesentlichen aus Titan, Crofer® 22 H/APU, Inconel® 600 oder dergleichen gefertigt. Vorzugsweise wird während eines Fluidkanalbildungsschritts 58 zumindest der Grundkörper 46 der Elektrodenträgervorrichtung 10 strukturiert. Insbesondere wird in dem Fluidkanalbildungsschritt 58 zumindest ein Fluidkanal 48 in den Grundkörper 46 eingelassen. Vorzugsweise wird der zumindest eine Fluidkanal 48 durch einen Umformungsprozess, insbesondere mittels Stanzen, Prägen, Fräsen, Laserbohren, Laserschneiden, Ätzen oder dergleichen, in den Grundkörper 46 der Elektrodenträgervorrichtung 10 eingelassen. Vorzugsweise wird in dem Fluidkanalbildungsschritt 58 die Elektrodenträgervorrichtung 10 entgratet. Vorzugsweise wird in dem Fluidkanalbildungsschritt 58 die Elektrodenträgervorrichtung 10 gereinigt. Vorzugsweise wird in einem Texturierungsschritt 60 die Elektrodenanlegefläche 16 zur Bildung der Formschlusseinheit 18 strukturiert. Der Texturierungsschritt 60 kann vor, nach und/oder gleichzeitig mit dem Fluidkanalbildungsschritt 58 durchgeführt werden. In einem Texturierungsschritt 60 wird zumindest eines der Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 der Formschlusseinheit 18 der Elektrodenträgervorrichtung 10 an der Elektrodenanlegefläche 16 der Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere durch einen Materialabtragungsprozess und/oder durch einen Materialauftragungsprozess, geformt. In einem Texturierungsschritt 60 wird eine Dimensionierung zumindest eines der Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 an eine Partikelgröße der Elektrodeneinheit 12 angepasst. In einem Texturierungsschritt 60 wird zumindest eines der Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 mittels Laser-Texturierung erstellt. Insbesondere wird in dem Texturierungsschritt 60 Material von der Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere von dem Grundkörper 46, abgetragen. Insbesondere wird in dem Texturierungsschritt 60 Material an der Elektrodenanlegefläche 16 abgetragen. Insbesondere werden in dem Texturierungsschritt 60 die Formschlusselemente 20, 22, 24, 26, 28, 30 geformt, insbesondere frei geschnitten. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenträgerherstellungsschritt 56 die Elektrodenträgervorrichtung 10 thermisch nachbehandelt. Vorzugsweise wird in dem Elektrodenträgerherstellungsschritt 56 die Elektrodenträgervorrichtung 10 zu einem Transport und/oder zu einer Lagerung aufgerollt und/oder gestapelt. Es ist auch denkbar, dass die Elektrodenträgervorrichtung 10, beispielsweise über eine Förderanlange, direkt zu einer Weiterverarbeitung befördert wird.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Zusammenführungsschritt 62 die, insbesondere vorgeformte, Elektrodeneinheit 12 auf die Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere auf die Elektrodenanlegefläche, 16 aufgebracht. Vorzugsweise wird in dem Zusammenführungsschritt 62 das Transportelement 54 mit der Elektrodeneinheit 12 an der Elektrodenträgervorrichtung 10 angeordnet. Insbesondere wird die Elektrodeneinheit 12 der Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere der Elektrodenanlegefläche 16 zugewandt. Vorzugsweise umfasst der Zusammenführungsschritt 62 einen Heiz- und/oder Pressprozess, insbesondere zu einem auflaminieren der Elektrodeneinheit 12 auf die Elektrodenträgervorrichtung 10, insbesondere auf die Elektrodenanlegefläche 16. In dem Zusammenführungsschritt 62 wird bei einem Aufbringen der Elektrodeneinheit 12 auf die Elektrodenträgervorrichtung 10 eine Form der Elektrodeneinheit 12 an das zumindest eine Formschlusselement 20, 22, 24, 26, 28, 30 angepasst. Insbesondere wird die vorgeformte Elektrodeneinheit 12, insbesondere zu einer Verformung der Elektrodeneinheit 12, auf die Formschlusseinheit 18 aufgepresst. Insbesondere wird eine Form der Elektrodeneinheit 12 in dem Zusammenführungsschritt 62 komplementär zu zumindest einem Formschlusselement 20, 22, 24, 26, 28, 30 verformt. Insbesondere wird ein Granulat und/oder eine Paste, aus welcher die Elektrodeneinheit 12 aufgebaut ist, an, um und/oder zwischen den Formschlusselementen 20, 22, 24, 26, 28, 30 verteilt. Nach einer Aufbringung der Elektrodeneinheit 12 auf der Elektrodenträgervorrichtung 10 wird das, insbesondere wasserlösliche, Transportelement 54 von der Elektrodeneinheit 12, insbesondere mittels eines Befeuchtens, entfernt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren 38 einen Sinterschritt 64. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit 12 insbesondere in einem auf der Elektrodenträgervorrichtung 10 aufgebrachten Zustand, in dem Sinterschritt 64 gesintert. Spätestens nach dem Sinterschritt 64 und/oder einem zumindest Aushärten der vorgeformten Elektrodeneinheit 12 ist die Elektrodeneinheit 12 formschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung 10 verbunden. Vorzugsweise wird die Elektrodeneinheit 12, insbesondere in einem auf der Elektrodenträgervorrichtung 10 aufgebrachten Zustand, in dem Sinterschritt 64 auf eine Temperatur von mehr als 600°C, bevorzugt mehr als 800°C, bevorzugt mehr als 1000°C gebracht. Vorzugsweise wird in einem Vereinzelungsschritt 66 die Elektrodenträgervorrichtung 10 zusammen mit der Elektrodeneinheit 12 in einzelne metallgestützte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheiten 14 aufgeteilt.

Claims

Elektrodenträgervorrichtung zu einer Stützung einer Elektrodeneinheit (12) einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Elektrodenanlegefläche (16) für die Elektrodeneinheit (12), gekennzeichnet durch zumindest eine an der Elektrodenanlegefläche (16) angeordnete Formschlusseinheit (18) zu einer Fixierung der Elektrodeneinheit (12) an der Elektrodenanlegefläche (16).
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Formschlusselement (20, 22, 24, 26, 28, 30) der Formschlusseinheit (18) einstückig mit der Elektrodenanlegefläche (16) ausgebildet ist.
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass zumindest ein Formschlusselement (20, 22, 24, 26, 28) der Formschlusseinheit (18) in einem fluidkanalfreien Teilbereich (32) der Elektrodenanlegefläche (16) angeordnet ist.
Elektrodenträgervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Formschlusselement (30) der Formschlusseinheit (18) in einem Fluidkanalbereich (34) der Elektrodenanlegefläche (16) angeordnet ist.
Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Formschlusselement (20) der Formschlusseinheit (18) eine Hinterschneidung (36) aufweist.
Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusseinheit (18) zumindest ein als Mikrozahn ausgebildetes Formschlusselement (20, 22, 24, 26, 28, 30) zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit (12) aufweist.
Elektrodenträgervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusseinheit (18) eine Vielzahl an als Mikrozahn ausgebildeten Formschlusselementen (20, 22, 24, 26, 28, 30) zu einer Verzahnung mit der Elektrodeneinheit (12) aufweist.
Verfahren zu einer Herstellung einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit, wobei die Brennstoffzellen- und/oder die Elektrolyseureinheit zumindest eine Elektrodeneinheit (12) und zumindest eine Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere eine Elektrodenträgervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zu einer Stützung der Elektrodeneinheit (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt die Elektrodeneinheit (12) zumindest formschlüssig mit der Elektrodenträgervorrichtung verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Formschlusselement (20, 22, 24, 26, 28, 30) einer Formschlusseinheit (18) der Elektrodenträgervorrichtung an einer Elektrodenanlegefläche (16) der Elektrodenträgervorrichtung, insbesondere durch einen Materialabtragungsprozess und/oder durch einen Materialauftragungsprozess, geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zu einem Aufbringen der Elektrodeneinheit (12) auf die Elektrodenträgervorrichtung eine Form der Elektrodeneinheit (12) an zumindest ein Formschlusselement (20, 22, 24, 26, 28, 30) einer Formschlusseinheit (18) der Elektrodenträgervorrichtung angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Dimensionierung zumindest eines Formschlusselements (20, 22, 24, 26, 28, 30) einer Formschlusseinheit (18) der Elektrodenträgervorrichtung an eine Partikelgröße der Elektrodeneinheit (12) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest ein Formschlusselement (22, 24, 26, 28, 30) einer Formschlusseinheit (18) der Elektrodenträgervorrichtung mittels Laser-Texturierung erstellt wird.
Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 8 bis 12 und/oder mit einer Elektrodenträgervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.