EP3596769A1 - Funktionalisiertes, poröses gasführungsteil für elektrochemisches modul - Google Patents

Funktionalisiertes, poröses gasführungsteil für elektrochemisches modul

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EP3596769A1
EP3596769A1 EP18716884.4A EP18716884A EP3596769A1 EP 3596769 A1 EP3596769 A1 EP 3596769A1 EP 18716884 A EP18716884 A EP 18716884A EP 3596769 A1 EP3596769 A1 EP 3596769A1
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EP
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gas
gas guide
guide part
cell unit
space
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Withdrawn
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EP18716884.4A
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English (en)
French (fr)
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Christian BIENERT
Wolfgang SCHAFBAUER
Matthias Rüttinger
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Plansee SE
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a functionalized porous gas guide member for placement in an electrochemical module according to claim 1 and claim 4 and an electrochemical module according to claim 18.
  • the porous gas guide part according to the invention is in a
  • electrochemical module used, inter alia, as
  • SOFC High-oxide solid oxide fuel cell
  • SOEC solid oxide electrolyzer cell
  • R-SOFC reversible solid oxide fuel cell
  • electrochemical module a gas-tight solid electrolyte, which is arranged 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 necessary mechanical support function can by one of
  • electrochemically active layers e.g. through the electrolyte, the anode or the cathode, which are then each made correspondingly thick (in these cases we speak of an electrolyte, anode or cathode-supported cell), or by an electrolyte these functional layers separately formed component, such as a ceramic or metallic carrier substrate.
  • an electrolyte e.g. through the electrolyte, the anode or the cathode, which are then each made correspondingly thick (in these cases we speak of an electrolyte, anode or cathode-supported cell), or by an electrolyte these functional layers separately formed component, such as a ceramic or metallic carrier substrate.
  • metallic carrier substrate e.g., metallic
  • Carrier substrate is referred to as a metal supported cell (MSC).
  • MSC metal supported cell
  • the electrochemically active cells are as flat
  • 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, which in the case of a fuel cell, the supply of the fuel (for example, hydrogen or hydrocarbon-containing fuels such as natural gas or biogas) to the anode and the oxidant (oxygen, air) Means cathode, as well as the anode-side and cathode-side derivative of the gases produced during the electrochemical reaction.
  • the fuel for example, hydrogen or hydrocarbon-containing fuels such as natural gas or biogas
  • oxygen oxygen, air
  • a process gas space is formed in each case within a stack on both sides of the electrolyte, it being of essential importance for the functioning of the stack that they are reliably separated from one another in a gas-tight manner.
  • the stack can be in
  • 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, is sealed gas-tight, while, for example, the
  • the fuel cell is very sensitive to contamination of the fuel with, for example, sulfur or chlorine, which significantly affect the efficiency and lifetime and for what appropriate precautions must be taken , of
  • hydrocarbon-containing fuel hydrogen gas can be generated.
  • a industrially established process for this purpose is the steam reforming, in which in one Endothermic reaction of hydrogen is released and usually takes place in a stack upstream of the spatially separated apparatus.
  • a so-called internal reforming is known in which the hydrogen production and the electrochemical reaction take place together at the anode and to the reforming catalyst directly at the anode or at an MSC directly on the electrochemically active metallic carrier substrate, where the electrochemical reaction of Fuel cell takes place, is arranged.
  • An example of this is given in US 2012/0121999 A1, in which the electrochemically active region of the carrier substrate is functionalized with a reforming catalyst.
  • the electrochemical module For high efficiency of the electrochemical module, it is important to uniformly supply the electrochemically active layers by the process gases, i. on the one hand a uniform supply of the educt gases or a uniform discharge of the resulting reaction gases. It should only occur the lowest possible pressure drop.
  • the supply takes place within an electrochemical module in the horizontal direction by means of distribution structures, which are usually integrated in the interconnector.
  • Interconnectors which also effect the electrical contacting of adjacent electrochemical cells, have for this purpose on both sides gas guiding structures, which may, for example, be knobbed or wavy.
  • the interconnector is formed by a correspondingly shaped, metallic sheet-metal part, which is designed to be as thin as possible, as far as possible, in the same way as other components in the stack for weight optimization. This can be mechanical
  • a uniform supply of hydrogen is particularly challenging in internal reforming, for example, as in US 2012/0121999 A1, since the formation of hydrogen depends on the flow of fuel gas and is also closely linked to the temperature distribution of the fuel cell.
  • the object of the present invention consists in the further development of an electrochemical module and in the provision of a gas guide part with which the performance of the electrochemical module or its
  • the gas guide part according to the invention 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.
  • Electrochemically active layers are understood inter alia to be an anode, electrolyte or cathode layer, if appropriate the layer structure can also have further layers (made of, for example, cerium-gadolinium oxide between the electrolyte and the cathode). Not all of the electrochemically active layers must be present, but rather only one electrochemically active layer (for example the anode), preferably two
  • electrochemically active layers eg anode and electrolyte
  • electrochemical cell unit can be used as electrolyte supported cell (electrolyte supported cell), anode supported cell (anode supported cell) or as Formed cathode-supported cell (the eponymous layer is made thicker and performs a mechanical supporting function).
  • the layer stack is on a porous, plate-shaped, metallic support substrate having a preferred thickness, typically in the range of 170 ⁇ m to 1.5 mm, in particular in the range of 250 ⁇ m 800 pm, 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 by wet chemical methods such. 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 further comprises at least one metallic gas-tight housing, which with the electrochemical cell unit a forms gas-tight process gas space.
  • 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 gas-tightly 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 form the remaining delimitation of the process gas space.
  • the gas-tight connection of the interconnector preferably takes place by means of soldering and / or soldering
  • Circumferential frame plates which in turn are gas-tightly connected to the carrier substrate 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 on at least one side of the electrochemical cell unit beyond the region of the electrochemical cell unit and forms a subspace of the process gas space as a
  • Process gas space is therefore subdivided (thought) into two subregions, into an inner region directly below the layer structure of the
  • electrochemical cell unit and in a, surrounding the inner region process gas guiding space.
  • the gas passage openings for example, in Edge area 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, which are preferably integrated into the interconnector.
  • the interconnector is embodied by a correspondingly shaped metallic sheet metal part, which is, for example, knob-shaped or wavy.
  • the anode In operation of the electrochemical module as SOFC, the anode becomes fuel (eg, hydrogen or conventional hydrocarbons, such as
  • Methane, natural gas, biogas, etc. possibly completely or partially pre-reformed fed through the gas passage opening and distribution structures of the interconnector and there oxidized catalytically with release of electrons.
  • the electrons are derived from the fuel cell and flow via an electrical load to the cathode.
  • At 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 gas guide member which is preferably produced by powder metallurgy and 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 gas guide part is arranged in the region of the process gas guiding space.
  • the porous structure of the gas guide part serves to increase the surface with which the process gas in the area of
  • Process gas guiding space can interact.
  • the surface of the gas guide part is at least partially functionalized, whereby a reactive or catalytically active surface is ready for manipulation of the process gases.
  • gases can be treated on the educt side, in particular cleaned and / or reformed, and gases can be post-processed on the product side, in particular cleaned.
  • the gas guide part is functionalized by a with the
  • the catalytic and / or reactive material can therefore already be added to the starting powder for the production of the sintered gas guide part ("alloyed") and / or after the sintering process by a coating process on the surface of the gas guide member, which comes into contact with the process gas, are applied .
  • Coating process can be carried out by conventional methods known in the art, for example by means of different deposition processes from the gas phase (physical vapor deposition, chemical
  • porous surface structure is preserved in the coating process, i.
  • the porous surface should not be overlaid with a cover layer, but primarily only the (inner) surface of the porous structure should be coated.
  • a functionalization by means of a superficial coating is particularly advantageous on the whole because comparatively less catalytically and / or reactive material is required than if the catalytically and / or reactive material is added to the material for the gas-conducting part.
  • Gas guide part have no immediate negative impact on the
  • the gas guide part is designed as a separate component of the electrochemical cell unit and the housing.
  • the gas guide part is to be arranged within the
  • Adapted process gas guiding space in other words, its shape is adapted to the interior of the process gas guiding space.
  • the gas guide part is formed flat and has a flat body with a main extension plane.
  • Gas guide part as a support element in the vertical direction (in the stacking direction of the electrochemical modules) executed.
  • its thickness is selected according to the internal space height of the process gas guiding space, so that it rests with its upper side on an upper housing part of the process gas guiding space and with its lower side on a lower housing part of the process gas guiding space and therefore compression of the housing edge area is prevented when applying a contact pressure.
  • a planar configuration of the gas guide part also the bending and torsional rigidity of
  • Enclosure edge area increases and so the enclosure edge area before
  • Edge of the module additional stresses of the welds or other, for example, soldered or sintered joints between the individual housing parts or the electrochemical cell unit, which in practice often represent weak points in terms of gas tightness avoided.
  • Gas guide part within the process gas guide space advantageously completely in the process gas guidance space, ie in the process gas space completely outside the area directly below the layer structure of the
  • electrochemical cell unit arranged.
  • Process gas guide space is arranged, the functionalized
  • Process gas management space or a portion thereof that is, as part of the housing of the process gas guide space) to be executed.
  • the gas guide part is preferably formed by the edge region of the metallic carrier substrate, which extends beyond the region of the electrochemical cell unit.
  • Gas guide part is thus through the edge part of the metallic
  • Carrier substrate on which no electrochemically active layers are arranged formed.
  • the gas guide part is shared with the
  • Carrier substrate preferably monolithic, i. made in one piece.
  • the functionalization is preferably carried out by means of an element or a compound which is not yet contained in the base material of the carrier substrate.
  • an element or a compound which is not yet contained in the base material of the carrier substrate In particular, in the case of a Fe and / or Cr-containing
  • Carrier substrate still provided an additional element or an additional compound as a functionalization. So that the gas guide part in this
  • the porous gas guide part must be made gas-tight, which, for example, by
  • Process gas guidance space remote from the side can be achieved.
  • the gas guide part as an integral part of
  • the edge region of the carrier substrate via whose Gas passage openings the process gas is fed, different from the edge region of the carrier substrate, through the gas passage openings, the process gas is derived, be functionalized.
  • the gas guide part has an important task in improving the gas flow within the process gas guide space.
  • gas line structures may be formed on the gas guide part, which gas flows into the inner region of the gas flowing through the gas passage openings
  • the gas line structures can be designed differently, depending on whether the gas guide part a gas distributor or a
  • Gas guide member may be coupled to the shape of the gas routing structures, i. it can be specifically designed to be more intensive in those surface areas that have a more intensive contact with the process gas.
  • the process gas guide space facing surface is provided with corresponding gas line structures.
  • continuous gas passage openings may be integrated, wherein in the arrangement in the electrochemical module, the gas passage openings of the gas guide part with the gas passage openings of the
  • Process gas guide chamber (housing) are aligned with each other, so that a vertically continuous gas channel is formed within the stack.
  • the gas guide member is at least in one direction in the main plane of extension of the gas passage opening to a lateral, the inner
  • Gas guide part generally or at least in this direction have an open, continuous porosity, in which case in particular the inner surface, where the process gas flows past, is functionalized.
  • the gas permeability (porosity) of the gas-conducting part can vary spatially (for example by grading the porosity or locally different compression of the gas-conducting part, in particular by inhomogeneous pressing) or for a higher one
  • the gas guide member may alternatively or additionally along the main plane of extension at least one channel or a plurality of channels.
  • the one or more channels whose surface are advantageously functionalized, are preferably formed on the surface and can, for example by milling, pressing or rolling with appropriate
  • a porous gas guide part with a closed porosity and a superficial channel structure which runs from the gas passage opening to a lateral edge, is also considered to be gas-permeable from the gas passage opening to the lateral edge. It is also conceivable that the channel or channels extend at least in sections over the entire thickness of the gas guide part, that is, that the channels are not only superficially formed.
  • the advantage of this embodiment is a higher gas flow rate, but care must be taken that the component remains integral and not
  • the gas guide part according to the invention is produced by powder metallurgy, wherein the material for the functionalization is added to the starting powder already during the production of the sintered component and / or the surface of the component is at least partially occupied by it after the sintering process.
  • starting material for the production of the gas guide part is a preferably 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, ie the Cr and Fe content is in total at least 50 wt.% , preferably in total at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight.
  • Gas guide part consists in this case of a ferritic alloy.
  • the preferably powder-metallurgical production of the gas-conducting part takes place in a known manner by pressing the starting powder (optionally with addition of the material for the functionalization), optionally with the addition of organic binders, and subsequent sintering process.
  • the gas-conducting part when using the gas-conducting part as a separately formed component in an MSC, the gas-conducting part preferably consists of the same or a substantially identical (that is, only with the addition of the material to the
  • the gas guide part according to the invention is used in an electrochemical module, in particular in an MSC.
  • the gas guide 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 functionalization of the gas guide parts used for the supply and discharge of the process gases may differ and be optimized for the different tasks. While that
  • Gas guide part which is used in the supply of process gases (educt gases), adapted for the treatment of educt gases, is the
  • Gas guide part which is used for the discharge of process gases (product gases), adapted for post-processing of the product gases.
  • the gas-conducting part when used in a SOFC, can be functionalized for the catalytic reforming of the educt gas.
  • the following materials have been proven (Especially when using a gas guide part of a
  • these materials can be alloyed into the base material or applied by coating processes to the surface streamed by the process gas (for example by means of dip coating (suspension dipping) or different deposition processes from the gas phase), whereby alloying or gas phase separation processes are based on a dipping process
  • the gas-conducting part can be further functionalized to purify the educt gas against impurities such as sulfur, chlorine, oxygen and / or carbon.
  • impurities such as sulfur, chlorine, oxygen and / or carbon.
  • the impurities react with the introduced materials, whereby the risk of possible
  • Oxidative Damage to the electrochemically active layers of the cell unit is reduced.
  • elements (getter atoms) for purifying the educt gas of sulfur and / or chlorine are used: Ni, cobalt (Co), chromium (Cr), scandium (Sc) and / or cerium (Ce), Ni due to its above mentioned Properties in terms of catalytic reforming and Ce are preferred.
  • Oxygen is Cr, copper (Cu) and / or titanium (Ti), with Ti being particularly advantageous for carbon because of its retentive effect and thus because of its simultaneous action to prevent soot formation.
  • these getter atoms typically can only retain residual amounts in the ppm range, this will increase the performance and lifetime of the getter
  • Electrochemical module measurably positively influenced.
  • the introduction of the materials is also done here by alloying in the base material,
  • the product gas (exhaust gas) can be purified by a correspondingly functionalized gas-conducting part, especially with regard to impurities with volatile Cr ions.
  • a correspondingly functionalized gas-conducting part especially with regard to impurities with volatile Cr ions.
  • Oxidization against Cr impurities can be carried out by oxide ceramics such as Cu-Ni-Mn spinels of the structure AB2O4 (where A is an element from the group Cu or Ni and B is the element manganese (Mn)), which by means of vapor deposition, dipping or
  • Application method can be done with suspensions or pastes or by conversion of the metallic elements.
  • the gas guide part may be functionalized with oxygen getter.
  • oxygen getter are: Ti, Cu or substoichiometric spinel compounds, preference being given to using Ti and / or Cu.
  • These two metals are preferably applied to the porous surface of the gas guide member by a vapor deposition method.
  • suppression of back diffusion may be further assisted by suitable gas routing structures.
  • the gas-conducting part on the educt gas side can be functionalized with Ni, Pt, Pd (and / or oxides of these metals), Co, Cr, Sc, Cer, Cu and / or Ti.
  • Possible functionalizations of the gas-conducting part on the product side include Ti, Cu and / or oxidic ceramics, in particular Cu-Ni-Mn spinels.
  • Preferred combinations for the functionalization of the gas guide parts on the educt gas side and product gas side comprise Ni or NiO on the
  • Fig. 1a a first embodiment of a functionalized
  • Gas guide part for use in an electrochemical module in perspective view
  • Fig. 1c the gas guide part of Figure 1a in a side view.
  • Fig. 2 a first embodiment of the electrochemical module, each with a gas guide part according to Fig. 1a-c for the process gas supply space for supply and discharge of the process gases in an exploded view (it should be noted that the electrochemical module in Fig. 2 in Compared to the modules in Fig. 3 for better visibility of the channels upside down);
  • FIG. 3 shows a stack with three electrochemical modules according to FIG. 2 in FIG.
  • FIG. 5 shows a stack with three electrochemical modules according to FIG. 4 in FIG.
  • FIG. 1a shows a perspective view of a first embodiment of the functionalized gas-conducting part (10), which is designed as a separate component and is arranged in the electrochemical module, in particular in a SOFC, within the process gas-guiding space.
  • Fig. 1b shows the gas guide part (10) in plan view and in Fig. 1c in a side view from the side (A), in the arrangement in
  • the gas guide member (10) became powder metallurgical of an Fe base Alloy with Fe> 50 wt.% And 15 to 35 wt.% Cr produced. It was a powder with a particle size ⁇ 150 ⁇ , in particular ⁇ 100 ⁇ chosen so that after the sintering process, the porous gas guide member has a porosity of preferably 20 to 60%, in particular 40 to 50%. The particle size is the smaller to choose, the thinner the gas guide member is to be formed. Preferably, an open porosity is set (ie gas exchange between individual adjacent pores is possible).
  • the planar gas guide part has a plurality of gas passage openings (11), in the illustrated variant three central gas passage openings (11) through which the process gas is supplied or discharged during operation of the electrochemical module.
  • the process gas stream is additionally directed by gas line structures, in the present
  • the process gas flows from the
  • Process gas space continues to flow, which is supplied by the many channels as evenly as possible.
  • the gas guide part for discharging the process gases the gas flows in the reverse direction.
  • the surface of the gas-conducting part was coated on the side with the channels in a PVD system with a functional layer (14) with a thickness of ⁇ 1 ⁇ m. Care was taken to ensure that the porous
  • Gas guide parts are intended for use in an SOFC.
  • a first embodiment of the gas-conducting part was coated with Ni, a second with NiO.
  • Both gas guide parts are used in the treatment of fuel gases; the functionalized surface of both embodiments serves as a catalyst for the reforming of the fuel gas and also has a getter effect against chlorine and sulfur.
  • a Ti coating was chosen, which causes a filtration of the exhaust gas flow to Cr ions.
  • FIG. 2 shows in one
  • Cell unit (21) which consists of a powder metallurgically produced, porous, metallic carrier substrate (22) on which in a gas-permeable region, a layer structure (23) is applied with at least one electrochemically active layer.
  • the 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.
  • Carrier substrate (22) is in each case an interconnector (24), which in
  • a rib structure (24a). The longitudinal direction of the rib structure extends in the
  • the interconnector (24) extends on two opposite sides over the region of the electrochemical cell unit (21) and is located at its outer edge on a the electrochemical cell unit encircling frame plate (25).
  • the peripheral frame plate (25) is gas-tight at the inner edge with the electrochemical cell unit (21) and connected at the outer edge via a circumferential weld gas-tight with the interconnector (24).
  • 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 space (26) is (thought) in two opposing subspaces - the two
  • a first process gas guiding space (27) serves
  • Gas outlet openings (28 ') the discharge of the process gases accomplished (the gas passage openings are not shown in Fig. 3, since the section is located laterally of the gas passage openings).
  • the gas flow in the vertical direction (stacking direction of the stack (B)) by corresponding channel structures, which are usually formed in the gas passage openings by separate depositors (29), seals and by targeted application of sealant (such as glass solder).
  • Gas guide member (10) arranged whose surface is functionalized for the treatment of the educt gas (reforming, purification). That for the
  • Post-processing of the product gases functionalized gas guide part (10 ') is disposed within the opposite process gas guide space (27') for the discharge of the product gases.
  • the gas guide parts (10, 10 ') used for the supply line and discharge therefore preferably have one
  • gas guide parts can also differ with regard to other properties (base material, shape, porosity, geometry of the channels, etc.) and be optimized independently of each other for their intended use.
  • gas guide parts (10,10 ') as a supporting element in
  • the gas guide parts (10,10 ') are each with their top on the frame plate (25), the upper delimitation of the respective process gas guide space (27, 27'), and with its underside on the interconnector (24), the lower boundary of the respective
  • Process gas management room on. Particularly advantageous is a flat system, at the top and / or on the underside of the respective
  • the thickness of the gas guide part therefore corresponds to the interior space height of the respective process gas guide space (27, 27 ').
  • the superficially formed channels (12) are located at the bottom of the gas guide parts (0,10 '). Due to the planar design of the gas guide parts, the bending and torsional stiffness of the housing edge region, which consists of a thin frame plate (25) and thin interconnector (24),
  • the functionalized gas guide parts are spot welded to the housing and fixed so.
  • FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of the invention
  • electrochemical module (20 ') in which the gas guide members (10 ", 10"') form part of the housing and are integral with the support substrate (22 ').
  • the porous carrier substrate (22 ') is gas-tight pressed on two opposite sides in each case at the edge region, in each of which gas passage openings (11, 11') are integrated.
  • the edge region can also be made gas-tight on the side facing the layer structure (23) by a reflow process, for example by means of laser beam melting.
  • opposite edge regions of the carrier substrate are outside the gas-permeable region with the layer structure (23). They each represent a gas guide part (10 ", 10" ') and border the two
  • gas line structures (12) can optionally be attached to the underside (the interior of the
  • edge region (10 ") of the carrier substrate assigned to the feed line of the fuel gas is coated on its underside with Ni; the edge region (10"') associated with the discharge of the exhaust gas is coated on its underside with Ti.
  • Product side include Ti, Cu and / or oxide ceramics, in particular Cu-Ni-Mn spinels.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses bzw. zumindest abschnittsweises poröses Gasführungsteil (10, 10') für ein elektrochemisches Modul (20). Das elektrochemische Modul (20) weist mindestens eine elektrochemische Zelleinheit (21) aufweisend einen Schichtaufbau (23) mit mindestens einer elektrochemisch aktiven Schicht, und ein metallisches, gasdichtes Gehäuse (24; 25) auf, welches mit der elektrochemischen Zelleinheit (21) 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;27') und weist im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27; 27') mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28; 28') zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase auf. Das Gasführungsteil (10,10) ist dabei zur Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraumes (27; 27) angepasst und seine Oberfläche ist zur Wechselwirkung mit dem Prozessgas funktionalisiert.

Description

FUNKTIONALISIERTES, PORÖSES GASFÜHRUNGSTEIL FÜR
ELEKTROCHEMISCHES MODUL
Die vorliegende Erfindung betrifft ein funktionalisiertes, poröses Gasführungsteil zur Anordnung in einem elektrochemischen Modul gemäß Anspruch 1 und Anspruch 4 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 18.
Das erfindungsgemäße poröse Gasführungsteil 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 notwendige 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. Kathodengestützten 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 Zellen 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, was im Falle einer Brennstoffzelle die Zuleitung des Brennstoffs (beispielsweise Wasserstoff oder kohlenwasserstoff haltiger Brennstoffe wie Erd- oder Biogas) zur Anode und des Oxidationsmittels (Sauerstoff, Luft) zur Kathode bedeutet, sowie die anodenseitige und kathodenseitige Ableitung der bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Gase. Bezogen auf eine einzelne elektrochemische Zelle ist innerhalb eines Stacks an beiden Seiten des Elektrolyten jeweils ein Prozessgasraum ausgebildet, wobei es für die Funktionsweise des Stacks von essenzieller Bedeutung ist, dass diese zuverlässig voneinander gasdicht getrennt sind. Der Stack kann in
geschlossener Bauweise, oder, wie beispielhaft in EP 1 278 259 B1
beschrieben, in offener Bauweise ausgeführt sein, 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 den Stack frei durchströmt.
Insbesondere im Betrieb des elektrochemischen Moduls als Brennstoffzelle mit kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen wie Erdgas treten in der Anwendung verschiedene Herausforderungen auf: Die Brennstoffzelle ist sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen des Brennstoffes mit beispielsweise Schwefel oder Chlor, welche die Effizienz und Lebensdauer erheblich beeinträchtigen und wofür entsprechende Vorkehrungen getroffen werden müssen. Des
Weiteren muss für die elektrochemische Reaktion aus dem
kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff Wasserstoffgas erzeugt werden. Ein dafür industriell etabliertes Verfahren ist die Dampfreformierung, bei der in einer endothermen Reaktion Wasserstoff freigesetzt wird und die meist in einem dem Stack vorgelagerten, davon räumlich getrennten Apparat abläuft. Neben dieser externen Reformierung ist eine sogenannte interne Reformierung bekannt, bei der die Wasserstofferzeugung und die elektrochemische Reaktion zusammen an der Anode ablaufen und dazu der Reformierungskatalysator direkt an der Anode bzw. bei einer MSC direkt auf dem elektrochemisch aktiven metallischen Trägersubstrat, wo die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle stattfindet, angeordnet ist. Ein Beispiel dafür ist in US 2012/0121999 A1 angegeben, bei dem der elektrochemisch aktive Bereich des Trägersubstrats mit einem Reformierungskatalysator funktionalisiert ist. Ein Vorteil der
Verknüpfung dieser beiden Reaktionen liegt in der direkten Wärmeübertragung, da die elektrochemische Reaktion exotherm und die Reformierung endotherm verläuft. Nachteilig sind allerdings mögliche auftretende
Kohlenstoffablagerungen bzw. Verkokungen im aktiven Bereich der Zelle, insbesondere an der Anode, welche die elektrochemische Funktionsweise der Zelle beeinträchtigen können.
Für einen hohen Wirkungsgrad des elektrochemischen Moduls ist eine gleichmäßige Versorgung der elektrochemisch aktiven Schichten durch die Prozessgase wichtig, d.h. einerseits eine gleichmäßige Zuleitung der Eduktgase bzw. eine gleichmäßige Ableitung der entstehenden Reaktionsgase. Es soll dabei nur ein möglichst geringer Druckabfall auftreten. Die Versorgung erfolgt innerhalb eines elektrochemischen Moduls in horizontaler Richtung mittels Verteilstrukturen, die in der Regel in den Interkonnektor integriert sind.
Interkonnektoren, die auch die elektrische Kontaktierung angrenzender elektrochemischer Zellen bewerkstelligen, 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 Fertigung oder im Betrieb des Stacks auftreten, insbesondere am Randbereich leicht zu Deformationen bzw. Rissbildung bei Schweißnähten führen, wodurch die geforderte Gasdichtheit gefährdet ist.
Eine gleichmäßige Versorgung mit Wasserstoff ist insbesondere bei der internen Reformierung bspw. wie in US 2012/0121999 A1 herausfordernd, da die Wasserstoffbildung von der Anströmung mit Brenngas abhängt und zudem eng an die Temperaturverteilung der Brennstoffzelle gekoppelt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Weiterentwicklung eines elektrochemischen Moduls und in der Schaffung eines Gasführungsteils, mit dem die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Moduls bzw. dessen
Lebensdauer positiv beeinflusst wird.
Diese Aufgabe wird durch das Gasführungsteil gemäß Anspruch 1 und
Anspruch 4 und ein elektrochemisches Modul gemäß Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Gasführungsteil 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 pm bis 800 pm, 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 mittels 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 < 103 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 dabei 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 Verteilsstrukturen, 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 Gasführungsteil geschaffen, welches vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellt ist und daher porös bzw. zumindest abschnittsweise porös ist, falls es durch Verpressen oder lokales Aufschmelzen beispielsweise am Rand bzw. an der Oberfläche nachbehandelt wird. Das Gasführungsteil ist dabei im Bereich des Prozessgasführungsraums angeordnet. Die poröse Struktur des Gasführungsteils dient zur Vergrößerung der Oberfläche, mit der das Prozessgas im Bereich des
Prozessgasführungsraums in Wechselwirkung treten kann. Die Oberfläche des Gasführungsteils ist zumindest abschnittsweise funktionalisiert, wodurch eine reaktive bzw. katalytisch wirksame Oberfläche für eine Manipulation der Prozessgase bereitsteht. Mit Hilfe der funktionalisierten Oberfläche können Gase auf der Eduktseite aufbereitet, insbesondere gereinigt und/oder reformiert werden und Gase auf der Produktseite nachbereitet, insbesondere gereinigt werden. Das Gasführungsteil wird funktionalisiert, indem ein mit dem
Prozessgas katalytisch und/oder reaktiv wirkendes Material in das Material des Gasführungsteils eingebracht und/oder als oberflächliche Beschichtung aufgebracht wird. Das katalytisch und/oder reaktive Material kann also bereits dem Ausgangspulver für die Herstellung des gesinterten Gasführungsteils beigemengt werden („einlegieren") und/oder nach dem Sintervorgang durch einen Beschichtungsprozess auf die Oberfläche des Gasführungsteils, die mit dem Prozessgas in Kontakt tritt, aufgebracht werden. Der
Beschichtungsprozess kann dabei durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels verschiedener Abscheideverfahren aus der Gasphase (physikalische Gasphasenabscheidung, chemische
Gasphasenabscheidung), mittels Tauchbeschichtung (bei dem das Bauteil mit einer Schmelze oder Lösung mit dem entsprechenden funktionalen Material infiltriert bzw. getränkt wird) oder mittels Auftragsverfahren von Suspensionen oder Pasten (insbesondere für die Funktionalisierung mit keramischen
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 (Innen)Oberfläche der porösen Struktur beschichtet werden. Eine Funktionalisierung durch eine oberflächliche Beschichtung ist insgesamt besonders vorteilhaft, weil dadurch vergleichsweise weniger katalytisch und/oder reaktives Material benötigt wird als wenn das katalytisch und/oder reaktive Material dem Material für das Gasführungsteil beigemengt wird.
Durch die Anordnung des funktionalisierten Gasführungsteils im Bereich des Prozessgasführungsraums laufen die chemischen Reaktionen zur Manipulation der Prozessgase getrennt von den elektrochemischen Reaktionen ab, die direkt an der elektrochemischen Zelleinheit stattfinden. Diese Trennung hat
entscheidende Vorteile: Etwaige Ablagerungen bzw. Degradierungen am
Gasführungsteil haben keinen unmittelbaren negativen Einfluss auf die
Reaktionen in der elektrochemischen Zelleinheit. Darüber hinaus sind
unterschiedliche Funktionalisierungen für den Bereich der Gaszuleitung und den Bereich der Gasableitung möglich und können unabhängig für die jeweilige Anforderung optimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Gasführungsteil als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit und dem Gehäuse ausgeführt. Das Gasführungsteil ist dabei zur Anordnung innerhalb des
Prozessgasführungsraums angepasst, in anderen Worten ist seine Form an den Innenraum des Prozessgasführungsraums angepasst. Bevorzugt ist das Gasführungsteil dabei flächig ausgebildet und besitzt einen flachen Körper mit einer Haupterstreckungsebene. In einer vorteilhaften Variante ist das
Gasführungsteil als Abstützelement in vertikaler Richtung (in Stapelrichtung der elektrochemischen Module) ausgeführt. Dabei ist seine Dicke entsprechend der Raum-Innenhöhe des Prozessgasführungsraums gewählt, sodass es mit seiner Oberseite an einem oberen Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums und mit seiner Unterseite an einem unteren Gehäuseteil des Prozessgasführungsraums anliegt und daher bei Anlegen eines Anpressdrucks ein Zusammendrücken des Gehäuse-Randbereichs verhindert wird. Bei einer flächigen Ausgestaltung des Gasführungsteils wird zudem die Biegungs- und Torsionssteifigkeit des
Gehäuse-Randbereichs 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.
Im Betrieb des elektrochemischen Moduls wird das separat ausgeführte
Gasführungsteil innerhalb des Prozessgasführungsraums, vorteilhafterweise vollständig im Prozessgasführungsraum, d.h. im Prozessgasraum vollständig außerhalb des Bereichs direkt unterhalb des Schichtaufbaus der
elektrochemischen Zelleinheit, angeordnet.
Anstatt eines separaten Bauteils, das im Innenraum des
Prozessgasführungsraums angeordnet ist, kann das funktionalisierte
Gasführungsteil in einer weiteren Ausführungsform als Abgrenzung des
Prozessgasführungsraums bzw. eines Abschnitts davon (also als Teil des Gehäuses des Prozessgasführungsraums) ausgeführt sein. Die
Funktionalisierung der Oberfläche erfolgt dabei durch Einlegieren oder an der dem Innenraum des Prozessgasführungsraums zugewandten Oberfläche des Gasführungsteils. Bei MSCs wird das Gasführungsteil bevorzugt durch den Randbereich des metallischen Trägersubstrats gebildet, welcher sich über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit hinaus erstreckt. Das
Gasführungsteil wird also durch den randseitigen Teil des metallischen
Trägersubstrats, auf den keine elektrochemisch aktiven Schichten angeordnet sind, gebildet. Das Gasführungsteil ist dabei gemeinsam mit dem
Trägersubstrat bevorzugt monolithisch, d.h. aus einem Stück, hergestellt. Die Funktionalisierung erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines Elements bzw. einer Verbindung das/die in dem Grundmaterial des Trägersubstrats noch nicht enthalten ist. Insbesondere ist bei einem Fe- und/oder Cr-enthaltendem
Trägersubstrat noch ein zusätzliches Element oder eine zusätzliche Verbindung als Funktionalisierung vorgesehen. Damit das Gasführungsteil in diesem
Bereich seine Funktion als Gehäuse erfüllen kann, muss natürlich das poröse Gasführungsteil gasdicht gemacht werden, was beispielsweise durch
Verpressen und/oder lokales oberflächliches Aufschmelzen auf der dem
Prozessgasführungsraum abgewandten Seite erzielt werden kann. In einer bevorzugten Variante wird das Gasführungsteil als integraler Teil des
Trägersubstrats ausgeführt, wobei die Funktionalisierung nicht durch
Einlegieren, sondern durch Beschichten der Oberfläche, insbesondere mittels Gasphasenabscheideverfahren, Tauchbeschichtung oder Auftragsverfahren von Suspensionen oder Pasten erfolgt. Man gewinnt dadurch Flexibilität, da die Funktionalisierung vergleichsweise kostengünstig für unterschiedliche Bereiche unterschiedlich ausgestaltet und für die jeweilige Anforderung optimiert werden kann. Beispielsweise kann der Randbereich des Trägersubstrats, über dessen Gasdurchtrittsöffnungen das Prozessgas zugeleitet wird, unterschiedlich zum Randbereich des Trägersubstrats, über dessen Gasdurchtrittsöffnungen das Prozessgas abgeleitet wird, funktionalisiert werden. Neben der Manipulation der Prozessgase und mechanischer Aufgaben (primär bei einem separat ausgeführten Gasführungsteil) kommt dem Gasführungsteil eine wichtige Aufgabe in der Verbesserung der Gasströmung innerhalb des Prozessgasführungsraums zu. Zur Optimierung der Gasströmung können am Gasführungsteil 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 abführen. Die Gasleitungsstrukturen können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein, je nachdem, ob das Gasführungsteil eine Gasverteiler- oder eine
Gassammleraufgabe zu erfüllen hat. Die Funktionalisierung des
Gasführungsteils kann mit der Form der Gasführungsstrukturen gekoppelt sein, d.h. sie kann gezielt in jenen Oberflächenbereichen, die einen intensiveren Kontakt mit dem Prozessgas haben, intensiver ausgeführt sein.
Im folgenden wird auf mögliche Optimierungen der Gasleitungsstrukturen am Beispiel eines separat ausgeführten Gasführungsteils eingegangen. Sofern passend lassen sich einzelne Aspekte natürlich auf Gasführungsteile
übertragen, die als Teil des Gehäuses ausgeführt sind, und bei denen die funktionalisierte, dem Prozessgasführungsraum zugewandte Oberfläche mit entsprechenden Gasleitungsstrukturen versehen wird. In das Gasführungsteil können durchgehende Gasdurchtrittsöffnungen integriert sein, wobei in der Anordnung im elektrochemischen Modul die Gasdurchtrittsöffnungen des Gasführungsteils mit den Gasdurchtrittsöffnungen des
Prozessgasführungsraums (Gehäuses) zueinander ausgerichtet sind, sodass ein vertikal durchgehender Gaskanal innerhalb des Stacks entsteht. Das Gasführungsteil ist zumindest in einer Richtung in der Haupterstreckungsebene von der Gasdurchtrittsöffnung bis zu einem seitlichen, dem inneren
Prozessgasraum zugewandten Rand gasdurchlässig. Dazu kann das Gasführungsteil generell bzw. zumindest in dieser Richtung eine offene, durchgehende Porosität aufweisen, wobei in diesem Fall insbesonders die innere Oberfläche, an der das Prozessgas vorbeiströmt, funktionalisiert ist. Zwecks Optimierung der Gasströmung kann die Gasdurchlässigkeit (Porosität) des Gasführungsteils räumlich variieren (beispielsweise durch Gradierung der Porosität oder lokal unterschiedliche Verdichtung des Gasführungsteils, insbesondere durch inhomogenes Verpressen) bzw. für eine höhere
Gasdurchsatzrate kann das Gasführungsteil alternativ oder ergänzend entlang der Haupterstreckungsebene mindestens einen Kanal bzw. eine Mehrzahl von Kanälen aufweisen. Der bzw. die Kanäle, deren Oberfläche vorteilhafterweise funktionalisiert sind, werden bevorzugt oberflächlich ausgebildet und können beispielsweise durch Fräsen, Pressen oder Walzen mit entsprechenden
Strukturen in die Oberfläche des Gasführungsteils (sowohl als Gehäuseteil ausgeführtes Gasführungsteil als auch davon separat ausgeführtes Bauteil) eingearbeitet werden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ein poröses Gasführungsteil 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 Gasführungsteils erstrecken, dass also die Kanäle nicht nur oberflächlich ausgebildet sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist eine höhere Gasdurchsatzrate, es muss aber darauf geachtet werden, dass das Bauteil 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. Die Anzahl und Form der Kanäle wird hinsichtlich der Strömungseigenschaften und den gewünschten Reaktionen optimiert. Das erfindungsgemäße Gasführungsteil wird pulvermetallurgisch hergestellt, wobei das Material für die Funktionalisierung bereits bei der Herstellung des gesinterten Bauteils dem Ausgangspulver hinzugefügt und/oder die Oberfläche des Bauteils erst nach dem Sintervorgang zumindest abschnittsweise damit belegt wird. Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Gasführungsteils dient ein vorzugsweise 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
Gasführungsteil besteht in diesem Fall aus einer ferritischen Legierung. Die vorzugsweise pulvermetallurgische Herstellung des Gasführungsteils erfolgt auf bekannte Weise durch Pressen des Ausgangpulvers (gegebenenfalls mit Zusatz des Materials für die Funktionalisierung), gegebenenfalls unter Zusatz von organischen Bindemitteln, und anschließendem Sintervorgang.
Bei einer Verwendung des Gasführungsteils als separat ausgebildetes Bauteil in einer MSC besteht das Gasführungsteil bevorzugt aus dem gleichen oder einem weitgehend gleichen (d.h. nur mit Zusatz des Materials zur
Funktionalisierung) Material wie das Trägersubstrat der MSC. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Fall die Wärmeausdehnung gleich ist und keine temperaturinduzierten Spannungen auftreten.
Wie bereits erwähnt findet das erfindungsgemäße Gasführungsteil Verwendung bei einem elektrochemischen Modul, insbesondere bei einer MSC. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das elektrochemische Modul für die
Zuleitung und Ableitung der Prozessgase jeweils unterschiedlich ausgebildete Gasführungsteile auf. Die Gasführungsteile können sich dabei hinsichtlich des verwendeten Materials, ihrer Form, Porosität, der Form der ausgebildeten Gasleitungsstrukturen wie der Kanalstrukturen, etc. unterscheiden.
Insbesondere kann sich die Funktionalisierung bei den für die Zuleitung und Ableitung der Prozessgase verwendeten Gasführungsteilen unterscheiden und für die unterschiedlichen Aufgaben optimiert werden. Während das
Gasführungsteil, das bei der Zuleitung von Prozessgasen (Eduktgase) eingesetzt wird, für die Aufbereitung der Eduktgase adaptiert ist, ist das
Gasführungsteil, das für die Ableitung von Prozessgasen (Produktgase) eingesetzt wird, für die Nachbereitung der Produktgase angepasst.
Insbesondere bei Verwendung in einer SOFC kann das Gasführungsteil zur katalytischen Reformierung des Eduktgases funktionalisiert sein. Für die katalytische Reformierung haben sich folgende Materialien bewährt (insbesondere bei Verwendung eines Gasführungsteils aus einer
pulvermetallurgisch hergestellten Legierung auf Basis von Eisen und/oder Chrom): Nickel (Ni), Platinum (Pt), Palladium (Pd) und/oder Oxide dieser Metalle wie beispielsweise NiO. Bei einer homogenen Einlegierung sollte der Anteil dieser Metalle bzw. Metalloxide in Summe mindestens 1 Gew.%, vorzugsweise mindestens 2 Gew.%, betragen. Durch diese Funktionalisierung wird bei gleichbleibendem Eduktgasstrom zusätzlicher Wasserstoff für die elektrochemische Reaktion erzeugt. Für die bevorzugte Wirkung können diese Materialien in das Grundmaterial einlegiert bzw. mittels Beschichtungsverfahren auf die vom Prozessgas angeströmte bzw. überströmte Oberfläche aufgebracht werden (bspw. mittels Tauchbeschichtung (Suspensionstauchen) oder verschiedener Abscheideverfahren aus der Gasphase), wobei Einlegieren bzw. Gasphasenabscheideverfahren einem Tauchverfahren wegen
Benetzungseffekten, die für die poröse Struktur nachteilig sind, vorzuziehen sind.
Das Gasführungsteil kann weiters zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Verunreinigungen wie beispielsweise durch Schwefel, Chlor, Sauerstoff und/oder Kohlenstoff funktionalisiert werden. Die Verunreinigungen reagieren mit den eingebrachten Materialien, wodurch das Risiko möglicher
Schädigungen an den elektrochemisch aktiven Schichten der Zelleinheit reduziert wird. Als Elemente (Getter-Atome) zur Reinigung des Eduktgases von Schwefel und/oder Chlor finden Verwendung: Ni, Kobald (Co), Chrom (Cr), Scandium (Sc) und/oder Cer (Ce), wobei Ni aufgrund seiner oben angeführten Eigenschaften hinsichtlich der katalytischen Reformierung sowie Ce bevorzugt sind. Bevorzugte Elemente zur Reinigung des Eduktgases gegenüber
Sauerstoff sind Cr, Kupfer (Cu) und/oder Titan (Ti), wobei Ti aufgrund seiner zurückhaltenden Wirkung für Kohlenstoff und somit wegen seiner gleichzeitigen Wirkung zur Vermeidung von Rußbildung besonders vorteilhaft ist. Obwohl diese Getter-Atome in der Regel nur Restmengen im ppm-Bereich zurückhalten können, wird dadurch die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des
elektrochemischen Moduls messbar positiv beeinflusst. Das Einbringen der Materialien erfolgt auch hier durch Einlegieren in das Grundmaterial,
Tauchbeschichtung mit Suspensionen oder Abscheideverfahren aus der Gasphase, wobei aufgrund der Flexibilität Gasphasenabscheideverfahren bevorzugt werden.
Analog können funktionale Zentren zur Nachbereitung des Produktgases eingebracht werden. Das Produktgas (Abgas) kann durch ein entsprechend funktionalisiertes Gasführungsteil gereinigt werden, vor allem in Hinblick auf Verunreinigungen mit flüchtigen Cr-Ionen. Eine entsprechende
Funktionalisierung gegenüber Cr-Verunreinigungen kann durch oxidische Keramiken wie beispielsweise Cu-Ni-Mn-Spinellen der Struktur AB2O4 erfolgen (wobei A ein Element aus der Gruppe Cu oder Ni und B das Element Mangan (Mn) ist), die mittels Gasphasenabscheideverfahren, Tauchverfahren oder
Auftragsverfahren mit Suspensionen bzw. Pasten oder durch Umwandlung aus den metallischen Elementen erfolgen kann.
Zur Verhinderung von Rückdiffusion von Sauerstoff aus den Abgasleitungen kann das Gasführungsteil mit Sauerstoff-Getter funktionalisiert sein. Diese sollen einer Oxidation der Anode vorbeugen. Als Sauerstoff-getter sind geeignet: Ti, Cu oder unterstöchiometrischen Spinellverbindungen, wobei Ti und/oder Cu bevorzugt eingesetzt werden. Diese beiden Metalle werden bevorzugt durch ein Gasphasenabscheideverfahren auf die poröse Oberfläche des Gasführungsteils aufgebracht. Die Unterdrückung der Rückdiffusion kann gegebenenfalls zusätzlich durch geeignete Gasführungsstrukturen unterstützt werden.
Zusammengefasst kann insbesondere für den Einsatz in einer SOFC das Gasführungsteil auf der Eduktgasseite mit Ni, Pt, Pd (und/oder Oxiden dieser Metalle), Co, Cr, Sc, Cer, Cu und/oder Ti funktionalisiert werden. Mögliche Funktionalisierungen des Gasführungsteils auf der Produktseite umfassen Ti, Cu und/oder oxidische Keramiken, insbesondere Cu-Ni-Mn Spinellen.
Bevorzugte Kombinationen für die Funktionalisierung der Gasführungsteile auf Eduktgasseite und Produktgasseite umfassen Ni bzw. NiO auf der
Eduktgasseite und Ti auf der Produktgasseite, sowie Ni bzw. NiO auf der Eduktgasseite und Cu auf der Produktgasseite, etc..
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.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1a: eine erste Ausführungsform eines funktionalisierten
Gasführungsteils zur Verwendung in einem elektrochemischen Modul in perspektivischer Ansicht;
Fig. 1b: das Gasführungsteil von Fig. 1a in Aufsicht und
Fig. 1c: das Gasführungsteil von Fig. 1a in einer Seitenansicht;
Fig. 2: eine erste Ausführungsform des elektrochemischen Moduls mit jeweils einem Gasführungsteil gemäß Fig. 1a-c für den Prozessgasführungsraum zur Zu- bzw. Ableitung der Prozessgase in einer Explosionsdarstellung (es ist dabei zu beachten, dass das elektrochemische Modul in Fig. 2 im Vergleich zu den Modulen in Fig. 3 zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle auf den Kopf gestellt dargestellt ist);
Fig. 3: einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß Fig. 2 im
Querschnitt;
Fig. 4: eine zweite Ausführungsform des elektrochemischen Moduls in einer Explosionsdarstellung und
Fig. 5: einen Stack mit drei elektrochemischen Modulen gemäß Fig. 4 im
Querschnitt.
Fig. 1a zeigt in perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform des funktionalisierten Gasführungsteils (10), welches als separates Bauteil ausgeführt ist und im elektrochemischen Modul, insbesondere in einer SOFC, innerhalb des Prozessgasführungsraums angeordnet wird. Eine mögliche Anordnung im Prozessgasführungsraum wird aus den nachfolgenden Fig. 2 und Fig.3 ersichtlich. Fig. 1b zeigt das Gasführungsteil (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 Gasführungsteil (10) wurde pulvermetallurgisch aus einer Fe-Basis Legierung mit Fe >50 Gew. % und 15 bis 35 Gew. % Cr hergestellt. Es wurde ein Pulver mit einer Partikelgröße < 150 μηι, insbesondere <100 μιτι gewählt, sodass nach dem Sinterprozess das poröse Gasführungsteil eine Porosität von vorzugsweise 20 bis 60%, insbesondere 40 bis 50% aufweist. Die Partikelgröße ist umso kleiner zu wählen, je dünner das Gasführungsteil auszubilden ist. Bevorzugt wird eine offene Porosität eingestellt (d.h. es ist ein Gasaustausch zwischen einzelnen benachbarten Poren möglich). Vorzugsweise weist es eine Dicke im Bereich von 170 μιτι bis 1 ,5 mm, insbesondere im Bereich von 250 [im bis 800 [im, auf. Das flächig ausgebildete Gasführungsteil weist eine Mehrzahl von Gasdurchtrittsöffnungen (1 1 ) auf, in der dargestellten Variante drei mittige Gasdurchtrittsöffnungen (1 1 ), durch die das Prozessgas im Betrieb des elektrochemischen Moduls zu- bzw. abgeleitet wird. Der Prozessgasstrom wird durch Gasleitungsstrukturen zusätzlich gelenkt, im vorliegenden
Ausführungsbeispiel durch sternförmige, oberflächlich ausgebildete Kanäle (12), die sich von den Gasdurchtrittsöffnungen bis an den seitlichen Rand (A) erstrecken. Kanäle, die von der Gasdurchtrittsöffnung (1 1 ) ursprünglich in eine dem inneren Prozessgasraum abgewandte Richtung abzweigen, sind dabei bogenförmig an den seitlichen Rand (A) in Richtung innerer Prozessgasraum umgelenkt. An den restlichen seitlichen Rändern (13) (außer seitlichen Rand (A)) ist das Gasführungsteil gasdicht verpresst. Im Betrieb des
elektrochemischen Moduls strömt das Prozessgas von den
Gasdurchtrittsöffnungen (1 1 ) durch die Kanäle (12) und die Poren an den seitlichen Rand (A) des Gasführungsteils, von wo es in den inneren
Prozessgasraum weiterströmt, welcher durch die vielen Kanäle möglichst gleichmäßig versorgt wird. Bei Verwendung des Gasführungsteils zur Ableitung der Prozessgase strömt das Gas in umgekehrter Richtung.
Zur Funktionalisierung wurde die Oberfläche des Gasführungsteils auf der Seite mit den Kanälen in einer PVD Anlage mit einer Funktionsschicht (14) mit < 1 μηι Dicke beschichtet. Es wurde dabei darauf geachtet, dass die poröse
Oberflächenstruktur des Gasführungsteils beim Beschichtungsprozess erhalten bleibt, dh. die offen poröse Oberfläche nicht durch eine Deckschicht überlagert wird, sodass eine im Vergleich zu einer glatten Oberfläche große
funktionalisierte Oberfläche bestehen bleibt. Es wurde auch darauf geachtet, dass insbesondere die Oberfläche der Kanäle, welche durch das Prozessgas überströmt wird und daher in einem vergleichsweise intensiven Kontakt mit dem Prozessgas steht, ausreichend beschichtet wurde.
Es wurden mehrere Gasführungsteile mit unterschiedlicher Funktionalisierung zur Aufbereitung bzw. Nachbereitung der Prozessgase hergestellt, die
Gasführungsteile sind dabei für den Einsatz in einer SOFC gedacht. Ein erstes Ausführungsbeispiel des Gasführungsteils wurde mit Ni beschichtet, ein zweites mit NiO. Beide Gasführungsteile finden Anwendung bei der Aufbereitung der Brenngase; die funktionalisierte Oberfläche beider Ausführungsbeispiele dient als Katalysator für die Reformierung des Brenngases und hat zudem eine Getter-wirkung gegenüber Chlor und Schwefel. Für das Gasführungsteil für die Abgas-Nachbereitung wurde eine Ti-Beschichtung gewählt, die eine Filterung des Abgasstroms gegenüber Cr-Ionen bewirkt.
In Fig. 2 und Fig. 3 wird die Anordnung der Gasführungsteile (10,10') im elektrochemischen Modul veranschaulicht. Fig. 2 zeigt in einer
Explosionsdarstellung ein elektrochemisches Modul (20) mit entsprechend funktionalisierten Gasführungsteilen (10,10'), Fig. 3 stellt in einer
Querschnittdarstellung einen Stack (30) mit drei aufeinandergestapelten elektrochemischen Modulen (20) dar. Es ist zu beachten, dass in Fig. 2 das elektrochemische Modul im Vergleich zu den Modulen in Fig. 3 zwecks besserer Sichtbarkeit der Kanäle (12) auf den Kopf gestellt dargestellt ist. 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. 3. Der Interkonnektor (24) erstreckt sich an zwei gegenüberliegenden Seiten 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 Prozessgasraum (26) ist (gedacht) in zwei einander gegenüberliegende Unterräume - die beiden
Prozessgasführungsräume (27, 27') - unterteilt, wobei sich die Unterräume jeweils über einen Bereich außerhalb des Bereichs der elektrochemischen Zelleinheit (21) erstrecken und in Richtung elektrochemischer Zelleinheit (21) offen sind. Dabei dient ein erster Prozessgasführungsraum (27) über
entsprechende Gaseintrittsöffnungen (28) im Gehäuse (Rahmenblech und Interkonnektor) der Zuleitung der Prozessgase, während der
gegenüberliegende Prozessgasführungsraum (27') über entsprechende
Gasaustrittsöffnungen (28') die Ableitung der Prozessgase bewerkstelligt (die Gasdurchtrittsöffnungen sind in Fig. 3 nicht dargestellt, da sich der Schnitt seitlich der Gasdurchtrittsöffnungen befindet). Innerhalb des Stacks erfolgt die Gasführung 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.
Innerhalb des Prozessgasführungsraums (27) für die Zuleitung ist ein
Gasführungsteil (10) angeordnet, dessen Oberfläche für die Aufbereitung des Eduktgases (Reformierung, Reinigung) funktionalisiert ist. Das für die
Nachbereitung der Produktgase funktionalisierte Gasführungsteil (10') ist innerhalb des gegenüberliegenden Prozessgasführungsraums (27') für die Ableitung der Produktgase angeordnet. Die für die Zuleitung und Ableitung verwendeten Gasführungsteile (10,10') haben also bevorzugt eine
unterschiedliche Funktionalisierung. Die Gasführungsteile können sich natürlich auch hinsichtlich anderer Eigenschaften (Grundmaterial, Form, Porosität, Geometrie der Kanäle, etc.) unterscheiden und für ihren Einsatzzweck unabhängig voneinander optimiert werden. Bevorzugt sind die Gasführungsteile (10,10') als Abstützelement in
Stapelrichtung (B) der elektrochemischen Module ausgeführt. Dazu ist die Form des Gasführungsteils jeweils an den Innenraum des jeweiligen
Prozessgasführungsraums angepasst. Die Gasführungsteile (10,10') liegen jeweils mit ihrer Oberseite am Rahmenblech (25), der oberen Abgrenzung des jeweiligen Prozessgasführungsraums (27, 27'), und mit ihrer Unterseite am Interkonnektor (24), der unteren Abgrenzung des jeweiligen
Prozessgasführungsraums, an. Vorteilhaft ist insbesondere eine flächige Anlage, an der Oberseite und/oder an der Unterseite des jeweiligen
Gasführungsteils. Die Dicke des Gasführungsteils entspricht daher der Raum- Innenhöhe des jeweiligen Prozessgasführungsraums (27,27'). Die oberflächlich ausgebildeten Kanäle (12) befinden sich an der Unterseite der Gasführungsteile ( 0,10'). Durch die flächige Ausgestaltung der Gasführungsteile wird 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 werden die funktionalisierten Gasführungsteile punktweise am Gehäuse angeschweißt und so fixiert.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des
elektrochemischen Moduls (20'), bei dem die Gasführungsteile (10", 10"') einen Teil des Gehäuses bilden und integral mit dem Trägersubstrat (22') ausgeführt sind. Das poröse Trägersubstrat (22') ist an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils am Randbereich, in welchen jeweils Gasdurchtrittsöffnungen (11 ,11 ') integriert sind, gasdicht verpresst. Es kann der Randbereich auch an der dem Schichtaufbau (23) zugewandten Seite durch einen Aufschmelzprozess bspw. mittels Laserstrahlschmelzen gasdicht gemacht werden. Diese
gegenüberliegenden Randbereiche des Trägersubstrats sind außerhalb des gasdurchlässigen Bereiches mit dem Schichtaufbau (23). Sie stellen jeweils ein Gasführungsteil (10", 10"') dar und grenzen die beiden
Prozessgasführungsräume (27,27') nach oben ab. Beim Pressvorgang können optional Gasleitungsstrukturen (12) an der Unterseite (dem Inneren des
Prozessgasführungsraums zugewandten Seite) des Randbereichs des Trägersubstrats integriert sein. In der realisierten Variante ist der der Zuleitung des Brenngases zugeordnete Randbereich (10") des Trägersubstrats an seiner Unterseite mit Ni beschichtet, der der Ableitung des Abgases zugeordnete Randbereich (10"') ist an seiner Unterseite mit Ti beschichtet. Es wird eine zum Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis Fig. 3 analoge Aufbereitung der Brenngase und Reinigung der Abgase erzielt.
Sowohl für das in Fig. Ibis Fig.3 dargestellte Ausführungsbeispiel mit einem separat ausgebildeten Gasführungsteil als auch für das in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel mit dem integrierten Gasführungsteil sind natürlich andere Funktionalisierungen als die Ni bzw. NiO und die Ti
Beschichtung denkbar. Für den Einsatz in einer SOFC kann das
Gasführungsteil auf der Eduktgasseite neben Ni bzw. NiO mit Pt, Pd (und/oder Oxiden dieser beiden Metalle), Co, Cr, Sc, Cer, Cu und/oder Ti funktionalisiert werden. Mögliche Funktionalisierungen des Gasführungsteils auf der
Produktseite umfassen Ti, Cu und/oder oxidische Keramiken, insbesondere Cu- Ni-Mn Spinellen.

Claims

Ansprüche
Poröses bzw. zumindest abschnittsweise poröses Gasführungsteil (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 (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, dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen Prozessgasführungsraum (27;27') bildet und im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27;27') mindestens eine
Gasdurchtrittsöffnung (28;28') zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10') zur
Anordnung innerhalb des Prozessgasführungsraumes (27;27') angepasst ist und die Oberfläche des Gasführungsteils zur Wechselwirkung mit dem Prozessgas funktionalisiert ist.
Gasführungsteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10') als separates Bauteil von der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet ist.
Gasführungsteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10') zur Abstützung des Gehäuses nach beiden Seiten entlang einer Stapelrichtung des elektrochemischen Moduls angepasst ist.
Poröses bzw. zumindest abschnittsweises poröses Gasführungsteil (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 aufweist, das mit der elektrochemischen Zelleinheit einen gasdichten Prozessgasraum (26) bildet,
wobei sich das Gehäuse auf mindestens einer Seite über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, dabei einen zur elektrochemischen Zelleinheit offenen
Prozessgasführungsraum (27;27') bildet und im Bereich des Prozessgasführungsraumes mindestens eine
Gasdurchtrittsöffnung (28;28') zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10", 10"') als
Gehäusesteil des Prozessgasführungsraums (27;27') ausgebildet ist und die dem Prozessgasführungsinnenraum zugewandte Oberfläche des Gasführungsteils zur Wechselwirkung mit dem Prozessgas funktionalisiert ist.
Gasführungsteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10", 10"') integral mit einem metallischen Trägersubstrat (22) der elektrochemischen Zelleinheit (21) ausgebildet ist.
Gasführungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10, 10'; 10", 10"') zur
katalytischen Reformierung eines Eduktgases funktionalisiert ist.
Gasführungsteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalisierung zur katalytischen Reformierung durch Einbringen von Nickel, Platinum und/oder Palladium und/oder Oxide dieser Metalle erfolgt.
Gasführungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10';10",10"') zur Reinigung des Eduktgases, insbesondere zur Reinigung gegenüber Schwefel, Chlor, Sauerstoff und/oder Kohlenstoff funktionalisiert ist. 9. Gasführungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalisierung zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Schwefel und/oder Chlor durch Einbringen von Nickel, Kobald, Chrom und/oder Cer erfolgt.
10. Gasführungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionalisierung zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Sauerstoff durch Einbringen von Chrom, Kupfer und/oder Titan erfolgt. 11. Gasführungsteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Funktionalisierung zur Reinigung des Eduktgases gegenüber Kohlenstoff (Russ) durch Einbringen von Titan erfolgt.
12. Gasführungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10';10",10"') zur Reinigung des Produktgases, insbesondere zur Reinigung gegenüber Chrom und/oder Sauerstoff funktionalisiert ist.
13. Gasführungsteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalisierung zur Reinigung des Produktgases gegenüber Chrom durch Einbringen von oxidischen Keramiken, insbesondere durch Cu-Ni- Mn Spinellen, erfolgt.
14. Gasführungsteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionalisierung zur Reinigung gegenüber Sauerstoff durch Einbringen von Ti und/oder Cu oder unterstöchiometrischen Spinell-Verbindungen erfolgt.
15. Gasführungsteil nach einem der Ansprüche 7,9, 10,11 , 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen durch Einlegieren oder ein
Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels einem
Gasphasenabscheideverfahren, Tauchbeschichtung oder einem
Auftragsverfahren von Suspensionen oder Pasten erfolgt. 16. Gasführungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial für das Gasführungsteil (10, 10'; 10", 10"') eine pulvermetallurgisch hergestellte, auf Eisen und/oder Chrom basierte ferritische Legierung ist.
Gasführungsteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasführungsteil (10,10';10",10"') mindestens eine Gasleitungsstruktur (12) aufweist.
Elektrochemisches Modul (20; 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;27') bildet und mindestens eine Gasdurchtrittsöffnung (28;28') im Bereich des Prozessgasführungsraumes (27;27') zur Zu- und/oder Ableitung der Prozessgase aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Prozessgasführungsraums (27;27') im Bereich der Gasdurchtrittsöffnungen mindestens ein
Gasführungsteil (10,10') nach Anspruch 1 oder einem der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche 2, 3, 6 bis 17 angeordnet ist, welches der
Abstützung des Gehäuses entlang der Stapelrichtung (B) des
elektrochemischen Moduls (20;20') dient
und/oder das Gehäuse des Prozessgasführungsraums zumindest abschnittsweise durch mindestens ein Gasführungsteil (10", 10"') nach Anspruch 4 oder einem der von Anspruch 4 abhängigen Ansprüch 5 bis 17 gebildet ist.
Elektrochemisches Modul nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Gehäuse (24;25) auf mindestens zwei Seiten über den Bereich der elektrochemischen Zelleinheit (21) hinaus erstreckt, wodurch ein erster Prozessgasführungsraum (27) mit mindestens einer
Gaseintrittsöffnung (28) für ein Eduktgas, dem mindestens ein erstes Gasführungsteil (10; 10") zugeordnet ist, und ein zweiter Prozessgasführungsraum (27') mit mindestens einer Gasaustrittsöffnung (28') für ein Produktgas, dem mindestens ein zweites Gasführungsteil (10'; 10"') zugeordnet ist, gebildet ist, wobei sich die Funktionalisierung des ersten, dem ersten Prozessgasführungsraum zugeordneten
Gasführungsteils (10; 10") von der Funktionalisierung des zweiten, dem zweiten Prozessgasführungsraum zugeordneten Gasführungsteils (10'; 10"') unterscheidet. 20. Elektrochemisches Modul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gasführungsteils (10; 10") zur Aufbereitung des
Eduktgases und/oder das zweite Gasführungsteil (10'; 10"') zur
Nachbereitung des Produktgases funktionalisiert ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP7070291B2 (ja) * 2018-09-27 2022-05-18 トヨタ車体株式会社 燃料電池スタック

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK174654B1 (da) * 2000-02-02 2003-08-11 Topsoe Haldor As Faststofoxid brændselscelle og anvendelser heraf
CN100464457C (zh) * 2000-12-28 2009-02-25 三菱综合材料株式会社 燃料电池组件的分配器
DE10135333A1 (de) 2001-07-19 2003-02-06 Elringklinger Ag Brennstoffzelleneinheit
JP4329345B2 (ja) * 2003-01-21 2009-09-09 三菱マテリアル株式会社 内部改質式燃料電池
WO2005027247A1 (de) * 2003-09-08 2005-03-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Interkonnektor für hochtemperatur-brennstoffzelleneinheit
DE102007024225A1 (de) * 2007-05-11 2008-11-13 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Trägervorrichtung für eine elektrochemische Funktionseinrichtung, Brennstoffzellenmodul und Verfahren zur Herstellung einer Trägervorrichtung
DE102007034967A1 (de) * 2007-07-26 2009-01-29 Plansee Se Brennstoffzelle und Verfahren zu deren Herstellung
FR2945378B1 (fr) * 2009-05-11 2011-10-14 Commissariat Energie Atomique Cellule de pile a combustible haute temperature a reformage interne d'hydrocarbures.
DE102009037148B4 (de) * 2009-08-06 2014-02-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Festoxid-Brennstoffzellen-System
JP2012226889A (ja) * 2011-04-18 2012-11-15 Hitachi Ltd 燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池
AT14455U3 (de) * 2015-07-14 2017-05-15 Plansee Se Elektrochemisches Modul

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