EP3596768A1 - Poröses formteil für elektrochemisches modul - Google Patents

Poröses formteil für elektrochemisches modul

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EP3596768A1
EP3596768A1 EP18714949.7A EP18714949A EP3596768A1 EP 3596768 A1 EP3596768 A1 EP 3596768A1 EP 18714949 A EP18714949 A EP 18714949A EP 3596768 A1 EP3596768 A1 EP 3596768A1
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EP
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gas
cell unit
electrochemical
process gas
molding
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Withdrawn
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EP18714949.7A
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Christian BIENERT
Wolfgang SCHAFBAUER
Marco Brandner
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Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a porous molding for placement in an electrochemical module according to claim 1 and an electrochemical module according to claim 13.
  • the porous molded part according to the invention is used in an electrochemical module which is used inter alia as a solid oxide fuel cell (SOFC), as solid oxide electrolyzer cell (SOEC) and as reversible
  • an electrochemically active cell of the electrochemical module comprises a gas-tight solid electrolyte disposed between a gas-permeable anode and gas-permeable cathode.
  • the electrochemically active components such as anode, electrolyte and cathode are often formed as comparatively thin layers. A thereby required mechanical support function can by one of the electrochemically active
  • Layers such as by the electrolyte, the anode or the cathode, which are then respectively formed thick accordingly (one speaks in these cases of an electrolyte, anode or cathode-supported cell, Engl, electrolyte, anode or cathode supported cell ), or by a component formed separately from these functional layers, such as a ceramic or metallic carrier substrate.
  • metallic carrier substrate one speaks of a metal-supported cell (MSC).
  • MSCs can be used at a comparatively low operating temperature of about 600 ° C are operated up to 800 ° C (while, for example, electrolyte-supported cells are operated in part at operating temperatures of up to 1,000 ° C). Due to their specific advantages, MSCs are particularly suitable for mobile applications, such as for the electrical supply of passenger cars or utility vehicles (APU - auxiliary power unit).
  • the electrochemically active cell units are formed as flat individual elements, which in conjunction with corresponding
  • Metallic housing parts such., Interconnector, frame plate, gas lines, etc. are stacked on a stack and electrically contacted in series. Corresponding housing parts accomplish in the individual cells of the stack each separate supply of process gases - in the case of a fuel cell, the supply of the fuel to the anode and the oxidant to the cathode - and the anode-side and cathode-side derivative of the electrochemical reaction
  • a process gas space is formed within the stack on both sides of the electrolyte.
  • the stack can be executed in a closed design, in which the two, respectively by the electrolyte and corresponding housing parts
  • Gas chambers are sealed gas-tight.
  • an open design is feasible, in which only a process gas space, in the case of a fuel cell, for example, the anode-side process gas space in which the fuel is supplied or the reaction product is discharged, sealed gas-tight, while, for example, the oxidizing agent (oxygen, air) flows through the stack freely.
  • Gas passage openings which can be integrated, for example, in the frame plate, the interconnector or in MSCs in the edge region of the carrier substrate, serve to supply and discharge of the process gases in the sealed process gas chamber and out of this.
  • a stack arrangement is open
  • the various process gas chambers are reliably separated from each other gas-tight and this gas-tight separation is maintained even under mechanical loads and occurring during operation cyclically changing temperatures.
  • Particularly in the production of a stack occur when juxtaposing the modules in the edge region high pressure loads that can lead to bending and cracking in welds, whereby the gas-tightness is at risk.
  • a uniform flow of the electrochemically active layers by the process gases or a uniform discharge of the resulting reaction gases is important.
  • the various electrochemical modules within the stack are supplied in the vertical direction by corresponding channel structures, the supply within an electrochemical module in the horizontal direction by means of distribution structures, which are usually integrated into the interconnector.
  • Interconnectors which also have to accomplish the electrical contacting of adjacent electrochemical cell units, have for this purpose on both sides gas guiding structures, which may be formed, for example, in the shape of a knob or rib.
  • gas guiding structures which may be formed, for example, in the shape of a knob or rib.
  • the interconnector is formed by a correspondingly shaped, metallic sheet metal part, which is analogous to other components in the stack for
  • Weight optimization is carried out as possible as thin as possible. This can easily lead to deformations in the case of mechanical stresses, such as occur during the joining or operation of the stack, especially at the edge region, and therefore be extremely disadvantageous with regard to the required gas-tightness.
  • the object of the present invention is to inexpensively provide an electrochemical module and a molding for use within the process gas space of a
  • electrochemical module in which the gas-tightness of the process gas space of the electrochemical module over long periods of use even at
  • electrochemical module should also be distinguished by advantageous gas line properties, ie it should be as uniform as possible low pressure drop of the process gases within the Process gas space can be achieved, so that a uniform as possible
  • the molding according to claim 1 is used for an electrochemical module, which is used as a high-temperature fuel cell or
  • Solid oxide fuel cell SOFC
  • solid oxide electrolyzer cell SOEC
  • Solid oxide fuel cell R-SOFC
  • the basic structure of such an electrochemical module has an electrochemical cell unit, which has a layer structure with at least one electrochemically active layer and can also include a carrier substrate.
  • an electrochemically active layer is understood here to mean an anode, electrolyte or cathode layer, if appropriate the layer structure can also comprise further layers (made of, for example, cerium-gadolinium oxide between electrolyte and cathode layer)
  • electrochemically active layers Not all electrochemically active layers must be present, but rather the layer structure can also have only one electrochemically active layer (eg the anode), preferably two electrochemically active layers (eg anode and electrolyte), and the further layers, in particular those for Completion of an electrochemical cell unit can be applied later.
  • the electrochemical cell unit may be formed as electrolyte supported cell, anode supported cell, or cathode supported cell, respectively (the epitaxial layer is made thicker and takes on a mechanically supported cell) Function).
  • the layer stack is supported on a porous, plate-shaped metallic support substrate having a preferred thickness typically in the range of 170 ⁇ m to 1.5 mm, especially in the Range of 250 ⁇ to 800 ⁇ , arranged in a gas-permeable, central region.
  • the carrier substrate forms part of the electrochemical cell unit.
  • the application of the layers of the layer stack is carried out in a known manner, preferably by means of PVD (PVD: Physical
  • Vapor phase deposition such as e.g. by sputtering, and / or thermal coating method such as e.g. Flame spraying or plasma spraying and / or wet chemical processes such as e.g. Screen printing, wet powder coating, etc., wherein for the realization of the entire layer structure of a
  • the anode is usually the electrochemically active layer following the carrier substrate, while the cathode is formed on the side of the electrolyte remote from the carrier substrate.
  • Both the anode (in an MSC, for example, formed from a composite consisting of nickel and yttria fully stabilized zirconia) and the cathode (in an MSC, for example formed from mixed conducting perovskites such as (La, Sr) (Co, Fe) 03) are gas permeable .
  • a gas-tight solid electrolyte made of a solid ceramic material of metal oxide e.g., yttria
  • the solid electrolyte may also be conductive to protons, which relates to a younger generation of SOFCs (e.g.
  • Solid electrolyte of metal oxide in particular of barium-zirconium oxide, barium-cerium oxide, lanthanum-tungsten oxide or lanthanum-niobium oxide).
  • the electrochemical module furthermore has at least one metallic gas-tight housing, which forms a gas-tight process gas space with the electrochemical cell unit.
  • the process gas space is limited in the area of the electrochemical cell unit by the gas-tight electrolyte.
  • the interconnector On the opposite side of the process gas space is usually limited by the interconnector, which is considered in the context of the present invention as part of the housing.
  • the interconnector is connected to the gas-tight element of the electrochemical cell unit, optionally in Combination with additional housing parts, in particular circumferential frame plates or the like, which the rest of demarcation of
  • the gas-tight connection of the interconnector preferably takes place by means of soldering and / or soldering
  • Frame sheets which in turn are connected to the carrier substrate gas-tight and so together with the gas-tight electrolyte gas-tight
  • Form process gas chamber for electrolyte-supported cells, attachment may be by sintered connections or by application of sealant (e.g., glass solder).
  • sealant e.g., glass solder
  • the housing extends beyond the region of the electrochemical cell unit on at least one side of the electrochemical cell unit and, as a subspace of the process gas space, forms a process gas guidance chamber open to the electrochemical cell unit.
  • the process gas chamber
  • the gas passage openings for example, in the edge region of the interconnector and in housing parts such as circumferential
  • the supply of the electrochemical cell unit in the inner region of the process gas space by means of distribution structures, preferably in the
  • the interconnector is embodied by a correspondingly shaped metallic sheet metal part, which is, for example, knob-shaped or wavy.
  • fuel for example hydrogen or conventional hydrocarbons, such as methane, natural gas, biogas, etc., possibly fully or partially pre-reformed
  • the electrons are derived from the fuel cell and flow via an electrical load to the cathode.
  • the cathode becomes an oxidizing agent
  • the electrical circuit is closed by flowing in an oxygen ion conductive electrolyte flowing at the cathode oxygen ions to the anode via the electrolyte and to the corresponding
  • Interfaces react with the fuel.
  • a redox reaction is forced using electric current, for example a conversion of water into hydrogen and oxygen.
  • the structure of the SOEC substantially corresponds to the structure of an SOFC outlined above, in which the role of cathode and anode is reversed.
  • a reversible solid oxide fuel cell (R-SOFC) is operable as both SOEC and SOFC.
  • a molded part which is formed as a separate component of the electrochemical cell unit and the housing.
  • the molded part is produced by powder metallurgy and is therefore porous or at least partially porous, if it is post-treated by pressing or local melting, for example, at the edge or on the surface.
  • the molding is preferably formed flat and has a flat body with a
  • the molded part is adapted to the arrangement within the process gas guiding space, in other words its shape is adapted to the interior of the process gas guiding space.
  • the Molded part is in the operation of the electrochemical module within the
  • Process gas routing space i. in the process gas space completely outside the area directly below the layer structure of the electrochemical cell unit.
  • the molded part rests with its upper side against an upper housing part of the process gas guide space and with its lower side against a lower housing part of the process gas guide space.
  • Form part thus corresponds to the room interior height of the
  • the upper and lower housing wall is thereby supported in the region of the process gas guiding space along the stacking direction.
  • the molded part fulfills a mechanical support function.
  • the two-dimensional molded part is a spacer and acts as a support element, the upon application of a contact pressure
  • the molded part can thus absorb mechanical loads in the vertical direction (in the stacking direction of the electrochemical modules), as they occur during the stacking and subsequent pressing of the individual modules into a stack, and transfer them to an adjacent module.
  • the molded part also causes a mechanical reinforcement of the edge region of the electrochemical module. Due to the planar design of the molded part, the bending and torsional rigidity of the housing edge region is significantly increased and thus the housing edge region
  • Process gas guide chamber To optimize the gas line gas line structures may be formed in the molded part, which by the
  • the gas line structures can be designed differently, depending on whether the molded part has to fulfill a gas distributor or a gas collector task.
  • throughgoing gas passage openings are integrated into the molded part.
  • the molding is thereby aligned within the electrochemical module such that the
  • the molding is at least in one direction in the main plane of extension of the gas passage opening to a lateral, the inner process gas space facing edge
  • the molding can generally or at least in this direction have an open, continuous porosity.
  • the gas permeability (porosity) of the molded part can vary spatially and be adjusted accordingly, for example by grading the porosity or locally different compression of the molded part (for example by inhomogeneous pressing).
  • Main extension plane have at least one channel, whereby a more directional gas control and a higher gas flow rate is made possible.
  • a plurality of channels is provided for the purpose of better gas distribution and higher gas flow rate.
  • the channel or channels are preferably formed on the surface and can, for example, by milling, pressing or rolling with appropriate Structures are incorporated into the surface of the molding.
  • Gas passage opening extends to a lateral edge, as viewed from the gas passage opening to the side edge permeable to gas. It is also conceivable that the channel or channels extend at least in sections over the entire thickness of the molded part, that the channels are thus not only superficially formed. In this embodiment, a higher gas flow rate is advantageous, but it must be ensured that the molded part remains in one piece and does not fall apart. To prevent this, the channels extending over the entire thickness can pass over their course into superficial channel structures or porous structures.
  • the shape of the channels can be optimized by various approaches:
  • the channel or channels extend continuously from the gas passage opening to the lateral edge of the molding, which faces the inner process gas space. It can be achieved in this way a high gas flow rate and a low pressure drop.
  • radial is meant that the local tangent to the channel in the region of the mouth of the channel in the gas passage opening through the center of the gas passage opening (geometric center of gravity for non-circular gas passage openings) extends.
  • substantially radial means that the deviation from exactly radial is maximum +/- 15 °.
  • the channels in the lateral edge may open parallel or substantially parallel to one another.
  • parallel to each other is meant that at the lateral edge the local tangents to the different channels are parallel to each other or - if they are in the Are substantially parallel to each other - do not differ more than by the angle +/- 10 °.
  • the individual channels are preferably equidistant from one another at the lateral edge and distributed uniformly over the lateral edge.
  • the cross-sectional area of a channel is chosen to be larger the larger the channel is in the case of several channels. So it is the higher pressure drop over a larger channel length compensated by a larger cross-sectional area of the channel.
  • a plurality of channels extends in a star shape away from the gas passage opening and opens into the lateral edge, which faces the inner process gas space.
  • the channels which initially branch off from the gas passage opening in a direction away from the inner process gas space, are thereby deflected arcuately to the lateral edge, which points in the direction of the inner process gas space.
  • the molding has a plurality of gas passage openings, of which gas line structures for the lateral, the inner
  • the porous molding can be gas-tight pressed on the remaining lateral edge surfaces, which are not facing the inner process gas space in the arrangement in the electrochemical cell, since no gas flow is required in these directions during operation of the electrochemical module.
  • the molding according to the invention is produced separately from the other components of the electrochemical module and preferably by powder metallurgy. It is preferably monolithic, that is to say formed from one piece, by which it is understood that it is not a question of a plurality of components, which may also be interconnected by a material connection (eg soldering, welding, etc.).
  • the powder metallurgical and one-piece Production can be recognized by the microstructure of the molded part.
  • Starting material for the production of the molding is a metal-containing powder, preferably a powder of a corrosion-resistant alloy such as a powder of a Cr (chromium) and / or Fe (iron) based material combination, i. the Cr and Fe content is in total at least 50% by weight, preferably in total at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight.
  • the molded part consists in this case of a ferritic alloy.
  • the preferably powder metallurgical production of the molding is carried out in a known manner by pressing the starting powder, optionally with the addition of organic binders, and
  • the molding is preferably made of the same material as the support substrate of the MSC. This is advantageous because in this case the thermal expansion is the same and no temperature-induced stresses occur.
  • the molded part according to the invention is used in an electrochemical module, in particular in an MSC like them
  • the electrochemical module for the supply and discharge of the process gases each have differently shaped parts.
  • the molded parts may differ in terms of the material used, their shape, porosity, the shape of the formed gas line structures such as the channel structures, etc.
  • the porosity of the molded part used for the gas discharge may be less than the porosity of the molded part used for the gas supply.
  • the molding is in the electrochemical module by a
  • the porous molding has a mechanical supporting function and serves to improve the gas flow in the process gas guiding space.
  • the porous molding is additionally functionalized on its surface to improve its catalytic and / or reactive properties for manipulation of the process gases, i.
  • a manipulation of the process gases processing of the process gases on the educt side or a post-processing on the product side
  • the use of a porous molding is advantageous in the case of functionalization with catalytic and / or reactive properties, since the surface that comes into contact with the passing process gas is significantly larger in a porous component compared to a solid component and accordingly more reactive.
  • the process gas can additionally be reformed by means of the functionalized molding on the educt side (the carbonaceous fuel gas is converted into a synthesis gas from a mixture of carbon monoxide and hydrogen) and / or impurities like sulfur or chlorine.
  • the product side for example, a suitably functionalized molded part can contribute to the purification of volatile chromium.
  • a functionalization of the porous molded part can be carried out by introducing a catalytically and / or reactively acting with the process gas substance into the material of the molding and / or as a superficial coating
  • the catalytically and / or reactive substance can thus already be added to the starting powder for the production of the sintered molded part ("alloyed") and / or applied after the sintering process by a coating process on the surface of the molding with the open pores in this case by customary methods known to the person skilled in the art, for example by means of different deposition processes from the gas phase (physical vapor deposition, chemical vapor deposition), by dip coating (in which the component is infiltrated or impregnated with a melt with the corresponding functional material) or by application of Suspensions or pastes (especially for ceramic materials)
  • chromium, copper and / or titanium, titanium for the purification of the educt gas with respect to oxygen: chromium, copper and / or titanium, titanium also having a restraining effect on carbon at the same time.
  • Getter structures for cleaning against volatile chromium ions oxide ceramics such as Cu-Ni-Mn spinels;
  • titanium, copper or substoichiometric spinel compounds For purifying the product gas against oxygen and preventing back diffusion: titanium, copper or substoichiometric spinel compounds.
  • FIG. 1a a first embodiment of a molding for use in an electrochemical module in perspective view; the molding of Fig. 1a in plan view and
  • FIG. 2b an electrochemical module from FIG. 2b with a molded part according to FIG. 1 a in an exploded view (it should be noted that the electrochemical module in FIG. 2 c in FIG.
  • FIG. 3a a second embodiment of a molding for use in an electrochemical module in perspective view and the molding of Fig. 3a in plan view.
  • FIG. 1a shows a perspective view of a first embodiment of the molded part (10) for use in an electrochemical module (20).
  • the arrangement of the molding (10) within the electrochemical module (20) is shown in Fig. 2b and Fig. 2c.
  • 1 b shows the molded part (10) in plan view and in FIG. 1 c in a side view from the side (A) which, in the arrangement in the electrochemical module (20), faces the interior of the process gas space.
  • the molded part (10) is produced by powder metallurgy and is therefore porous.
  • the molding is flat and has a flat body with a main plane of extension. It has a plurality of gas passage openings
  • Channels (12) each extend in a star-shaped manner from the gas passage openings as far as the lateral edge (A) of the molding, which in the arrangement in the electrochemical module faces the inner process gas space of the electrochemical module. Channels used by the
  • Gas outlet opening (11) originally branch off in a direction away from the inner process gas chamber direction, are thereby deflected arcuately to the lateral edge (A) in the direction of the inner process gas space.
  • the individual channels originally branch off in a direction away from the inner process gas chamber direction, are thereby deflected arcuately to the lateral edge (A) in the direction of the inner process gas space.
  • the mold part (10) from the gas passage opening (11) in the direction of the lateral edge (A) has a gas-permeable, open-pored structure (i.e., gas exchange between individual adjacent pores is possible). At the other lateral edges it is pressed (13) and therefore gas-impermeable in these directions.
  • the process gas flows from the gas passage openings (11) through the channels (12) and the pores to the lateral edge (A) of the molded part, from where it continues to flow into the inner process gas space.
  • the gas flow can also take place in the opposite direction.
  • the number and geometry of the channels is optimized so that the inner
  • Process gas space is supplied as evenly as possible.
  • the distances between adjacent channels are approximately equal at the lateral edge (A), ie, the channels are distributed uniformly over the lateral edge at their mouth.
  • Embodiment approximating the channels at the lateral edge (A) a right angle the channels are thus in this area locally to each other substantially parallel.
  • the channels are formed on the surface and vary in their cross-sectional area.
  • the cross-sectional area of a channel is substantially constant over its length, but chosen to be larger, the greater the length of the channel from the gas passage opening (11) to the lateral edge (A). This is also a measure to ensure the most uniform possible flow or discharge from the distribution structures of the
  • FIG. 2a shows a stack with three electrochemical modules according to the prior art without the molding according to the invention.
  • the arrangement of the molded part in an electrochemical module (20) is shown in Fig. 2b and Fig. 2c.
  • FIGS. 2a and 2b each show a schematic representation of a cross section through a stack (30) with three electrochemical modules (20) stacked on top of one another.
  • the electrochemical modules (20) each have an electrochemical cell unit (21), which consists of a
  • Carrier substrate (22) with the layer structure (23) is gas-tight pressed at the edge and has a plate-shaped basic structure, which may also be locally curved, for example, wave-shaped embodiments in order to increase the surface on a smaller scale.
  • a plate-shaped basic structure which may also be locally curved, for example, wave-shaped embodiments in order to increase the surface on a smaller scale.
  • an interconnector (24) which has a rib structure (24a) in the region where it rests against the carrier substrate (22).
  • Rib structure extends in the cross-sectional plane in Fig. 2a and Fig. 2b.
  • the interconnector (24) extends beyond the region of the electrochemical cell unit (21) and abuts at its outer edge on a frame plate (25) surrounding the electrochemical cell unit.
  • the peripheral frame plate (25) is gas-tight at the inner edge with the
  • the frame plate (25) and the interconnector (24) thus form part of a metallic, gas-tight housing, which defines a gas-tight process gas space (26) with the electrochemical cell unit (21).
  • the process gas guiding space (27) is a subspace of the
  • electrochemical cell unit (21) formed open. In the area of
  • Interconnector gas passage openings (28) for supply and / or discharge of the process gases formed (not shown in Figs. 2a and 2b, since the cut is made laterally of the gas passage openings).
  • Gas passage openings in the housing (28) and the gas passage openings (11) in the molded part are aligned with each other.
  • the gas routing within the stack takes place in the vertical direction (stacking direction of the stack (B)) through corresponding channel structures, which are usually formed in the region of the gas passage openings by separate inserts (29), seals and by targeted application of sealing compound (for example glass solder).
  • sealing compound for example glass solder
  • Channel structures connect in the vertical direction the process gas guidance spaces of adjacent electrochemical modules.
  • FIG. 2 a shows the prior art without a molded part
  • FIGS. 2 b and 2 c show the arrangement of the molded part according to FIG. 1 a within the process gas guide space 27 of the electrochemical module 20. It should be noted that in Figure 2c the electrochemical module is shown upside down in comparison to the modules in Figures 2a and 2b for better visibility of the channels (12). The shape of the molding is attached to the
  • the molding lies with its upper side on the frame plate (25), the upper delimitation of
  • the superficially formed channels (12) are located on the underside of the molding (10) (in Fig. 2c is the molding shown upside down).
  • Fig. 2c is the molding shown upside down.
  • Process gas guiding space takes over the molding an important mechanical function. It serves to support the housing along the stacking direction of the stack (B), so that when applying a contact pressure
  • Frame plate (25) and thin interconnector (24) is significantly increased and thus reduces the risk of cracking in the welds under mechanical loads.
  • the molding is spot welded to the housing and fixed so. Preference is given to the supply and discharge of the
  • Fig. 3a shows schematically a perspective view and Fig. 3b shows the plan view of another embodiment of the molding. In this
  • Embodiment are the individual gas passage openings (11) of the molded part by additional channels with each other.
  • Channel structure contributes to an additional gas balance.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses Formteil (10, 10'; 10") für ein elektrochemisches Modul (20). Das elektrochemische Modul (20) weist dabei mindestens eine elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25) auf, das mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum (26) bildet. Das Gehäuse (24; 25) erstreckt sich auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus, bildet dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) und weist im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27) mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase auf. Das erfindungsgemäße Formteil (10, 10'; 10") ist als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet und zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) sowie zur Abstützung des Gehäuses nach beiden Seiten entlang einer Stapelrichtung (B) des elektrochemischen Moduls angepasst.

Description

PORÖSES FORMTEIL FÜR ELEKTROCHEMISCHES MODUL
Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses Formteil zur Anordnung in einem elektrochemischen Modul gemäß Anspruch 1 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 13.
Das erfindungsgemäße poröse Formteil wird in einem elektrochemischen Modul verwendet, welches unter anderem als Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw. Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), als Festoxid-Elektrolyse- Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) sowie als reversible
Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) einsetzbar ist. In der Basiskonfiguration umfasst eine elektrochemisch aktive Zelle des elektrochemischen Moduls einen gasdichten Feststoffelektrolyten, der zwischen einer gasdurchlässigen Anode und gasdurchlässigen Kathode angeordnet ist. Die elektrochemisch aktiven Komponenten wie Anode, Elektrolyt und Kathode sind dabei häufig als vergleichsweise dünne Schichten ausgebildet. Eine dadurch erforderliche mechanische Stützfunktion kann durch eine der elektrochemisch aktiven
Schichten, wie z.B. durch den Elektrolyt, die Anode oder die Kathode, die dann jeweils entsprechend dick ausgebildet sind (man spricht in diesen Fällen von einer Elektrolyt-, Anoden- bzw. Kathoden-gestützten Zelle; engl, electrolyte, anode or cathode supported cell), oder durch eine von diesen funktionalen Schichten separat ausgebildete Komponente, wie z.B. ein keramisches oder metallisches Trägersubstrat, bereitgestellt werden. Bei letzterem Konzept mit einem separat ausgebildeten, metallischen Trägersubstrat spricht man von einer Metallsubstrat-gestützten Zelle (MSC; metal supported cell). Da bei einer MSC der Elektrolyt, dessen elektrischer Widerstand mit abnehmender Dicke und mit zunehmender Temperatur sinkt, vergleichsweise dünn ausgebildet werden kann (z.B. mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 10 pm), können MSCs bei einer vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur von ca. 600°C bis 800°C betrieben werden (während z.B. Elektrolyt-gestützte Zellen zum Teil bei Betriebstemperaturen von bis zu 1.000 °C betrieben werden). Aufgrund ihrer spezifischen Vorteile sind MSCs insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise zur elektrischen Versorgung von Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen (APU - auxiliary power unit) geeignet. Üblicherweise werden die elektrochemisch aktiven Zelleinheiten als ebene Einzelelemente ausgebildet, welche in Verbindung mit entsprechenden
(metallischen) Gehäuseteilen (z.B. Interkonnektor, Rahmenblech, Gasleitungen, etc.) zu einem Stapel (engl. Stack) übereinander angeordnet und elektrisch in Serie kontaktiert werden. Entsprechende Gehäuseteile bewerkstelligen bei den einzelnen Zellen des Stacks die jeweils voneinander getrennte Zuleitung der Prozessgase - im Falle einer Brennstoffzelle die Zuleitung des Brennstoffs zur Anode und des Oxidationsmittels zur Kathode - sowie die anodenseitige und kathodenseitige Ableitung der bei der elektrochemischen Reaktion
entstehenden Gase.
Bezogen auf eine einzelne elektrochemische Zelle ist innerhalb des Stacks an beiden Seiten des Elektrolyten jeweils ein Prozessgasraum ausgebildet. Der Stack kann in geschlossener Bauweise ausgeführt werden, bei der die beiden, jeweils durch den Elektrolyten und entsprechende Gehäuseteile
(Interkonnektor, gegebenenfalls auch durch ein Rahmenblech oder bei MSCs auch durch den Randbereich des Trägersubstrats) begrenzten
Prozessgasräume gasdicht abgedichtet werden. Für den Stack ist auch eine offene Bauweise realisierbar, bei dem nur ein Prozessgasraum, im Fall einer Brennstoffzelle beispielsweise der anodenseitige Prozessgasraum, in dem der Brennstoff zugeführt bzw. das Reaktionsprodukt abgeführt wird, gasdicht abgedichtet wird, während beispielsweise das Oxidationsmittel (Sauerstoff, Luft) den Stack frei durchströmt. Gasdurchtrittsöffnungen, die beispielsweise in das Rahmenblech, den Interkonnektor oder bei MSCs auch in den Randbereich des Trägersubstrats integriert sein können, dienen dabei zur Zu- und Ableitung der Prozessgase in den abgedichteten Prozessgasraum bzw. aus diesem heraus. In der EP 1 278 259 B1 ist beispielhaft eine Stackanordnung in offener
Bauweise für eine MSC beschrieben.
Für die Funktionsweise des Stacks ist essentiell, dass die verschiedenen Prozessgasräume zuverlässig voneinander gasdicht getrennt werden und diese gasdichte Trennung auch bei mechanischen Belastungen und den im Betrieb auftretenden zyklisch wechselnden Temperaturen aufrechterhalten wird. Insbesondere bei der Fertigung eines Stacks treten beim Aneinanderpressen der Module im Randbereich hohe Druckbelastungen auf, die zu Verbiegungen und Rissbildung bei Schweißnähten führen können, wodurch die Gasdichtheit gefährdet ist.
Für den Wirkungsgrad des elektrochemischen Moduls ist eine gleichmäßige Anströmung der elektrochemisch aktiven Schichten durch die Prozessgase bzw. eine gleichmäßige Ableitung der entstehenden Reaktionsgase wichtig. Bevorzugt soll dabei nur ein geringer Druckabfall auftreten. Während die verschiedenen elektrochemischen Module innerhalb des Stacks in vertikaler Richtung durch entsprechende Kanalstrukturen versorgt werden, erfolgt die Versorgung innerhalb eines elektrochemischen Moduls in horizontaler Richtung mittels Verteilstrukturen, die meist in den Interkonnektor integriert sind.
Interkonnektoren, die auch die elektrische Kontaktierung angrenzender elektrochemischer Zelleinheiten zu bewerkstelligen haben, weisen zu diesem Zweck beidseitig Gasführungsstrukturen, die beispielsweise noppen- rippen- oder wellenförmig ausgebildet sein können, auf. Für viele Anwendungen wird der Interkonnektor durch ein entsprechend geformtes, metallisches Blechteil gebildet, welches analog zu anderen Komponenten im Stack zur
Gewichtsoptimierung nach Möglichkeit möglichst dünn ausgeführt ist. Dies kann bei mechanischen Beanspruchungen, wie sie bei der Fügung oder im Betrieb des Stacks auftreten, insbesondere am Randbereich leicht zu Deformationen führen und daher hinsichtlich der geforderten Gasdichtheit äußerst nachteilig sein.
Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der kostengünstigen Bereitstellung eines elektrochemischen Moduls und eines Formteils zur Verwendung innerhalb des Prozessgasraums eines
elektrochemischen Moduls, bei dem die Gasdichtheit des Prozessgasraums des elektrochemischen Moduls über lange Einsatzdauern auch bei
mechanischen Belastungen und Temperaturschwankungen gewährleistet wird. Weiterentwicklungen des elektrochemischen Moduls sollen sich zudem durch vorteilhafte Gasleitungseigenschaften auszeichnen, d.h. es soll ein möglichst gleichmäßiger geringer Druckabfall der Prozessgase innerhalb des Prozessgasraums erzielt werden, sodass eine möglichst gleichmäßige
Verteilung der Prozessgase über die flächig ausgebildete elektrochemische Zelleinheit erfolgt. Diese Aufgabe wird durch das Formteil gemäß Anspruch 1 , die Verwendung eines Formteils gemäß Anspruch 12 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Formteil wird für ein elektrochemisches Modul eingesetzt, welches als Hochtemperatur-Brennstoffzelle bzw.
Festoxidbrennstoffzelle (SOFC; solid oxide fuel cell), als Festoxid-Elektrolyse- Zelle (SOEC; solid oxide electrolyzer cell) sowie als reversible
Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) einsetzbar ist. Der Grundaufbau eines derartigen elektrochemischen Moduls weist eine elektrochemische Zelleinheit auf, die einen Schichtaufbau mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht aufweist und auch ein Trägersubstrat mitumfassen kann. Als elektrochemisch aktive Schichten werden dabei unter anderem eine Anoden-, Elektrolyt- oder Kathodenschicht verstanden, ggf. kann der Schichtaufbau auch weitere Schichten (aus z.B. Cer-Gadolinium-Oxid zwischen Elektrolyt und
Kathode) aufweisen. Es müssen dabei noch nicht alle elektrochemisch aktiven Schichten vorhanden sein, vielmehr kann der Schichtaufbau auch nur eine elektrochemisch aktive Schicht (z.B. die Anode), vorzugsweise zwei elektrochemisch aktive Schichten (z.B. Anode und Elektrolyt), aufweisen, und die weiteren Schichten, insbesondere diejenigen zur Vervollständigung einer elektrochemischen Zelleinheit, können erst nachträglich aufgebracht werden. Die elektrochemische Zelleinheit kann als Elektrolyt-gestützte Zelle (electrolyte supported cell), Anoden- gestützte Zelle (anode supported cell) bzw. als Kathoden-gestützten Zelle (cathode supported cell) ausgebildet sein (die namensgebende Schicht ist dicker ausgeführt und übernimmt eine mechanisch tragende Funktion). Bei einer Metallsubstrat-gestützten Zelle (MSC), einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, ist der Schichtstapel auf einem porösen, plattenförmigen, metallischen Trägersubstrat mit einer bevorzugten Dicke typischerweise im Bereich von 170 pm bis 1 ,5 mm, insbesondere im Bereich von 250 μπη bis 800 μηι, in einem gasdurchlässigen, zentralen Bereich angeordnet. Das Trägersubstrat bildet dabei einen Teil der elektrochemischen Zelleinheit. Die Aufbringung der Schichten des Schichtstapels erfolgt in bekannter Weise vorzugsweise mittels PVD (PVD: Physikalische
Dampfphasenabscheidung) wie z.B. mittels Sputtern, und/oder thermischer Beschichtungsverfahren wie z.B. Flammspritzen oder Plasmaspritzen und/oder nasschemischer Verfahren wie z.B. Siebdruck, Nasspulverbeschichten, etc., wobei für die Realisierung des gesamten Schichtaufbaus einer
elektrochemischen Zelleinheit auch mehrere dieser Verfahren kombiniert werden können. Üblicherweise ist die Anode die auf das Trägersubstrat nächstfolgende, elektrochemisch aktive Schicht, während die Kathode auf der dem Trägersubstrat abgewandten Seite des Elektrolyten ausgebildet ist.
Alternativ ist aber auch eine umgekehrte Anordnung der beiden Elektroden möglich.
Sowohl die Anode (bei einer MSC z.B. gebildet aus einem Komposit bestehend aus Nickel und mit Yttriumoxid vollstabilisiertem Zirkoniumdioxid) als auch die Kathode (bei einer MSC z.B. gebildet aus gemischtleitenden Perovskiten wie (La,Sr)(Co,Fe)03) sind gasdurchlässig ausgebildet. Zwischen Anode und Kathode ist ein gasdichter Feststoffelektrolyt aus einem festen, keramischen Werkstoff aus Metalloxid (z.B. aus Yttriumoxid vollstabilisierten
Zirkoniumdioxid), der für Sauerstoffionen leitfähig ist, nicht aber für Elektronen, ausgebildet. Alternativ kann der Feststoffelektrolyt auch für Protonen leitfähig sein, wobei dies eine jüngere Generation von SOFCs betrifft (z.B.
Feststoffelektrolyt aus Metalloxid, insbesondere aus Barium-Zirkonium-Oxid, Barium-Cer-Oxid, Lanthan-Wolfram-Oxid oder Lanthan-Niob-Oxid).
Das elektrochemische Modul weist ferner mindestens ein metallisches gasdichtes Gehäuse auf, welches mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum bildet. Der Prozessgasraum wird im Bereich der elektrochemischen Zelleinheit durch den gasdichten Elektrolyten begrenzt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Prozessgasraum üblicherweise durch den Interkonnektor begrenzt, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Teil des Gehäuses betrachtet wird. Der Interkonnektor ist mit dem gasdichten Element der elektrochemischen Zelleinheit, gegebenenfalls in Kombination mit zusätzlichen Gehäuseteilen, insbesondere umlaufenden Rahmenblechen oder dergleichen, welche die restliche Abgrenzung des
Prozessgasraums bilden, gasdicht verbunden. Bei MSCs erfolgt die gasdichte Anbindung des Interkonnektors bevorzugt mittels Löt- und/oder
Schweißverbindungen über zusätzliche Gehäuseteile, bspw. umlaufende
Rahmenbleche, die wiederum mit dem Trägersubstrat gasdicht verbunden sind und so gemeinsam mit dem gasdichten Elektrolyten einen gasdichten
Prozessgasraum bilden. Bei Elektrolyt-gestützten Zellen kann die Anbindung mittels gesinterter Verbindungen oder durch Auftragung von Dichtmasse (z.B. Glaslot) erfolgen.
„Gasdicht" bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere, dass die Leckrate bei ausreichender Gasdichtigkeit standardmäßig < 10-3 hPa*dm3 /cm2 s (hPa: Hektopascal, dm3: Kubikdezimeter, cm2: Quadratzentimeter, s: Sekunde) beträgt (gemessen unter Luft mit Druckanstiegsmethode mit dem Messgerät der Firma Dr. Wiesner, Remscheid, Typ: Integra DDV bei einer Druckdifferenz dp = 100 hPa).
Das Gehäuse erstreckt sich auf mindestens einer Seite der elektrochemischen Zelleinheit über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit hinaus und bildet als einen Unterraum des Prozessgasraums einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum. Der Prozessgasraum
untergliedert sich daher (gedacht) in zwei Teilbereiche, in einen inneren Bereich direkt unterhalb des Schichtaufbaus der elektrochemischen Zelleinheit und in einen, den inneren Bereich umgebenden Prozessgasführungsraum.
Im Bereich des Prozessgasführungsraums sind im Gehäuse
Gasdurchtrittsöffnungen ausgebildet, die der Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase dienen. Die Gasdurchtrittsöffnungen können beispielsweise im Randbereich des Interkonnektors und in Gehäuseteilen wie umlaufende
Rahmenbleche integriert sein.
Die Versorgung der elektrochemischen Zelleinheit im inneren Bereich des Prozessgasraums erfolgt mittels Verteilstrukturen, die bevorzugt in den
Interkonnektor integriert sind. Vorzugsweise wird der Interkonnektor durch ein entsprechend geformtes, metallisches Blechteil, das beispielsweise noppen- rippen- oder wellenförmig ausgebildet ist, ausgeführt. Im Betrieb des elektrochemischen Moduls als SOFC wird der Anode Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff oder herkömmliche Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Erdgas, Biogas, etc., ggf. vollständig oder teilweise vorreformiert) über die Gasdurchtrittsöffnung und Verteilstrukturen des Interkonnektors zugeführt und dort katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode. An der Kathode wird ein Oxidationsmittel
(beispielsweise Sauerstoff oder Luft) durch Aufnahme der Elektronen reduziert. Der elektrische Kreislauf schließt sich, indem bei einem für Sauerstoffionen leitfähigen Elektrolyten die an der Kathode entstehenden Sauerstoffionen über den Elektrolyten zu der Anode fließen und an den entsprechenden
Grenzflächen mit dem Brennstoff reagieren.
Im Betrieb des elektrochemischen Moduls als Festoxid-Elektrolyse-Zelle (SOEC) wird unter Einsatz von elektrischem Strom eine Redoxreaktion erzwungen, beispielsweise eine Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Aufbau der SOEC entspricht im Wesentlichen dem oben skizzierten Aufbau einer SOFC, wobei die Rolle von Kathode und Anode vertauscht ist. Eine reversible Festoxidbrennstoffzelle (R-SOFC) ist sowohl als SOEC als auch als SOFC betreibbar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Formteil geschaffen, welches als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit und dem Gehäuse ausgebildet ist. Das Formteil wird pulvermetallurgisch hergestellt und ist daher porös bzw. zumindest abschnittsweise porös, falls es durch Verpressen oder lokales Aufschmelzen beispielsweise am Rand bzw. an der Oberfläche nachbehandelt wird. Durch die Verwendung eines porösen Formteils kann gegenüber einem Massivteil entscheidendes Gewicht bei vergleichbaren mechanischen Eigenschaften gespart werden. Das Formteil ist bevorzugt flächig ausgebildet und besitzt einen flachen Körper mit einer
Haupterstreckungsebene. Erfindungsgemäß ist das Formteil zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums angepasst, in anderen Worten ist seine Form an den Innenraum des Prozessgasführungsraums angepasst. Das Formteil wird im Betrieb des elektrochemischen Moduls innerhalb des
Prozessgasführungsraums angeordnet, vorteilhafterweise vollständig im
Prozessgasführungsraum, d.h. im Prozessgasraum vollständig außerhalb des Bereichs direkt unterhalb des Schichtaufbaus der elektrochemischen Zelleinheit angeordnet.
Vorteilhafterweise liegt das Formteil mit seiner Oberseite an einem oberen Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums und mit seiner Unterseite an einem unteren Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums an. Die Dicke des
Formteils entspricht dabei also der Raum-Innenhöhe des
Prozessgasführungsraums. Die obere und untere Gehäusewand wird dadurch im Bereich des Prozessgasführungsraums entlang der Stapelrichtung gestützt.
Die Verwendung dieses Formteils für ein elektrochemisches Modul ist in mehrerer Hinsicht vorteilhaft.
Als wichtige Aufgabe erfüllt das Formteil eine mechanische Stützfunktion. Wie bereits oben angedeutet ist das flächig ausgebildete Formteil ein Distanzhalter und wirkt als Abstützelement, das bei Anlegen eines Anpressdrucks ein
Zusammendrücken des Gehäuse-Randbereichs verhindert. Das Formteil kann also mechanische Lasten in vertikaler Richtung (in Stapelrichtung der elektrochemischen Module), wie sie bei der Stapelung und anschließendem Pressen der einzelnen Module zu einem Stack auftreten, aufnehmen und auf ein benachbartes Modul übertragen.
Das Formteil bewirkt zudem eine mechanische Verstärkung des Randbereichs des elektrochemischen Moduls. Aufgrund der flächigen Ausgestaltung des Formteils wird die Biegungs- und Torsionssteifigkeit des Gehäuse- Randbereichs signifikant erhöht und so der Gehäuse-Randbereich vor
Verbiegungen oder anderen Deformationen geschützt. Dadurch können im Randbereich des Moduls zusätzliche Beanspruchungen der Schweißnähte oder anderer, beispielsweise gelöteter oder gesinterter Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Gehäuseteilen bzw. der elektrochemischer Zelleinheit, die in der Praxis häufig Schwachpunkte hinsichtlich der Gasdichtheit darstellen, vermieden werden. Neben diesen mechanischen Aufgaben dient das Formteil in vorteilhaften Weiterbildungen der Verbesserung der Gasleitung innerhalb des
Prozessgasführungsraums. Zur Optimierung der Gasleitung können im Formteil Gasleitungsstrukturen ausgebildet sein, die das durch die
Gasdurchtrittsöffnungen einströmende Gas in den inneren Bereich des
Prozessgasraums zu den Gasleitungsstrukturen des Interkonnektors
weiterleiten bzw. ausströmendes Gas vom inneren Bereich des
Prozessgasraums zu den ausleitenden Gasdurchtrittsöffnungen führen. Die Gasleitungsstrukturen können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein, je nachdem, ob das Formteil eine Gasverteiler- oder eine Gassammleraufgabe zu erfüllen hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in das Formteil durchgehende Gasdurchtrittsöffnungen integriert. Das Formteil wird dabei innerhalb des elektrochemischen Moduls derart ausgerichtet, dass die
Gasdurchtrittsöffnungen des Formteils in die Gasdurchtrittsöffnungen des Prozessgasführungsraums (Gehäuses) münden und ein vertikal durchgehender Gaskanal innerhalb des Stacks entsteht. Damit ein Gasstrom zur
elektrochemischen Zelleinheit möglich wird, ist das Formteil zumindest in einer Richtung in der Haupterstreckungsebene von der Gasdurchtrittsöffnung bis zu einem seitlichen, dem inneren Prozessgasraum zugewandten Rand
gasdurchlässig. Dazu kann das Formteil generell bzw. zumindest in dieser Richtung eine offene, durchgehende Porosität aufweisen. Zwecks Optimierung der Gasströmung kann die Gasdurchlässigkeit (Porosität) des Formteils dabei räumlich variieren und beispielsweise durch Gradierung der Porosität oder lokal unterschiedliche Verdichtung des Formteils (beispielsweise durch inhomogenes Verpressen) entsprechend eingestellt werden.
Alternativ oder ergänzend kann das Formteil entlang der
Haupterstreckungsebene mindestens einen Kanal aufweisen, wodurch eine noch stärker gerichtete Gaslenkung und eine höhere Gasdurchsatzrate ermöglicht wird. Vorteilhafterweise wird zwecks einer besseren Gasverteilung und höheren Gasdurchsatzrate eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen. Der bzw. die Kanäle werden bevorzugt oberflächlich ausgebildet und können beispielsweise durch Fräsen, Pressen oder Walzen mit entsprechenden Strukturen in die Oberfläche des Formteils eingearbeitet werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ein poröses Formteil mit geschlossener Porosität und einer oberflächlichen Kanalstruktur, die von der
Gasdurchtrittsöffnung bis zu einem seitlichen Rand verläuft, auch als von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand gasdurchlässig betrachtet. Es ist auch denkbar, dass sich der bzw. die Kanäle zumindest abschnittsweise über die gesamte Dicke des Formteils erstrecken, dass die Kanäle also nicht nur oberflächlich ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform vorteilhaft ist eine höhere Gasdurchsatzrate, es muss aber darauf geachtet werden, dass das Formteil einteilig bleibt und nicht auseinanderfällt. Um dem vorzubeugen, können die sich über die gesamte Dicke erstreckenden Kanäle über ihren Verlauf in oberflächliche Kanalstrukturen oder poröse Strukturen übergehen.
Zur Verbesserung des Strömungsverhaltens kann die Form der Kanäle durch verschiedene Ansätze optimiert werden:
In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der bzw. die Kanäle durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand des Formteils, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist. Es kann auf diese Weise eine hohe Gasdurchsatzrate und ein geringer Druckabfall erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist im Bereich der
Gasdurchtrittsöffnung vorgesehen, dass sich der bzw. die Kanäle von der Gasdurchtrittsöffnung radial oder im Wesentlichen radial nach außen
erstrecken. Mit radial ist dabei gemeint, dass die lokale Tangente an den Kanal im Bereich der Einmündung des Kanals in die Gasdurchtrittsöffnung durch den Mittelpunkt der Gasdurchtrittsöffnung (geometrischer Schwerpunkt bei nicht kreisförmigen Gasdurchtrittsöffnungen) verläuft. Im Wesentlichen radial bedeutet, dass die Abweichung von exakt radial maximal +/- 15° beträgt.
Um eine gleichmäßige Anströmung bzw. Ableitung von den Verteilstrukturen des Interkonnektors im Inneren des Prozessgasraums zu erzielen, können die Kanäle im seitlichen Rand, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist, zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel einmünden. Mit zueinander parallel ist gemeint, dass am seitlichen Rand die lokale Tangenten an die verschiedenen Kanäle zueinander parallel verlaufen bzw. - falls sie im Wesentlichen zueinander parallel sind - sich nicht mehr als um den Winkel +/- 10° unterscheiden. Die einzelnen Kanäle sind am seitlichen Rand bevorzugt äquidistant zueinander und gleichmäßig über den seitlichen Rand verteilt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist als weitere Maßnahme für eine gleichmäßige Verteilung bzw. Ableitung der Prozessgase vorgesehen, dass bei mehreren Kanälen die Querschnittsfläche eines Kanals umso größer gewählt wird, je länger der Kanal ist. Es wird also der höhere Druckabfall über eine größere Kanallänge durch eine größere Querschnittsfläche des Kanals kompensiert.
Gemäß einer vorteilhaften, strömungsoptimierten Weiterbildung erstreckt sich eine Mehrzahl von Kanälen sternförmig von der Gasdurchtrittsöffnung weg und mündet in den seitlichen Rand, der dem inneren Prozessgasraum zugewandt ist. Die Kanäle, die von der Gasdurchtrittsöffnung ursprünglich in eine dem inneren Prozessgasraum abgewandte Richtung abzweigen, werden dabei bogenförmig an den seitlichen Rand, der in Richtung innerer Prozessgasraum weist, umgelenkt.
In vorteilhafter Weise weist das Formteil mehrere Gasdurchtrittsöffnungen auf, von denen jeweils Gasleitungsstrukturen zum seitlichen, dem inneren
Prozessgasraum zugewandten Rand des Formteils abzweigen. Dies ermöglicht eine effiziente und gleichmäßige Versorgung des inneren Prozessgasraums.
Das poröse Formteil kann an den restlichen seitlichen Randflächen, die in der Anordnung in der elektrochemischen Zelle nicht dem inneren Prozessgasraum zugewandt sind, gasdicht verpresst sein, da im Betrieb des elektrochemischen Moduls in diese Richtungen keine Gasströmung erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Formteil wird separat von den übrigen Komponenten des elektrochemischen Moduls und vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellt. Es ist bevorzugt monolithisch, d.h. aus einem Stück, ausgebildet, worunter verstanden wird, dass es sich nicht um mehrere, ggf. auch durch eine stoffschlüssige Verbindung (z.B. Löten, Schweißen, etc.) miteinander verbundene Bauteile handelt. Die pulvermetallurgische und einstückige Herstellung ist anhand der Mikrostruktur des Formteils erkennbar. Als
Ausgangsmaterial für die Herstellung des Formteils dient ein metallhaltiges Pulver, bevorzugt ein Pulver aus einer korrosionsstabilen Legierung wie beispielsweise ein Pulver aus einer auf Cr (Chrom) und/oder Fe (Eisen) basierten Materialkombination, d.h. der Cr- und Fe-Anteil beträgt in Summe mindestens 50 Gew.%, bevorzugt in Summe mindestens 80 Gew.%, vorzugsweise mindestens 90 Gew.%. Das Formteil besteht in diesem Fall aus einer ferritischen Legierung. Die vorzugsweise pulvermetallurgische Herstellung des Formteils erfolgt auf bekannte Weise durch Pressen des Ausgangpulvers, gegebenenfalls unter Zusatz von organischen Bindemitteln, und
anschließendem Sintervorgang.
Bei einer Verwendung des Formteils in einer MSC besteht das Formteil bevorzugt aus dem gleichen Material wie das Trägersubstrat der MSC. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Fall die Wärmeausdehnung gleich ist und keine temperaturinduzierten Spannungen auftreten.
Die separate Ausgestaltung und daher getrennte Fertigung des Formteils von den anderen aktiven Elementen der elektrochemischen Zelleinheit
(einschließlich des Metallsubstrats bei einer MSC) hat Vorteile in mehrerer Hinsicht. Erstens gewinnt man dadurch Flexibilität und die jeweiligen Bauteile können unabhängig voneinander für die jeweilige Anforderung optimiert werden, beispielsweise durch Einstellung unterschiedlicher Porosität. Zweitens wird die Herstellung der elektrochemischen Zelleinheit vereinfacht und wirtschaftlicher, weil diese weniger komplex ist, da keine
Gasverteilungsstrukturen am Rand mitberücksichtigt werden müssen. Drittens bringt es auch Vorteile bei der Herstellung des Formteils mit sich, da das Formteil im Gegensatz zum Metallsubstrat einer MSC, welches nach dem Sinterprozess noch mit den elektrochemisch aktiven Schichten beschichtet wird, nicht mehr thermisch nachbehandelt werden muss. Das Formteil lässt sich daher mit hoher Endkonturgenauigkeit fertigen.
Wie bereits erwähnt findet das erfindungsgemäße Formteil Verwendung bei einem elektrochemischen Modul, insbesondere bei einer MSC wie sie beispielsweise in EP 2174371 B1 beschrieben ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrochemische Modul für die Zuleitung und Ableitung der Prozessgase jeweils unterschiedlich ausgebildete Formteile auf. Die Formteile können sich dabei hinsichtlich des verwendeten Materials, ihrer Form, Porosität, der Form der ausgebildeten Gasleitungsstrukturen wie der Kanalstrukturen, etc. unterscheiden. Beispielsweise kann zur Verhinderung von Rückdiffusion die Porosität des für die Gasableitung verwendeten Formteils geringer sein als die Porosität des für die Gaszuleitung verwendeten Formteils. Bevorzugt wird das Formteil im elektrochemischen Modul durch eine
stoffschlüssige Verbindung fixiert, beispielsweise indem es punktweise am Gehäuse angeschweißt wird. Es sei angemerkt, dass auch in diesem Fall, wenn das Formteil beim Einbau in das Modul mit einem anderen Bauteil der elektrochemischen Zelle stoffschlüssig verbunden wird, im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem separat von der elektrochemischen Zelle ausgebildeten Bauteil gesprochen wird.
In den oben angeführten Ausführungsvarianten hat das poröse Formteil eine mechanische Stützfunktion und dient der Verbesserung der Gasströmung im Prozessgasführungsraum. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das poröse Formteil zusätzlich an seiner Oberfläche zur Verbesserung seiner katalytisch und/oder reaktiven Eigenschaften für eine Manipulation der Prozessgase funktionalisiert, d.h. durch entsprechende Funktionalisierung der Oberflächen kann eine Manipulation der Prozessgase (Aufbereitung der Prozessgase auf der Eduktseite bzw. eine Nachbereitung auf der Produktseite) bewirkt werden. Die Verwendung eines porösen Formteils ist bei einer Funktionalisierung mit katalytisch und/oder reaktiven Eigenschaften vorteilhaft, da die Oberfläche, die mit dem vorbeiströmenden Prozessgas in Kontakt tritt, bei einem porösen Bauteil im Vergleich zu einem massiven Bauteil signifikant größer und dementsprechend reaktionsfreudiger ist.
Im Einsatz in einer SOFC kann beispielsweise das Prozessgas mittels des funktionalisierten Formteils auf der Eduktseite zusätzlich reformiert (das kohlenstoffhaltige Brenngas wird in ein Synthesegas aus einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt) und/oder von Verunreinigungen wie Schwefel oder Chlor gereinigt werden. Auf der Produktseite kann ein entsprechend funktionalisiertes Formteil beispielsweise zur Reinigung von flüchtigem Chrom beitragen.
Eine Funktionalisierung des porösen Formteils kann erfolgen, indem ein mit dem Prozessgas katalytisch und/oder reaktiv wirkender Stoff in das Material des Formteils eingebracht und/oder als oberflächliche Beschichtung
aufgebracht wird. Der katalytisch und/oder reaktive Stoff kann also bereits dem Ausgangspulver für die Herstellung des gesinterten Formteils beigemengt werden („einlegiert" werden) und/oder nach dem Sintervorgang durch einen Beschichtungsprozess auf die Oberfläche des Formteils mit den offenen Poren aufgebracht werden. Der Beschichtungsprozess kann dabei durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels verschiedener Abscheideverfahren aus der Gasphase (physikalische Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung), mittels Tauchbeschichtung (bei dem das Bauteil mit einer Schmelze mit dem entsprechenden funktionalen Material infiltriert bzw. getränkt wird) oder mittels Auftragsverfahren von Suspensionen oder Pasten (insbesondere für keramische Materialien). Zwecks
Oberflächenvergrößerung ist es vorteilhaft, wenn die poröse
Oberflächenstruktur beim Beschichtungsprozess erhalten bleibt, d.h. es soll die poröse Oberfläche nicht mit einer Deckschicht überlagert werden, sondern primär nur die Innenoberfläche der porösen Struktur beschichtet werden.
Bei Verwendung eines aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Legierung auf Basis von Eisen und/oder Chrom hat sich eine Funktionalisierung mit folgenden Materialien bewährt: Auf der Eduktseite zur Aufbereitung des
Prozessgases findet Verwendung:
für katalytische Reformierung des Brenngases: Nickel, Platinum, Palladium und Oxide dieser Metalle wie NiO;
zur Reinigung des Eduktgases von Schwefel und/oder Chlor: Nickel, Kobald, Chrom, Scandium und/oder Cer;
zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Sauerstoff: Chrom, Kupfer und/oder Titan, wobei Titan gleichzeitig auch eine zurückhaltende Wirkung gegenüber Kohlenstoff besitzt.
Auf der Produktseite zur Nachbereitung des Prozessgases findet Verwendung: Getter-Strukturen zur Reinigung gegenüber flüchtigen Chrom-Ionen: oxidische Keramiken wie beispielsweise Cu-Ni-Mn-Spinellen;
Zur Reinigung des Produktgases gegenüber Sauerstoff und Verhinderung von Rückdiffusion: Titan, Kupfer oder unterstöchiometrischen Spinellverbindungen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
beigefügten Figuren, bei denen aus Zwecken der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung die Größenverhältnisse nicht immer maßstabgetreu angegeben sind. In den verschiedenen Figuren werden für übereinstimmende Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet. uren zeigen:
eine erste Ausführungsform eines Formteil zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul in perspektivischer Ansicht; das Formteil von Fig. 1a in Aufsicht und
das Formteil von Fig. 1a in einer Seitenansicht;
einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß dem
Stand der Technik ohne erfindungsgemäße Formteile im
Querschnitt;
einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen mit jeweils einem Formteil gemäß Fig. 1a im Querschnitt;
ein elektrochemisches Modul aus Fig. 2b mit einem Formteil gemäß Fig. 1a in einer Explosionsdarstellung (dabei ist zu beachten, dass das elektrochemische Modul in Fig. 2c im
Vergleich zu den Modulen in Fig. 2a und Fig. 2b zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle auf den Kopf gestellt dargestellt ist);
eine zweite Ausführungsform eines Formteil zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul in perspektivischer Ansicht und das Formteil von Fig. 3a in Aufsicht.
Fig. 1a zeigt in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform des Formteils (10) zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul (20). Die Anordnung des Formteils (10) innerhalb des elektrochemischen Moduls (20) ist in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt. Fig. 1 b zeigt das Formteil (10) in Aufsicht und in Fig. 1c in einer Seitenansicht von der Seite (A), die in der Anordnung im elektrochemischen Modul (20) dem Inneren des Prozessgasraums zugewandt ist. Das Formteil (10) wird pulvermetallurgisch hergestellt und ist daher porös. Das Formteil ist flächig ausgebildet und besitzt einen flachen Körper mit einer Haupterstreckungsebene. Es weist eine Mehrzahl von Gasdurchtrittsöffnungen
(11) auf, in der dargestellten Variante drei mittige Gasdurchtrittsöffnungen (11), durch die das Prozessgas im Betrieb des elektrochemischen Moduls zu- bzw. abgeleitet wird. Von den Gasdurchtrittsöffnungen erstrecken sich jeweils sternförmig Kanäle (12) bis an den seitlichen Rand (A) des Formteils, der in der Anordnung im elektrochemischen Modul dem inneren Prozessgasraum des elektrochemischen Moduls zugewandt ist. Kanäle, die von der
Gasdurchtrittsöffnung (11) ursprünglich in eine dem inneren Prozessgasraum abgewandte Richtung abzweigen, sind dabei bogenförmig an den seitlichen Rand (A) in Richtung innerer Prozessgasraum umgelenkt. Die einzelnen Kanäle
(12) erstrecken sich durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung bis zum seitlichen Rand (A), wodurch eine effiziente Gaslenkung und ein geringer Druckabfall innerhalb des Prozessgasführungsraums ermöglicht wird.
Zusätzlich hat das Formteil (10) von der Gasdurchtrittsöffnung (11) in Richtung des seitlichen Randes (A) eine gasdurchlässige, offenporige Struktur (d.h. es ist ein Gasaustausch zwischen einzelnen benachbarten Poren möglich). An den übrigen seitlichen Rändern ist es verpresst (13) und daher in diesen Richtungen gasundurchlässig.
Im Betrieb des elektrochemischen Moduls strömt das Prozessgas von den Gasdurchtrittsöffnungen (11) durch die Kanäle (12) und die Poren an den seitlichen Rand (A) des Formteils, von wo es in den inneren Prozessgasraum weiterströmt. Der Gasstrom kann auch in umgekehrter Richtung erfolgen.
Die Anzahl und Geometrie der Kanäle ist optimiert, sodass der innere
Prozessgasraum möglichst gleichmäßig versorgt wird. Für diesen Zweck sind am seitlichen Rand (A) die Abstände zwischen benachbarten Kanälen annähernd gleich, die Kanäle sind also bei ihrer Ausmündung gleichmäßig über den seitlichen Rand verteilt. Zudem münden im vorliegenden
Ausführungsbeispiel die Kanäle am seitlichen Rand (A) annähernd rechtwinkelig ein, die Kanäle verlaufen in diesem Bereich also lokal zueinander im Wesentlichen parallel.
Wie Fig. 1c zu entnehmen ist, sind die Kanäle oberflächlich ausgebildet und variieren in ihrer Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche eines Kanals ist über seine Länge hinweg im Wesentlichen konstant, aber umso größer gewählt, je größer die Länge des Kanals von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zum seitlichen Rand (A) ist. Auch dies ist eine Maßnahme, um eine möglichst gleichmäßige Anströmung bzw. Ableitung von den Verteilstrukturen des
Interkonnektors im Inneren des Prozessgasraums zu erreichen.
Fig. 2a zeigt einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß dem Stand der Technik ohne das erfindungsgemäße Formteil. Die Anordnung des Formteils in einem elektrochemischen Modul (20) ist in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt. Fig. 2a und Fig. 2b zeigen in schematischer Darstellung jeweils einen Querschnitt durch einen Stack (30) mit drei aufeinander gestapelten elektrochemischen Modulen (20). Die elektrochemischen Module (20) weisen jeweils eine elektrochemische Zelleinheit (21) auf, die aus einem
pulvermetallurgisch hergestellten, porösen, metallischen Trägersubstrat (22) besteht, auf die in einem gasdurchlässigen Bereich ein Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht aufgebracht ist. Das
Trägersubstrat (22) mit dem Schichtaufbau (23) ist am Rand gasdicht verpresst und hat eine plattenförmige Grundstruktur, die in Ausführungsvarianten zwecks Oberflächenvergrößerung auf einer kleineren Längenskala auch lokal gekrümmt, beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein kann. Auf der dem Schichtaufbau gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats (22) befindet sich jeweils ein Interkonnektor (24), der im Bereich, wo er an das Trägersubstrat (22) anliegt, eine Rippenstruktur (24a) aufweist. Die Längsrichtung der
Rippenstruktur verläuft dabei in der Querschnittsebene in Fig. 2a und Fig. 2b. Der Interkonnektor (24) erstreckt sich über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus und liegt an seinem äußeren Rand an einem die elektrochemischen Zelleinheit umlaufenden Rahmenblech (25) an. Das umlaufende Rahmenblech (25) ist am inneren Rand gasdicht mit der
elektrochemischen Zelleinheit (21) und am äußeren Rand über eine
umlaufende Schweißverbindung gasdicht mit dem Interkonnektor (24) verbunden. Das Rahmenblech (25) und der Interkonnektor (24) bilden so Bestandteil eines metallischen, gasdichten Gehäuses, welches mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) einen gasdichten Prozessgasraum (26) begrenzt. Der Prozessgasführungsraum (27) ist ein Unterraum des
Prozessgasraums (26), er erstreckt sich über den Bereich außerhalb des Bereichs der elektrochemischen Zelleinheit (21) und ist in Richtung
elektrochemischer Zelleinheit (21) offen ausgebildet. Im Bereich des
Prozessgasführungsraumes sind im Gehäuse (Rahmenblech und
Interkonnektor) Gasdurchtrittsöffnungen (28) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase ausgebildet (in den Fig. 2a und Fig. 2b nicht dargestellt, da der Schnitt seitlich der Gasdurchtrittsöffnungen erfolgt ist). Die
Gasdurchtrittsöffnungen im Gehäuse (28) und die Gasdurchtrittsöffnungen (11) im Formteil fluchten miteinander. Die Gasführung innerhalb des Stacks erfolgt in vertikaler Richtung (Stapelrichtung des Stacks (B)) durch entsprechende Kanalstrukturen, die im Bereich der Gasdurchtrittsöffnungen üblicherweise durch separate Einleger (29), Dichtungen sowie durch gezielte Auftragung von Dichtmasse (z.B. Glaslot) gebildet werden. Die so abgedichteten
Kanalstrukturen verbinden in vertikaler Richtung die Prozessgasführungsräume benachbarter elektrochemischer Module.
Während in Fig. 2a der Stand der Technik ohne Formteil abgebildet ist, zeigen Fig. 2b und Fig. 2c die Anordnung des Formteils nach Fig. 1a innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) des elektrochemischen Moduls (20). Es ist zu beachten, dass in Fig. 2c das elektrochemische Modul im Vergleich zu den Modulen in Fig. 2a und Fig. 2b zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle (12) auf den Kopf gestellt dargestellt ist. Die Form des Formteils ist an den
Innenraum des Prozessgasführungsraums angepasst. Das Formteil liegt mit seiner Oberseite am Rahmenblech (25), der oberen Abgrenzung des
Prozessgasführungsraums, und mit seiner Unterseite am Interkonnektor (24), der unteren Abgrenzung des Prozessgasführungsraums, an. Vorteilhaft ist jeweils eine flächige Anlage, an seiner Oberseite und/oder an seiner Unterseite. Seine Dicke entspricht daher der Raum-Innenhöhe des
Prozessgasführungsraums (27). Die oberflächlich ausgebildeten Kanäle (12) befinden sich an der Unterseite des Formteils (10) (in Fig. 2c ist das Formteil auf den Kopf gestellt abgebildet). Neben der Gasleitungsfunktion in
Prozessgasführungsraum übernimmt das Formteil eine wichtige mechanische Funktion. Es dient der Abstützung des Gehäuses entlang der Stapelrichtung des Stacks (B), sodass bei Anlegen eines Anpressdrucks ein
Zusammendrücken des Gehäuse-Randbereichs verhindert wird. Zusätzlich wird aufgrund der flächigen Ausgestaltung des Formteils die Biegungs- und
Torsionssteifigkeit des Gehäuse-Randbereichs, das aus einem dünnen
Rahmenblech (25) und dünnen Interkonnektor (24) besteht, entscheidend erhöht und so die Gefahr von Rissbildungen in den Schweißnähten bei mechanischen Belastungen reduziert. In einer vorteilhaften
Ausführungsvariante wird das Formteil punktweise am Gehäuse angeschweißt und so fixiert. Bevorzugt sind die für die Zuleitung und Ableitung der
Prozessgase verwendeten Formteile (10,10') unterschiedlich. Ihre
Eigenschaften (Material, Form, Porosität, Geometrie der Kanalstrukturen, etc.) können für ihren Einsatzzweck unabhängig voneinander optimiert werden.
Fig. 3a zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung und Fig. 3b die Aufsicht einer weiteren Ausführungsvariante des Formteils. In dieser
Ausführungsvariante stehen die einzelnen Gasdurchtrittsöffnungen (11) des Formteils durch zusätzliche Kanäle miteinander in Verbindung. Diese
Kanalstruktur trägt zu einem zusätzlichen Gasausgleich bei.

Claims

Ansprüche
Poröses bzw. zumindest abschnittsweise poröses Formteil (10,10'; 10") für ein elektrochemisches Modul (20),
wobei das elektrochemische Modul (20)
mindestens eine elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und
ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25) aufweist, das mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten
Prozessgasraum (26) bildet,
wobei sich das Gehäuse (24; 25) auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) bildet und im Bereich des
Prozessgasführungsraumes (27) mindestens eine
Gasdurchtrittsöffnung (28) zur Zu- und/oder Ableitung der
Prozessgase aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10'; 10") als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet ist und zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) sowie zur Abstützung des Gehäuses nach beiden Seiten entlang einer
Stapelrichtung (B) des elektrochemischen Moduls angepasst ist.
Formteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10'; 10") mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (11) aufweist.
Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10'; 10") zumindest in einer Richtung in der Haupterstreckungsebene von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zu einem seitlichen Rand des Formteils gasdurchlässig ist.
Formteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gasdurchlässigkeit durch eine offenporige Struktur des Formteils hergestellt wird.
5. Formteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10'; 10") entlang der Haupterstreckungsebene mindestens einen Kanal (12) aufweist.
6. Formteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) durchgehend von der Gasdurchtrittsöffnung (11) bis zum seitlichen Rand erstrecken. 7. Formteil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) im Bereich der Gasdurchtrittsöffnung von der Gasdurchtrittsöffnung radial oder im Wesentlichen radial nach außen erstrecken. 8. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (12) in den seitlichen Rand zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel einmünden.
9. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Kanälen die Querschnittsfläche des Kanals bzw. der
Kanäle umso größer ist, je länger der Kanal ist.
10. Formteil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bzw. die Kanäle (12) zumindest abschnittsweise über die gesamte Dicke des Formteils erstrecken.
11. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (10, 10'; 10") aus einer pulvermetallurgisch
hergestellten auf Eisen und/oder Chrom basierten ferritischen Legierung gebildet ist.
12. Verwendung eines Formteils nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem elektrochemischen Modul (20), wobei das Formteil innerhalb des
Prozessgasführungsraums (27) angeordnet wird.
13. Elektrochemisches Modul (20), aufweisend: eine im Wesentlichen plattenförmige elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer
elektrochemisch aktiven Schicht, und
ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25), das mit der
elektrochemischen Zelleinheit (21) einen gasdichten Prozessgasraum
(26) bildet, wobei sich das Gehäuse (24;25) auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, das Gehäuse (24; 25) dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27) bildet und mindestens eine
Gasdurchtrittsöffnung (28) im Bereich des Prozessgasführungsraumes
(27) zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) im Bereich der Gasdurchtrittsöffnungen mindestens ein Formteil (10, 10'; 10") nach einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist, welches der Abstützung des Gehäuses entlang der Stapelrichtung (B) des
elektrochemischen Moduls (20) dient.
14. Elektrochemisches Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau (23) auf einer ersten, dem Prozessgasraum abgewandten Seite eines im Wesentlichen plattenförmigen, metallischen Trägersubstrats (22), das zumindest im Bereich des Schichtaufbaus porös ist, angeordnet ist.
15. Elektrochemisches Modul nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdichte Gehäuse (24;25) aus mindestens einem das
Trägersubstrat umlaufenden Rahmenblech (25) und einem
Interkonnektor (24) gebildet ist, wobei das umlaufende Rahmenblech (25) an seinem inneren Rand gasdicht mit der elektrochemischen
Zelleinheit (21) und am äußeren Rand über eine umlaufende
Schweißverbindung gasdicht mit dem Interkonnektor (24) verbunden ist.
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