EP4268302A1 - Electrode unit, and process for manufacturing an electrode unit - Google Patents

Electrode unit, and process for manufacturing an electrode unit

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Publication number
EP4268302A1
EP4268302A1 EP21830428.5A EP21830428A EP4268302A1 EP 4268302 A1 EP4268302 A1 EP 4268302A1 EP 21830428 A EP21830428 A EP 21830428A EP 4268302 A1 EP4268302 A1 EP 4268302A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
functional layer
functional
electrode
electrode unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21830428.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Friedrich Kneule
Andreas Haeffelin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4268302A1 publication Critical patent/EP4268302A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8636—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells with a gradient in another property than porosity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H01M4/8832—Ink jet printing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • An electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit, which has a plurality of functional layers, has already been proposed.
  • the invention is based on an electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit, which has a plurality of functional layers.
  • a “fuel cell and/or electrolyzer unit” should preferably be understood to mean at least a part, in particular a subassembly, of a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell, in particular a planar one, and/or an electrolyzer, in particular a high-temperature electrolyzer, in particular for stationary or mobile applications .
  • the metal-supported fuel cell and/or electrolyzer unit can also be the entire fuel cell, in particular the entire solid oxide fuel cell, the entire electrolyzer, in particular the entire high-temperature electrolyzer, a stack of fuel cells and/or electrolyzers and/or a combination of several stacks of fuel cells and/or electrolyzers include.
  • the preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit is preferably provided to burn a fuel with the supply of an oxidant in a combustion process to generate electrical energy.
  • the metal-supported fuel cell and/or electrolyzer unit is provided for dividing a fluid into at least two components in a separation process with the supply of electrical energy.
  • Electrode unit of a fuel cell and/or electrolyzer unit should preferably be understood to mean a unit which comprises at least one electrode, in particular a functional layer designed as an electrode layer, which is directly connected to the combustion process carried out by means of the fuel cell and/or electrolyzer unit and/or separation process involved.
  • the electrode unit preferably comprises, in particular in addition to the electrode, at least one further electrode, in particular a further functional layer designed as an electrode layer.
  • the electrode and the further electrode are intended for use as a cathode-anode pair.
  • the electrode unit preferably comprises at least one separating element, in particular a functional layer designed as an electrolyte layer. The separating element is preferably arranged between the electrode and the further electrode.
  • the electrode and/or the further electrode is preferably designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product. At least the electrode and/or the further electrode is preferably designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or a further fission product.
  • a layer of a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit in particular a layer is to be understood that is directly involved in the combustion process and/or the separation process carried out by means of the preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit.
  • at least one, preferably two functional layers is designed as an electrode layer, in particular for use as a cathode and/or anode.
  • At least one electrode layer is preferably designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product.
  • At least one electrode layer is preferably designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product.
  • At least one functional layer is preferably designed as a separating layer, in particular as an electrolyte layer. At least one separating layer is preferably arranged on at least one electrode layer, in particular between two electrode layers.
  • the electrode unit preferably comprises at least one of the functional layers designed as an electrode layer.
  • the electrode unit preferably comprises at least one functional layer designed as a separating layer.
  • the electrode unit is designed as a membrane electrode assembly (MEA).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the electrode unit preferably has a carrier element on which the functional layers are applied.
  • the individual functional layers are layered on top of each other and applied to the carrier element.
  • the support element can preferably be planar or tubular.
  • the functional layers are continuous in an active cell area.
  • the functional layers are continuous in a main extension plane.
  • An “active cell surface” should preferably be understood to mean a surface area of a functional layer that is actively involved in the combustion process and/or separation process.
  • a "specifically variable layer thickness” should preferably be understood to mean a layer thickness of a functional layer which is intended to be variable in order to achieve a predetermined effect, i.e. has different thicknesses in different partial areas.
  • a deliberately variable layer thickness should in particular not be understood to mean a variable thickness of the layer thickness that is merely caused by manufacturing tolerances.
  • a functional layer with a deliberately variable layer thickness preferably has a different layer thickness, in particular in at least two partial areas.
  • a functional layer with a deliberately variable layer thickness particularly preferably has a different thickness in more than two partial areas.
  • a difference in a thickness of two adjacent partial regions of the functional layer can preferably be only 1 ⁇ m, preferably only 0.5 ⁇ m. In principle, it is conceivable that a difference in a thickness of two adjacent partial areas of the functional layer is more than 1 ⁇ m, more than 5 ⁇ m, or more than 15 ⁇ m.
  • a layer thickness is to be understood in particular as an extension of a functional layer orthogonal to its main plane of extension.
  • the electrode unit Due to the configuration of the electrode unit according to the invention, local cell resistances of the functional layers and thus of the entire electrode unit can be set in a targeted manner.
  • the electrical resistance contribution of the individual functional layers depends essentially linearly on the layer thickness of the corresponding functional layer.
  • a homogeneous current density distribution over the entire active cell area of the functional layers, ie over the entire active cell area of the electrode unit can advantageously be achieved. Due to the more uniform utilization of the active cell area of the functional layers of the electrode unit, a higher power density can advantageously be achieved.
  • the design according to the invention can increase the service life and thereby reduce the lifetime costs of an electrode unit and the fuel cell and/or electrolyzer unit of which it is a part.
  • the at least one functional layer has a variance in its layer thickness of at least 0.5 ⁇ m and a maximum of 20 ⁇ m.
  • a “variance in the layer thickness” should preferably be understood to mean a difference in thickness between a thinnest partial area and a thickest partial area of a functional layer.
  • the at least one functional layer can be equipped with a homogeneous current density distribution in a particularly advantageous manner.
  • the at least one functional layer is designed as a partial layer of an electrolyte layer.
  • a “partial layer of an electrolyte layer” should preferably be understood to mean a layer which, together with at least one further partial layer, forms the electrolyte layer which is arranged between the two functional layers designed as electrode layers.
  • the functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is preferably formed from a doped cerium oxide (CGO/GCO).
  • the functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed as a doped ceran oxide layer.
  • a functional layer formed as a partial layer of an electrolyte layer is formed from a doped zirconium oxide (3YSZ/8YSZ).
  • the functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed as a doped zirconium oxide layer.
  • the electrolyte layer is preferably made up of a partial layer made of a doped cerium oxide (CGO/GCO) and a partial layer made of a doped zirconium oxide (3YSZ/8YSZ).
  • CGO/GCO doped cerium oxide
  • 3YSZ/8YSZ doped zirconium oxide
  • the electrolyte layer it is also conceivable for the electrolyte layer to be formed from just one layer, or for the electrolyte layer to be formed from more than two partial layers.
  • the individual layer or the sub-layers of the electrolyte layer are formed from other materials that appear sensible to a person skilled in the art.
  • the partial layers of the electrolyte layer are preferably formed from a ceramic material.
  • the at least one functional layer is designed as a diffusion protection layer.
  • a "diffusion protection layer” should preferably be understood to mean a protective layer that is intended to To reduce diffusion processes, preferably to prevent.
  • the functional layer designed as a diffusion protection layer is preferably arranged between a carrier element and a functional layer designed as an electrode layer.
  • the diffusion protection layer is preferably provided to reduce, in particular to prevent, diffusion processes between the carrier element and the functional layer designed as an electrode layer.
  • the functional layer with the variable layer thickness can be formed in a particularly simple manner in order to achieve a homogeneous current density distribution of the electrode unit.
  • the at least one functional layer is designed as an electrode layer.
  • An “electrode layer” should preferably be understood to mean a functional layer that is intended for use as a cathode and/or anode. As a result, one advantageous setting of a homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved.
  • the functional layers each have a specifically variable layer thickness.
  • “Several functional layers each having a specifically variable layer thickness” should preferably be understood to mean that at least two, preferably three and in a particularly preferred embodiment all functional layers each have a specifically variable layer thickness. As a result, a homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved particularly well.
  • the at least one functional layer is produced at least partially by a coating process, in particular by a printing process.
  • a “coating process” should preferably be understood to mean a process with which a material for forming a layer, in particular a functional layer, is applied to a carrier material.
  • the coating process is preferably designed as a printing process.
  • the coating process is particularly preferably designed as an inkjet printing process.
  • the coating process is in the form of a spraying or gas phase deposition process.
  • the coating process drive is designed as a screen printing process.
  • the functional layer can be formed particularly simply and advantageously with a variable layer thickness.
  • an electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit is proposed, wherein at least one functional layer is applied in at least one method step, wherein the functional layer is different in different partial areas in the at least one method step is applied thickly.
  • “Applied” is to be understood as meaning applied in layers to a carrier material, preferably by means of a suitable coating process.
  • the at least one functional layer is applied in partial areas of different thicknesses by means of a p-inkjet method.
  • a “p-inkjet method” should preferably be understood to mean a printing method, in particular an inkjet printing method, in which a material for layer formation can be applied to a carrier material via a plurality of print nozzles that can be controlled in a targeted manner.
  • a layer is preferably applied to a carrier material via a plurality of printing nozzles arranged in parallel.
  • a layer with a layer thickness of less than 1 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m can be applied.
  • a layer with a variance in the layer thickness of two adjacent partial regions of less than 1 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m can be applied to a carrier material.
  • a layer, in particular a functional layer can be applied to a carrier material by means of the p-inkjet method, which layer has two adjacent partial regions with a thickness difference of less than 1 ⁇ m, preferably 0.5 ⁇ m.
  • the functional layer can be produced in a particularly simple manner and with an advantageously small difference in thickness between adjacent partial regions.
  • a current density distribution of a functional layer over its entire active cell surface can be adjusted particularly finely.
  • a particularly homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved.
  • the at least one functional layer is applied by means of a plurality of pressure nozzles that are controlled in a targeted manner.
  • a “specifically controlled print nozzle” should preferably be understood to mean a print nozzle of an inkjet printer for a p-inkjet process, which can finely meter a delivery quantity for producing a layer via a specific electrical and/or electronic control.
  • the pressure nozzles that can be controlled in a targeted manner are preferably arranged parallel to one another. As a result, the at least one functional layer can be produced particularly advantageously.
  • the several selectively controllable pressure nozzles for generating the partial areas of different thicknesses are controlled with different parting parameters, such as in particular a different pulse strength and/or a different frequency.
  • a “deposition parameter” should preferably be understood as a control parameter by means of which a pressure nozzle that can be controlled in a targeted manner is controlled and, as a result of the corresponding control, the pressure nozzle releases a defined quantity of material to form a layer, in particular a functional layer.
  • a printing process of the at least one functional layer can take place particularly advantageously.
  • a fuel cell in particular a solid oxide fuel cell, is proposed with at least one fuel cell and/or electrolyzer unit with at least one electrode unit.
  • the method according to the invention, the electrode unit according to the invention and/or the fuel cell according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention, the carrier according to the invention and/or the fuel cell according to the invention can deviate from a number of individual elements, components and units as well as method steps mentioned herein in order to fulfill a function described herein. corresponding number.
  • values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through an electrode unit of a fuel cell and/or electrolyzer unit with a functional layer with a specifically variable layer thickness in a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a pressure nozzle in a method according to the invention for producing a functional layer with the deliberately variable layer thickness in a schematic representation
  • FIG. 3 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a cross-flow arrangement
  • FIG. 4 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a co-flow arrangement
  • FIG. 5 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a counterflow arrangement
  • FIG. 6 shows a method according to the invention for producing an electrode unit and 7 shows a schematic sectional view through an electrode unit of a fuel cell and/or electrolyzer unit with a functional layer with a specifically variable layer thickness in a second exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows part of a fuel cell and/or electrolyzer unit 10a, in particular a solid oxide fuel cell unit.
  • the supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit 10a comprises an electrode unit 12a.
  • the electrode unit 12a includes a carrier element 24a.
  • the carrier element 24a forms a basic structure of the electrode unit 12a.
  • the carrier element 24a preferably has a porous structure.
  • the electrode unit 12a has a plurality of functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a.
  • the functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a are applied in layers to the carrier element 24a.
  • the functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a are arranged in layers one above the other on the carrier element 24a.
  • the electrode unit 12a preferably has five functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a.
  • Two of the functional layers 14a, 20a of the electrode unit are designed as electrode layers, in particular for use as a cathode and/or anode.
  • the functional layer 14a is designed as a cathode.
  • the functional layer 14a is designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product.
  • the functional layer 20a is designed as an anode.
  • the functional layer 20a is designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product.
  • the functional layer 22a is designed as a diffusion protection layer.
  • the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer is arranged between the carrier element 24a and the functional layer 20a embodied as an electrode layer.
  • the functional layer 22a designed as a diffusion protection layer is provided to protect against undesired diffusion processes.
  • the functional layer 22a designed as a diffusion protection layer prevents a diffusion sion between the functional layer 20a designed as an electrode layer and the carrier element 24a.
  • the functional layer 16a is formed as a partial layer of an electrolyte layer.
  • the functional layer 18a is a partial layer of the electrolyte layer.
  • the two functional layers 16a, 18a together form the electrolyte layer.
  • the electrolyte layer is arranged between the two functional layers 14a, 20a designed as an electrode layer.
  • the electrolyte layer is designed in particular as a separating layer for the functional layers 14a, 20a designed as an electrode layer.
  • the two functional layers 16a, 18a arranged as a partial layer of the electrolyte layer are formed between the functional layers 14a, 20a formed as electrode layers.
  • the functional layer 18a formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed from a doped zirconium oxide (8YSZ (ZrO2 fully stabilized with yttrium oxide)).
  • YSZ ZrO2 fully stabilized with yttrium oxide
  • the functional layer 18a which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, is formed from another electrolyte that appears sensible to a person skilled in the art.
  • the functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed from a doped cerium oxide (CGO).
  • the functional layer 16a which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, has a specifically variable layer thickness 26a over its active cell area.
  • the functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer is produced by a coating method, in particular by a printing method.
  • An electrical resistance contribution of an individual functional layer 16a depends essentially linearly on the layer thickness of the functional layer 16a.
  • the purposefully variable layer thickness 26a of the functional layer 16a allows a current density distribution of the functional layer 16a and thereby a current density distribution of the entire electrode unit 12a to be adjusted by locally adjusting the resistance contribution of individual partial areas of the functional layer 16a.
  • Functional layer 16a which is designed as a sublayer of the electrolyte layer, has a plurality of subregions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a.
  • the functional layer 16a designed as a partial layer of the electrolyte layer has, for example, thirteen partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a, of which only five have been given a reference number for reasons of clarity.
  • the as part of the Electrolyte layer formed functional layer 16a has in the different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in each case at least to the adjacent partial area 28a, 30a, 32a, 34a, 36a different layer thicknesses 26a.
  • the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of the functional layer 16a all have a different layer thickness 26a. In principle, it would also be conceivable for two non-adjacent partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of the functional layer 16a to have the same layer thickness 26a.
  • the functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer has a variance in the layer thickness 26a of 5 ⁇ m.
  • the functional layer 16a has a maximum layer thickness 26a in one partial region 36a. In the case of a functional layer with a constant layer thickness (prior art), partial region 36a would have had the highest current density.
  • the partial area 28a of the functional layer 16a has the smallest layer thickness 26a.
  • the partial region 28a In the case of a functional layer with a constant layer thickness (prior art), the partial region 28a would have had the lowest current density.
  • the further partial areas 30a, 32a, 34a each have a layer thickness 26a which lies between the maximum layer thickness 26a of the partial area 36a and the minimum layer thickness 26a of the partial area 28a.
  • the arrangement and the size of the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a is selected as an example.
  • An arrangement, a size and the respective layer thickness 26a in the different partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of a functional layer 16a depend in particular on a shape of the electrode unit 12a and an inflow direction of a fuel and a fission product.
  • FIG. 3 shows a division of the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses 26a of a functional layer 16a designed as a partial layer of an electrolyte layer for an electrode device 12a in a cross-flow arrangement, in which a fuel and a fission product are conducted into the electrode device 12a from two sides which are at a 90 degree angle to one another.
  • Figure 4 shows an example of a division of the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses of a functional layer 16a designed as a partial layer of an electrolyte layer for an electrode device 12a in a co-flow arrangement, in which a fuel and a fission product from the same Page are passed into the electrode device 12a.
  • FIG. 5 shows, by way of example, a division of the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses as a partial layer a functional layer 16a formed with an electrolyte layer for an electrode device 12a in a counterflow arrangement, in which a fuel and a fission product are conducted into the electrode device 12a from opposite sides.
  • the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer is first applied to the carrier element 24a.
  • the functional layer 22a designed as a diffusion protection layer is applied to the carrier element 24a by means of a coating process.
  • the functional layer 22a formed as a diffusion protection layer is applied to the carrier element 24a by means of a printing process.
  • the functional layer 20a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer.
  • the functional layer 20a embodied as an electrode layer is applied to the electrode unit 12a, in particular the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer, using a coating method, in particular by means of a printing method.
  • the functional layer 18a embodied as a partial layer of the electrolyte layer is applied to the functional layer 20a embodied as the electrode layer.
  • the functional layer 18a embodied as a partial layer of the electrolyte layer is applied to the electrode unit 12a, in particular to the functional layer 20a embodied as an electrode layer, by a coating method, in particular by means of a printing method.
  • the functional layer 16a which has a deliberately variable layer thickness 26a over its active cell area, is applied.
  • the functional layer 16a which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, is applied with different thicknesses in the different partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in the method step 48a. Due to the different Lich thick applications of the functional layer 16a in the different sub-areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a, these each have a different layer thickness.
  • the functional layer 16a is applied in method step 48 by means of a p-inkjet method.
  • the functional layer 16a can be applied in the different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with a variance between two adjacent partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of 0.5 ⁇ m by means of the p-inkjet method.
  • the functional layer 16a is applied by means of a plurality of pressure nozzles 38a that can be controlled in a targeted manner.
  • FIG. 2 shows an example of a pressure nozzle that can be controlled in a targeted manner during method step 48a for printing functional layer 16a.
  • the functional layer 16a is applied by means of a plurality of pressure nozzles 38a, preferably arranged in parallel, in a CNC-controlled printing process.
  • the pressure nozzles 38a that can be controlled in a targeted manner are controlled with different control parameters in order to generate the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of different thicknesses.
  • the control parameters are designed in particular as a frequency and a pulse strength of the control signal of the pressure nozzles 38a.
  • the pressure nozzles 38a each have a piezoelectric signal generator 40a, which regulates a flow through the respective pressure nozzle 38a.
  • the size of the released droplets of a material that forms the functional layer 16a, and thus the layer thickness 26a can be set with an accuracy of 0.5 ⁇ m (see FIG. 2).
  • a layer thickness of the functional layer 16a that can be set precisely to 0.5 ⁇ m can be set by the pressure nozzles that can be controlled in a targeted manner. Due to the pressure nozzles 38a arranged in parallel, a different thickness 36a of the functional layer 16a can be applied in different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in the method step 48a.
  • the different layer thicknesses in the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a are achieved by multiple coating in the thicker partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in several printing process steps.
  • the functional layer 16a with its variable layer thickness by a spray or gas phase senabscheide vide is realized in several coating processes with different masks.
  • the functional layer 14a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 16a.
  • the functional layer 14a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 16a embodied in the electrode unit 12a, in particular the partial layer of the electrolyte layer, using a coating method, in particular by means of a printing method. All functional layers are preferably applied to the electrode unit 12a using the same coating method, in particular using the p-inkjet method. In principle, however, it is also conceivable that different coating methods are used to apply the different functional layers.
  • FIG. 1 Another exemplary embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, whereby with regard to components with the same designation, in particular with regard to components with the same reference numbers, the drawings and/or the description of the other exemplary embodiments, in particular Figures 1 to 6, can be referred.
  • the letter a follows the reference number of the exemplary embodiment in FIGS.
  • the letter a has been replaced by the letters b.
  • FIG. 7 shows part of a fuel cell and/or electrolyzer unit 10b, in particular a solid oxide fuel cell unit.
  • the supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit 10b comprises an electrode unit 12b.
  • the electrode unit 12b includes a carrier element 24b.
  • the carrier element 24b forms a basic structure of the electrode unit 12b.
  • the carrier element 24b preferably has a porous structure.
  • the electrode unit 12b has several functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b.
  • the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are on the carrier ger element 24b applied in layers.
  • the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are arranged in layers one above the other on the carrier element 24b.
  • Two of the functional layers 14b, 20b of the electrode unit 12b are designed as electrode layers, in particular for use as a cathode and/or anode.
  • the functional layer 14b is designed as a cathode.
  • the functional layer 14b is designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product.
  • the functional layer 20b is designed as an anode.
  • the functional layer 20b is designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product.
  • the functional layer 22b is designed as a diffusion protection layer.
  • the functional layer 22b designed as a diffusion protection layer is arranged between the carrier element 24b and the functional layer 20b designed as an electrode layer.
  • the functional layer 16b is designed as a partial layer of an electrolyte layer.
  • the functional layer 18b is a partial layer of the electrolyte layer.
  • the two functional layers 16b, 18b together form the electrolyte layer.
  • the electrolyte layer is arranged between the two functional layers 14b, 20b designed as an electrode layer.
  • the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b have a layer thickness 36b that is specifically variable over their active cell area. All functional layers of the electrode unit 12b have a specifically variable layer thickness 36b over their active cell area.
  • the functional layer 22b designed as a diffusion protection layer has a variable layer thickness 52b over its active cell area.
  • FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 22b designed as a diffusion protection layer, each of which has a different layer thickness 52b.
  • the functional layer 22b designed as a diffusion protection layer preferably has a variance of 5 ⁇ m in its layer thickness 52b.
  • the functional layer 20b designed as an electrode layer has a variable layer thickness 54b over its active cell area.
  • FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 20b designed as an electrode layer, which each have a different layer thickness 54b.
  • the functional layer 20b designed as an electrode layer preferably has a variance of 10 ⁇ m in its layer thickness 54b.
  • Functional layer 18b which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, has a variable layer thickness 56b over its active cell area.
  • FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 18b, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, each having a different layer thickness 56b.
  • the functional layer 18b which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, preferably has a variance of 10 ⁇ m in its layer thickness 56b.
  • the functional layer 16b embodied as a partial layer of the electrolyte layer has a specifically variable layer thickness 26b.
  • the functional layer 14b designed as an electrode layer has a variable layer thickness 58b over its active cell area.
  • FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 14b designed as an electrode layer, which each have a different layer thickness 58b.
  • the functional layer 14b designed as an electrode layer preferably has a variance of 10 ⁇ m in its layer thickness 58b.
  • the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are applied to the carrier element 24b by a suitable coating method. Because all functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b have a specifically variable layer thickness 28b, 52b, 54b, 56b, 58b, a local resistance contribution of the individual functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b and thus the local electrical Resistance of the electrode unit 12b can be set particularly precisely over the active cell area. As a result, an electrode unit 12b with a particularly homogeneous current density distribution can be provided. In order to save costs, it would basically also be conceivable to form only two or only three of the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b with a purposefully variable layer thickness 28b, 52b, 54b, 56b, 58b.

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Abstract

The invention relates to an electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit (10a; 10b), in particular a solid oxide fuel cell unit, which includes a plurality of functional layers (14a, 16a, 18a, 20a, 22a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b). According to the invention, at least one of the functional layers (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) has a specifically variable layer thickness (28a; 28b, 52b, 54b, 56b, 58b) over its active cell area.

Description

Beschreibung description
Elektrodeneinheit und Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit Electrode assembly and method of manufacturing an electrode assembly
Stand der Technik State of the art
Es ist bereits eine Elektrodeneinheit für eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere Festoxidbrennstoffzelleneinheit, die mehrere Funktionsschichten aufweist, vorgeschlagen worden. An electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit, which has a plurality of functional layers, has already been proposed.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die Erfindung geht aus von einer Elektrodeneinheit für eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere Festoxidbrennstoffzelleneinheit, die mehrere Funktionsschichten aufweist. The invention is based on an electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit, which has a plurality of functional layers.
Es wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Funktionsschichten über ihre aktive Zellfläche eine gezielt variable Schichtdicke aufweist. Unter einer „Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit“ soll vorzugsweise zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle, insbesondere einer, insbesondere ebenen, Festoxidbrennstoffzelle, und/oder eines Elektrolyseurs, insbesondere eines Hochtemperaturelektrolyseurs, verstanden werden, insbesondere für stationäre oder mobile Anwendungen. Insbesondere kann die metallgeträgerte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamte Festoxidbrennstoffzelle, den gesamten Elektrolyseur, insbesondere den gesamten Hochtemperaturelektrolyseur, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren umfassen. Vorzugsweise ist die vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu verbrennen. Alternativ oder zusätzlich ist die metallgestützte Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit dazu vorgesehen, in einem Trennungsprozess unter Zuführung elektrischer Energie ein Fluid in zumindest zwei Bestandteile zu zerteilen. Vortzugsweise sind für die die Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit unterschiedliche Bauonzepte, wie beispielsweise ein planarer oder tubulärer Aufbau, sowie unterschiedliche mechanische Trägerkonzepte denkbar. Neben der metallgeträgerten Aufbau (MSC) sind auch ein elektrolytgestützter Aufbau (ESC), ein anodengestützter Aufbau (ASC) ein kathodengestützter Aufbau (CSC) oder ein innertgestützter Aufbau (ISC) denkbar. It is proposed that at least one of the functional layers has a specifically variable layer thickness over its active cell area. A “fuel cell and/or electrolyzer unit” should preferably be understood to mean at least a part, in particular a subassembly, of a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell, in particular a planar one, and/or an electrolyzer, in particular a high-temperature electrolyzer, in particular for stationary or mobile applications . In particular, the metal-supported fuel cell and/or electrolyzer unit can also be the entire fuel cell, in particular the entire solid oxide fuel cell, the entire electrolyzer, in particular the entire high-temperature electrolyzer, a stack of fuel cells and/or electrolyzers and/or a combination of several stacks of fuel cells and/or electrolyzers include. The preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit is preferably provided to burn a fuel with the supply of an oxidant in a combustion process to generate electrical energy. Alternatively or additionally, the metal-supported fuel cell and/or electrolyzer unit is provided for dividing a fluid into at least two components in a separation process with the supply of electrical energy. For the fuel cell and/or electrolyzer unit, different construction concepts, such as a planar or tubular construction, as well as different mechanical support concepts are preferably conceivable. In addition to the metal-supported structure (MSC), an electrolyte-supported structure (ESC), an anode-supported structure (ASC), a cathode-supported structure (CSC) or an inner-supported structure (ISC) are also conceivable.
Vorzugsweise soll unter einer „Elektrodeneinheit“ einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit eine Einheit verstanden werden, die zumindest eine Elektrode, insbesondere eine als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht, umfasst, welche unmittelbar an dem mittels der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit durchgeführten Verbrennungsprozess und/oder Trennungsprozess beteiligt ist. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit, insbesondere zusätzlich zu der Elektrode, zumindest eine weitere Elektrode, insbesondere eine weitere als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht. Insbesondere sind die Elektrode und die weitere Elektrode zu einer Verwendung als Kathoden-Anoden-Paar vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit zumindest ein Trennelement, insbesondere eine als Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht. Vorzugsweise ist das Trennelement zwischen der Elektrode und der weiteren Elektrode angeordnet. Vorzugsweise ist die Elektrode und/oder die weitere Elektrode als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest die Elektrode und/oder die weitere Elektrode als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. An "electrode unit" of a fuel cell and/or electrolyzer unit should preferably be understood to mean a unit which comprises at least one electrode, in particular a functional layer designed as an electrode layer, which is directly connected to the combustion process carried out by means of the fuel cell and/or electrolyzer unit and/or separation process involved. The electrode unit preferably comprises, in particular in addition to the electrode, at least one further electrode, in particular a further functional layer designed as an electrode layer. In particular, the electrode and the further electrode are intended for use as a cathode-anode pair. The electrode unit preferably comprises at least one separating element, in particular a functional layer designed as an electrolyte layer. The separating element is preferably arranged between the electrode and the further electrode. The electrode and/or the further electrode is preferably designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product. At least the electrode and/or the further electrode is preferably designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or a further fission product.
Vorzugsweise soll unter einer „Funktionsschicht einer vorzugsweise geträgerten, insbesondere metallgeträgerten, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit“ insbesondere eine Schicht verstanden werden, die unmittelbar an dem mittels der vorzugsweise geträgerten, insbesondere metallgeträgerten, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit durchgeführten Verbrennungsprozess und/oder dem Trennungsprozess beteiligt ist. Insbesondere ist zumindest eine, vorzugsweise zwei Funktionsschichten, als Elektrodenschicht ausgebildet, insbesondere zu einer Verwendung als Kathode und/oder Anode. Vorzugsweise ist zumindest eine Elektrodenschicht als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest eine Elektrodenschicht als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. Vorzugsweise ist zumindest eine Funktionsschicht als Trennschicht, insbesondere als Elektrolytschicht, ausgebildet. Vorzugsweise wird zumindest eine Trennschicht an zumindest einer Elektrodenschicht, insbesondere zwischen zwei Elektrodenschichten, angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit zumindest eine der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschichten. Vorzugsweise umfasst die Elektrodeneinheit zumindest die eine als Trennschicht ausgebildete Funktionsschicht. Preferably, under a "functional layer of a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit" in particular a layer is to be understood that is directly involved in the combustion process and/or the separation process carried out by means of the preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit. In particular, at least one, preferably two functional layers is designed as an electrode layer, in particular for use as a cathode and/or anode. At least one electrode layer is preferably designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product. At least one electrode layer is preferably designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product. At least one functional layer is preferably designed as a separating layer, in particular as an electrolyte layer. At least one separating layer is preferably arranged on at least one electrode layer, in particular between two electrode layers. The electrode unit preferably comprises at least one of the functional layers designed as an electrode layer. The electrode unit preferably comprises at least one functional layer designed as a separating layer.
Insbesondere ist die Elektrodeneinheit als Membran- Elektroden- Einheit (engl.: membrane electrode assembly MEA) ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. In particular, the electrode unit is designed as a membrane electrode assembly (MEA). “Provided” should be understood to mean, in particular, specially set up, specially designed and/or specially equipped. The fact that an object is provided for a specific function is to be understood in particular to mean that the object fulfills and/or executes this specific function in at least one application and/or operating state.
Die Elektrodeneinheit weist vorzugsweise ein Trägerelement auf, auf dem die Funktionsschichten aufgebracht sind. Die einzelnen Funktionsschichten sind übereinander geschichtet auf dem Trägerelement aufgebracht. Das Trägerelement kann vorzugsweise planar, als auch tubular ausgebildet sein. Die Funktionsschichten sind in einer aktiven Zellfläche durchgängig ausgebildet. Die Funktionsschichten sind in einer Haupterstreckungsebene durchgängig ausgebildet. Unter einer „aktiven Zellfläche“ soll vorzugsweise ein Flächenbereich einer Funktionsschicht verstanden werden, die aktiv an dem Verbrennungsprozess und/oder Trennungsprozess beteiligt ist. Unter einer „gezielt variablen Schichtdicke“ soll vorzugsweise eine Schichtdicke einer Funktionsschicht verstanden wer- den die beabsichtigt zur Erreichung eines vorbestimmten Effekts, variabel ausgebildet ist, also in unterschiedlichen Teilbereichen unterschiedlich dick ist. Eine gezielt variable Schichtdicke soll insbesondere nicht eine lediglich durch Fertigungstoleranzen bedingte variable Dicke der Schichtdicke verstanden werden. Eine Funktionsschicht mit einer gezielt variablen Schichtdicke weist vorzugsweise insbesondere in zumindest zwei Teilbereichen eine unterschiedliche Schichtdicke auf. Besonders bevorzugt weist eine Funktionsschicht mit einer gezielt variablen Schichtdicke in mehr als zwei Teilbereichen eine unterschiedliche Dicke auf. Vorzugsweise kann ein Unterschied in einer Dicke zweier benachbarter Teilbereiche der Funktionsschicht lediglich 1 pm, vorzugsweise lediglich 0,5 pm betragen. Grundsätzlich ist es denkbar, dass ein Unterschied in einer Dicke zweier benachbarter Teilbereiche der Funktionsschicht mehr als 1 pm, mehr als 5 pm, oder mehr als 15 pm beträgt. Unter einer Schichtdicke ist insbesondere eine Erstreckung einer Funktionsschicht orthogonal zu ihrer Haupterstreckungsebene zu verstehen. The electrode unit preferably has a carrier element on which the functional layers are applied. The individual functional layers are layered on top of each other and applied to the carrier element. The support element can preferably be planar or tubular. The functional layers are continuous in an active cell area. The functional layers are continuous in a main extension plane. An “active cell surface” should preferably be understood to mean a surface area of a functional layer that is actively involved in the combustion process and/or separation process. A "specifically variable layer thickness" should preferably be understood to mean a layer thickness of a functional layer which is intended to be variable in order to achieve a predetermined effect, i.e. has different thicknesses in different partial areas. A deliberately variable layer thickness should in particular not be understood to mean a variable thickness of the layer thickness that is merely caused by manufacturing tolerances. A functional layer with a deliberately variable layer thickness preferably has a different layer thickness, in particular in at least two partial areas. A functional layer with a deliberately variable layer thickness particularly preferably has a different thickness in more than two partial areas. A difference in a thickness of two adjacent partial regions of the functional layer can preferably be only 1 μm, preferably only 0.5 μm. In principle, it is conceivable that a difference in a thickness of two adjacent partial areas of the functional layer is more than 1 μm, more than 5 μm, or more than 15 μm. A layer thickness is to be understood in particular as an extension of a functional layer orthogonal to its main plane of extension.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elektrodeneinheit können gezielt lokale Zellwiderstände von den Funktionsschichten und damit der gesamten Elektrodeneinheit eingestellt werden. Der elektrische Widerstandbeitrag der einzelnen Funktionsschichten hängt im Wesentlichen linear von der Schichtdicke der entsprechenden Funktionsschicht ab. Durch die Anpassung der lokalen Zellwiderstände, also den lokalen elektrischen Widerständen der zumindest einen Funktionsschicht, kann vorteilhaft eine homogene Stromdichtenverteilung über die gesamte aktive Zellfläche der Funktionsschichten, also über die gesamte aktive Zellfläche der Elektrodeneinheit, erreicht werden. Durch die gleichmäßigere Ausnutzung der aktiven Zellfläche der Funktionsschichten der Elektrodeneinheit kann vorteilhaft eine höhere Leistungsdichte erreicht werden. Insbesondere vorteilhaft kann auch eine geringere Gesamtalterungsrate der Elektrodeneinheit erreicht werden, die sonst durch inhomogene Betriebsbedingungen verstärkt wäre. Dadurch können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Erhöhung der Lebensdauer und dadurch eine Reduzierung der Lifetimekosten einer Elektrodeneinheit und der Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, dessen Teil sie ist, erreicht werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht eine Varianz in ihrer Schichtdicke von zumindest 0,5|jm und maximal 20pm aufweist. Unter einer „Varianz in der Schichtdicke“ soll vorzugsweise ein Unterschied einer Dicke zwischen einem dünnsten Teilbereich und einem dicksten Teilbereich einer Funktionsschicht verstanden werden. Dadurch kann die zumindest eine Funktionsschicht besonders vorteilhaft mit einer homogenen Stromdichteverteilung ausgestattet werden. Due to the configuration of the electrode unit according to the invention, local cell resistances of the functional layers and thus of the entire electrode unit can be set in a targeted manner. The electrical resistance contribution of the individual functional layers depends essentially linearly on the layer thickness of the corresponding functional layer. By adapting the local cell resistances, ie the local electrical resistances of the at least one functional layer, a homogeneous current density distribution over the entire active cell area of the functional layers, ie over the entire active cell area of the electrode unit, can advantageously be achieved. Due to the more uniform utilization of the active cell area of the functional layers of the electrode unit, a higher power density can advantageously be achieved. In a particularly advantageous manner, a lower overall aging rate of the electrode unit can also be achieved, which would otherwise be exacerbated by inhomogeneous operating conditions. As a result, the design according to the invention can increase the service life and thereby reduce the lifetime costs of an electrode unit and the fuel cell and/or electrolyzer unit of which it is a part. Furthermore, it is proposed that the at least one functional layer has a variance in its layer thickness of at least 0.5 μm and a maximum of 20 μm. A “variance in the layer thickness” should preferably be understood to mean a difference in thickness between a thinnest partial area and a thickest partial area of a functional layer. As a result, the at least one functional layer can be equipped with a homogeneous current density distribution in a particularly advantageous manner.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht als eine Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildet ist. Unter einer „Teilschicht einer Elektrolytschicht“ soll vorzugsweise eine Schicht verstanden werden, die zusammen mit zumindest einer weiteren Teilschicht zusammen die Elektrolytschicht ausbildet, die zwischen den zwei als Elektrodenschichten ausgebildeten Funktionsschichten angeordnet ist. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht ist vorzugsweise aus einem dotierten Ceroxid (CGO / GCO) gebildet. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht ist als eine dotierte Ceranoxidschicht ausgebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass eine als Teilschicht einer der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht aus einem dotierten Zirkonoxid (3YSZ / 8YSZ) gebildet ist. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht ist als eine dotierte Zirkonoxidschicht gebildet. Vorzugsweise ist die Elektrolytschicht aus einer Teilschicht aus einem dotierten Ceroxid (CGO / GCO) und einer Teilschicht aus einem dotierten Zirkonoxid (3YSZ / 8YSZ) aufgebaut. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Elektrolytschicht lediglich aus einer Schicht gebildet ist, oder die Elektrolytschicht aus mehr als zwei Teilschichten gebildet ist. Grundsätzlich ist es dabei denkbar, dass die Einzelschicht oder die Teilschichten der Elektrolytschicht aus anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Materialien gebildet sind. Die Teilschichten der Elektrolytschicht sind vorzugsweise aus einem Keramikmaterial gebildet. Dadurch kann die Funktionsschicht mit der variablen Schichtdicke besonders vorteilhaft zur Erreichung einer homogenen Stromdichteverteilung der Elektrodeneinheit ausgebildet werden. It is further proposed that the at least one functional layer is designed as a partial layer of an electrolyte layer. A “partial layer of an electrolyte layer” should preferably be understood to mean a layer which, together with at least one further partial layer, forms the electrolyte layer which is arranged between the two functional layers designed as electrode layers. The functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is preferably formed from a doped cerium oxide (CGO/GCO). The functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed as a doped ceran oxide layer. In principle, it is also conceivable that a functional layer formed as a partial layer of an electrolyte layer is formed from a doped zirconium oxide (3YSZ/8YSZ). The functional layer formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed as a doped zirconium oxide layer. The electrolyte layer is preferably made up of a partial layer made of a doped cerium oxide (CGO/GCO) and a partial layer made of a doped zirconium oxide (3YSZ/8YSZ). In principle, however, it is also conceivable for the electrolyte layer to be formed from just one layer, or for the electrolyte layer to be formed from more than two partial layers. In principle, it is conceivable that the individual layer or the sub-layers of the electrolyte layer are formed from other materials that appear sensible to a person skilled in the art. The partial layers of the electrolyte layer are preferably formed from a ceramic material. As a result, the functional layer with the variable layer thickness can be formed particularly advantageously in order to achieve a homogeneous current density distribution of the electrode unit.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht als eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet ist. Unter einer „Diffusionsschutzschicht“ soll vorzugsweise eine Schutzschicht verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, Diffusionsvorgänge zu reduzieren, vorzugsweise zu verhindern. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht ist vorzugsweise zwischen einem Trägerelement und einer als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die Diffusionsschutzschicht dazu vorgesehen, Diffusionsvorgänge zwischen dem Trägerelement und der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht zu reduzieren, insbesondere zu verhindern. Dadurch kann die Funktionsschicht mit der variablen Schichtdicke zur Erreichung einer homogenen Stromdichteverteilung der Elektrodeneinheit besonders einfach ausgebildet werden. Furthermore, it is proposed that the at least one functional layer is designed as a diffusion protection layer. A "diffusion protection layer" should preferably be understood to mean a protective layer that is intended to To reduce diffusion processes, preferably to prevent. The functional layer designed as a diffusion protection layer is preferably arranged between a carrier element and a functional layer designed as an electrode layer. The diffusion protection layer is preferably provided to reduce, in particular to prevent, diffusion processes between the carrier element and the functional layer designed as an electrode layer. As a result, the functional layer with the variable layer thickness can be formed in a particularly simple manner in order to achieve a homogeneous current density distribution of the electrode unit.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht als eine Elektrodenschicht ausgebildet ist. Unter einer „Elektrodenschicht“ soll vorzugsweise eine Funktionsschicht verstanden werden, die zu einer Verwendung als Kathode und/oder Anode vorgesehen ist. Dadurch kann die eine vorteilhafte Einstellung einer homogenen Stromdichteverteilung der Elektrodeneinheit erreicht werden. It is further proposed that the at least one functional layer is designed as an electrode layer. An “electrode layer” should preferably be understood to mean a functional layer that is intended for use as a cathode and/or anode. As a result, one advantageous setting of a homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mehrere der Funktionsschichten jeweils eine gezielt variable Schichtdicke aufweisen. Darunter, dass „mehrere Funktionsschichten jeweils eine gezielt variable Schichtdicke aufweisen“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass zumindest zwei, vorzugsweise drei und in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung alle Funktionsschichten jeweils eine gezielt variable Schichtdicke aufweisen. Dadurch kann eine homogene Stromdichtenverteilung der Elektrodeneinheit besonders gut erreicht werden. Furthermore, it is proposed that several of the functional layers each have a specifically variable layer thickness. “Several functional layers each having a specifically variable layer thickness” should preferably be understood to mean that at least two, preferably three and in a particularly preferred embodiment all functional layers each have a specifically variable layer thickness. As a result, a homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved particularly well.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Funktionsschicht zumindest teilweise durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch ein Druckverfahren hergestellt ist. Unter einem „Beschichtungsverfahren“ soll vorzugsweise ein Verfahren verstanden werden, mit dem ein Material zur Bildung einer Schicht, insbesondere einer Funktionsschicht, auf ein Trägermaterial aufbracht wird. Vorzugsweise ist das Beschichtungsverfahren als ein Druckverfahren ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Beschichtungsverfahren als ein Ink- Jet- Druckverfahren ausgebildet. Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, dass das Beschichtungsverfahren als ein Sprüh- oder Gasphasenabscheidungs-Verfahren ausgebildet ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Beschichtungsver- fahren als ein Siebdruckverfahren ausgebildet ist. Dadurch kann die Funktionsschicht besonders einfach und vorteilhaft mit einer variablen Schichtdicke ausgebildet werden. Furthermore, it is proposed that the at least one functional layer is produced at least partially by a coating process, in particular by a printing process. A “coating process” should preferably be understood to mean a process with which a material for forming a layer, in particular a functional layer, is applied to a carrier material. The coating process is preferably designed as a printing process. The coating process is particularly preferably designed as an inkjet printing process. In principle, it is also conceivable that the coating process is in the form of a spraying or gas phase deposition process. In principle, it is also conceivable that the coating process drive is designed as a screen printing process. As a result, the functional layer can be formed particularly simply and advantageously with a variable layer thickness.
Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit für eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere Festoxidbrennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest eine Funktionsschicht aufgebracht wird, wobei in dem zumindest einen Verfahrensschritt die Funktionsschicht in unterschiedlichen Teilbereichen unterschiedlich dick aufgetragen wird. Unter „aufgetragen“ soll vorzugsweise mittels eines geeigneten Beschichtungsverfahrens schichtweise auf ein Trägermaterial aufgebracht verstanden werden. Dadurch kann ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von einer Elektrodeneinheit mit einer vorteilhaft homogenen Stromdichteverteilung bereitgestellt werden. In addition, a method for producing an electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell unit, is proposed, wherein at least one functional layer is applied in at least one method step, wherein the functional layer is different in different partial areas in the at least one method step is applied thickly. “Applied” is to be understood as meaning applied in layers to a carrier material, preferably by means of a suitable coating process. As a result, an advantageous method for producing an electrode unit with an advantageously homogeneous current density distribution can be provided.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt die zumindest eine Funktionsschicht in unterschiedlich dicken Teilbereichen mittels eines p-lnkjet-Verfahrens aufgebracht wird. Unter einem „p-lnkjet- Verfahren“ soll vorzugsweise ein Druckverfahren, insbesondere ein Tintenstrahldruckverfahren, verstanden werden, bei dem über mehrere gezielt ansteuerbare Druckdüsen ein Material zur Schichtbildung auf ein Trägermaterial aufgebracht werden kann. Vorzugsweise wird in dem p-lnkjet-Verfahren eine Schicht über mehrere parallel angeordnete Druckdüsen auf ein Trägermaterial aufgebracht. In dem p-lnkjet- Verfahren kann eine Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 1 pm, vorzugsweise von 0,5 pm, aufgetragen werden. In dem p-lnkjet-Verfahren kann vorzugsweise eine Schicht mit einer Varianz in der Schichtdicke zweier benachbarter Teilbereiche von weniger als 1 pm, vorzugsweise von 0,5 pm, auf einem Trägermaterial aufgetragen werden. Mittels des p-lnkjet-Verfahrens kann eine Schicht, insbesondere eine Funktionsschicht, auf ein Trägermaterial aufgetragen werden, die zwei benachbarte Teilbereiche mit einem Dickenunterschied von weniger als 1 pm, vorzugsweise von 0,5 pm, aufweist. Dadurch kann die Funktionsschicht besonders einfach und mit einem vorteilhaft geringen Dickenunterschied zwischen benachbarten Teilbereichen hergestellt werden. Dadurch kann eine Stromdichteverteilung einer Funktionsschicht über ihre gesamte aktive Zell- fläche besonderes fein eingestellt werden. Dadurch kann eine besonders homogene Stromdichtenverteilung der Elektrodeneinheit erreicht werden. It is further proposed that in the at least one method step the at least one functional layer is applied in partial areas of different thicknesses by means of a p-inkjet method. A “p-inkjet method” should preferably be understood to mean a printing method, in particular an inkjet printing method, in which a material for layer formation can be applied to a carrier material via a plurality of print nozzles that can be controlled in a targeted manner. In the p-inkjet process, a layer is preferably applied to a carrier material via a plurality of printing nozzles arranged in parallel. In the p-inkjet process, a layer with a layer thickness of less than 1 μm, preferably 0.5 μm, can be applied. In the p-inkjet method, a layer with a variance in the layer thickness of two adjacent partial regions of less than 1 μm, preferably 0.5 μm, can be applied to a carrier material. A layer, in particular a functional layer, can be applied to a carrier material by means of the p-inkjet method, which layer has two adjacent partial regions with a thickness difference of less than 1 μm, preferably 0.5 μm. As a result, the functional layer can be produced in a particularly simple manner and with an advantageously small difference in thickness between adjacent partial regions. As a result, a current density distribution of a functional layer over its entire active cell surface can be adjusted particularly finely. As a result, a particularly homogeneous current density distribution of the electrode unit can be achieved.
Zudem wird vorgeschlagen, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt die zumindest eine Funktionsschicht mittels mehrerer gezielt angesteuerter Druckdüsen aufgetragen wird. Unter einer „gezielt angesteuerten Druckdüse“ soll vorzugsweise eine Druckdüse eines Tintenstrahldruckers für ein p-lnkjet-Verfahren verstanden werden, die über eine gezielte elektrische und/oder elektronische Ansteuerung, eine Abgabemenge zur Erzeugung einer Schicht fein dosieren kann. Die gezielt ansteuerbaren Druckdüsen sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Dadurch kann die zumindest einer Funktionsschicht besonders vorteilhaft hergestellt werden. In addition, it is proposed that in the at least one method step the at least one functional layer is applied by means of a plurality of pressure nozzles that are controlled in a targeted manner. A “specifically controlled print nozzle” should preferably be understood to mean a print nozzle of an inkjet printer for a p-inkjet process, which can finely meter a delivery quantity for producing a layer via a specific electrical and/or electronic control. The pressure nozzles that can be controlled in a targeted manner are preferably arranged parallel to one another. As a result, the at least one functional layer can be produced particularly advantageously.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt die mehreren gezielt ansteuerbaren Druckdüsen zur Erzeugung der unterschiedlich dicken Teilbereiche mit unterschiedlichen Abschiedsparametern, wie insbesondere einer unterschiedlichen Pulsstärke und/oder einer unterschiedlichen Frequenz, angesteuert werden. Unter einem „Abscheideparameter“ soll vorzugsweise ein Ansteuerungsparameter verstanden werden, mittels dem eine gezielt ansteuerbare Druckdüse angesteuert wird und infolge der entsprechenden Ansteuerung die Druckdüse eine definierte Menge an Material zur Bildung einer Schicht, insbesondere einer Funktionsschicht, abgibt. Dadurch kann ein Druckvorgang der zumindest einen Funktionsschicht besonders vorteilhaft erfolgen. It is also proposed that in the at least one method step, the several selectively controllable pressure nozzles for generating the partial areas of different thicknesses are controlled with different parting parameters, such as in particular a different pulse strength and/or a different frequency. A “deposition parameter” should preferably be understood as a control parameter by means of which a pressure nozzle that can be controlled in a targeted manner is controlled and, as a result of the corresponding control, the pressure nozzle releases a defined quantity of material to form a layer, in particular a functional layer. As a result, a printing process of the at least one functional layer can take place particularly advantageously.
Ferner wird eine Brennstoffzelle, insbesondere Festoxidbrennstoffzelle, vorgeschlagen mit zumindest einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit mit zumindest einer Elektrodeneinheit. Furthermore, a fuel cell, in particular a solid oxide fuel cell, is proposed with at least one fuel cell and/or electrolyzer unit with at least one electrode unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzelle soll/en hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann/können das erfindungsgemäße Verfahren, der erfindungsgemäße Träger und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abwei- chende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten. The method according to the invention, the electrode unit according to the invention and/or the fuel cell according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the method according to the invention, the carrier according to the invention and/or the fuel cell according to the invention can deviate from a number of individual elements, components and units as well as method steps mentioned herein in order to fulfill a function described herein. corresponding number. In addition, in the value ranges specified in this disclosure, values lying within the specified limits should also be considered disclosed and can be used as desired.
Zeichnungen drawings
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages result from the following description of the drawing. Two exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further meaningful combinations.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektrodeneinheit einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit mit einer Funktionsschicht mit einer gezielt variablen Schichtdicke in einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 shows a schematic sectional view through an electrode unit of a fuel cell and/or electrolyzer unit with a functional layer with a specifically variable layer thickness in a first exemplary embodiment,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Druckdüse bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschicht mit der gezielt variablen Schichtdicke in einer schematischen Darstellung, 2 shows a schematic representation of a pressure nozzle in a method according to the invention for producing a functional layer with the deliberately variable layer thickness in a schematic representation,
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Aufteilung von Teilbereichen mit unterschiedlichen Schichtdicken der Funktionsschicht für eine Elektrodenvorrichtung in einer Cross- Flow Anordnung,3 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a cross-flow arrangement,
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Aufteilung von Teilbereichen mit unterschiedlichen Schichtdicken der Funktionsschicht für eine Elektrodenvorrichtung in einer Co- Flow Anordnung,4 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a co-flow arrangement,
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Aufteilung von Teilbereichen mit unterschiedlichen Schichtdicken der Funktionsschicht für eine Elektrodenvorrichtung in einer Counterflow-Anordnung,5 shows a schematic view of a division of partial areas with different layer thicknesses of the functional layer for an electrode device in a counterflow arrangement,
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit und Fig. 7 eine schematische Schnittansicht durch eine Elektrodeneinheit einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit mit einer Funktionsschicht mit einer gezielt variablen Schichtdicke in einem zweiten Ausführungsbeispiel. 6 shows a method according to the invention for producing an electrode unit and 7 shows a schematic sectional view through an electrode unit of a fuel cell and/or electrolyzer unit with a functional layer with a specifically variable layer thickness in a second exemplary embodiment.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
Figur 1 zeigt einen Teil einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 10a, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Die geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 10a umfasst eine Elektrodeneinheit 12a. Die Elektrodeneinheit 12a umfasst ein Trägerelement 24a. Das Trägerelement 24a bildet eine Grundstruktur der Elektrodeneinheit 12a aus. Das Trägerelement 24a weist vorzugsweise eine poröse Struktur auf. FIG. 1 shows part of a fuel cell and/or electrolyzer unit 10a, in particular a solid oxide fuel cell unit. The supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit 10a comprises an electrode unit 12a. The electrode unit 12a includes a carrier element 24a. The carrier element 24a forms a basic structure of the electrode unit 12a. The carrier element 24a preferably has a porous structure.
Die Elektrodeneinheit 12a weist mehrere Funktionsschichten 14a, 16a, 18a, 20a, 22a auf. Die Funktionsschichten 14a, 16a, 18a, 20a, 22a sind auf dem Trägerelement 24a geschichtet aufgetragen. Die Funktionsschichten 14a, 16a, 18a, 20a, 22a sind übereinander auf dem Trägerelement 24a geschichtet angeordnet. Die Elektrodeneinheit 12a weist vorzugsweise fünf Funktionsschichten 14a, 16a, 18a, 20a, 22a auf. Zwei der Funktionsschichten 14a, 20a der Elektrodeneinheit sind als Elektrodenschichten ausgebildet, insbesondere zu einer Verwendung als Kathode und/oder Anode. Die Funktionsschicht 14a ist als eine Kathode ausgebildet. Die Funktionsschicht 14a ist als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Die Funktionsschicht 20a ist als eine Anode ausgebildet. Die Funktionsschicht 20a ist als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. The electrode unit 12a has a plurality of functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a. The functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a are applied in layers to the carrier element 24a. The functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a are arranged in layers one above the other on the carrier element 24a. The electrode unit 12a preferably has five functional layers 14a, 16a, 18a, 20a, 22a. Two of the functional layers 14a, 20a of the electrode unit are designed as electrode layers, in particular for use as a cathode and/or anode. The functional layer 14a is designed as a cathode. The functional layer 14a is designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product. The functional layer 20a is designed as an anode. The functional layer 20a is designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product.
Die Funktionsschicht 22a ist als eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a ist zwischen dem Trägerelement 24a und der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht 20a angeordnet. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a ist zum Schutz gegen unerwünschte Diffusionsvorgänge vorgesehen. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a verhindert eine Diffu- sion zwischen der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht 20a und dem Trägerelement 24a. The functional layer 22a is designed as a diffusion protection layer. The functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer is arranged between the carrier element 24a and the functional layer 20a embodied as an electrode layer. The functional layer 22a designed as a diffusion protection layer is provided to protect against undesired diffusion processes. The functional layer 22a designed as a diffusion protection layer prevents a diffusion sion between the functional layer 20a designed as an electrode layer and the carrier element 24a.
Die Funktionsschicht 16a ist als eine Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildet. Die Funktionsschicht 18a ist als eine Teilschicht der Elektrolytschicht. Die beiden Funktionsschichten 16a, 18a bilden zusammen die Elektrolytschicht aus. Die Elektrolytschicht ist zwischen den beiden als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschichten 14a, 20a angeordnet. Die Elektrolytschicht ist insbesondere als Trennschicht für die als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschichten 14a, 20a ausgebildet. Die beiden als Teilschicht der Elektrolytschicht angeordneten Funktionsschichten 16a, 18a sind zwischen den als Elektrodenschichten ausgebildeten Funktionsschichten 14a, 20a ausgebildet. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18a ist aus einem dotierten Zirkonoxid (8YSZ (mit Yttriumoxid vollstabilisiertes ZrO2)) gebildet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18a aus einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Elektrolyt gebildet ist. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a ist von einem dotierten Ceroxid (CGO) gebildet. The functional layer 16a is formed as a partial layer of an electrolyte layer. The functional layer 18a is a partial layer of the electrolyte layer. The two functional layers 16a, 18a together form the electrolyte layer. The electrolyte layer is arranged between the two functional layers 14a, 20a designed as an electrode layer. The electrolyte layer is designed in particular as a separating layer for the functional layers 14a, 20a designed as an electrode layer. The two functional layers 16a, 18a arranged as a partial layer of the electrolyte layer are formed between the functional layers 14a, 20a formed as electrode layers. The functional layer 18a formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed from a doped zirconium oxide (8YSZ (ZrO2 fully stabilized with yttrium oxide)). In principle, it is also conceivable that the functional layer 18a, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, is formed from another electrolyte that appears sensible to a person skilled in the art. The functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer is formed from a doped cerium oxide (CGO).
Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a weist über ihre aktive Zellfläche eine gezielt variable Schichtdicke 26a auf. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a ist durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch ein Druckverfahren, hergestellt. Ein elektrischer Widerstandbeitrag einer einzelnen Funktionsschicht 16a hängt im Wesentlichen linear von der Schichtdicke der Funktionsschicht 16a ab. Durch die gezielt variable Schichtdicke 26a der Funktionsschicht 16a kann durch die lokale Einstellung des Widerstandbeitrags einzelner Teilbereiche der Funktionsschicht 16a eine Stromdichtenverteilung der Funktionsschicht 16a und dadurch eine Stromdichtenverteilung der gesamten Elektrodeneinheit 12a eingestellt werden. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a weist mehrere Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a auf. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a weist beispielhaft dreizehn Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich fünf mit einem Bezugszeichen versehen wurden. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a weist in den unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a jeweils zumindest zu dem benachbarten Teilbereich 28a, 30a, 32a, 34a, 36a unterschiedliche Schichtdicken 26a auf. Die Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a der Funktionsschicht 16a weisen alle eine andere Schichtdicke 26a auf. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass zwei nicht aneinandergrenzende Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a der Funktionsschicht 16a eine gleiche Schichtdicke 26a aufweisen. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a weist eine Varianz in der Schichtdicke 26a von 5 pm auf. In dem einen Teilbereich 36a weist die Funktionsschicht 16a eine maximale Schichtdicke 26a auf. Der Teilbereich 36a hätte bei einer Funktionsschicht mit konstanter Schichtdicke (Stand der Technik) die höchste Stromdichte aufgewiesen. Der Teilbereich 28a der Funktionsschicht 16a weist die geringste Schichtdicke 26a auf. Der Teilbereich 28a hätte bei einer Funktionsschicht mit konstanter Schichtdicke (Stand der Technik) die niedrigste Stromdichte aufgewiesen. Die weiteren Teilbereiche 30a, 32a, 34a weisen jeweils eine Schichtdicke 26a auf, die zwischen der maximalen Schichtdicke 26a des Teilbereichs 36a und der minimalen Schichtdicke 26a des Teilbereichs 28a liegt. Die Anordnung und die Größe der Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a ist beispielhaft gewählt. Eine Anordnung, eine Größe und die jeweilige Schichtdicke 26a in den unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a einer Funktionsschicht 16a hängen insbesondere von einer Form der Elektrodeneinheit 12a und einer Zuströmrichtung eines Brennstoffs und eines Spaltprodukts ab. The functional layer 16a, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, has a specifically variable layer thickness 26a over its active cell area. The functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer is produced by a coating method, in particular by a printing method. An electrical resistance contribution of an individual functional layer 16a depends essentially linearly on the layer thickness of the functional layer 16a. The purposefully variable layer thickness 26a of the functional layer 16a allows a current density distribution of the functional layer 16a and thereby a current density distribution of the entire electrode unit 12a to be adjusted by locally adjusting the resistance contribution of individual partial areas of the functional layer 16a. Functional layer 16a, which is designed as a sublayer of the electrolyte layer, has a plurality of subregions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a. The functional layer 16a designed as a partial layer of the electrolyte layer has, for example, thirteen partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a, of which only five have been given a reference number for reasons of clarity. The as part of the Electrolyte layer formed functional layer 16a has in the different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in each case at least to the adjacent partial area 28a, 30a, 32a, 34a, 36a different layer thicknesses 26a. The partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of the functional layer 16a all have a different layer thickness 26a. In principle, it would also be conceivable for two non-adjacent partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of the functional layer 16a to have the same layer thickness 26a. The functional layer 16a formed as a partial layer of the electrolyte layer has a variance in the layer thickness 26a of 5 μm. The functional layer 16a has a maximum layer thickness 26a in one partial region 36a. In the case of a functional layer with a constant layer thickness (prior art), partial region 36a would have had the highest current density. The partial area 28a of the functional layer 16a has the smallest layer thickness 26a. In the case of a functional layer with a constant layer thickness (prior art), the partial region 28a would have had the lowest current density. The further partial areas 30a, 32a, 34a each have a layer thickness 26a which lies between the maximum layer thickness 26a of the partial area 36a and the minimum layer thickness 26a of the partial area 28a. The arrangement and the size of the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a is selected as an example. An arrangement, a size and the respective layer thickness 26a in the different partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of a functional layer 16a depend in particular on a shape of the electrode unit 12a and an inflow direction of a fuel and a fission product.
Beispielhaft ist in der Figur 3 eine Aufteilung der Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a mit unterschiedlichen Schichtdicken 26a einer als Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildeten Funktionsschicht 16a für eine Elektrodenvorrichtung 12a in einer Cross- Flow Anordnung gezeigt, bei der ein Brennstoff und ein Spaltprodukt von zwei im 90 Grad Winkel zueinander stehenden Seiten in die Elektrodenvorrichtung 12a geleitet werden. Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Aufteilung der Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a mit unterschiedlichen Schichtdicken einer als Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildeten Funktionsschicht 16a für eine Elektrodenvorrichtung 12a in einer Co- Flow Anordnung, bei der ein Brennstoff und ein Spaltprodukt von einer gleichen Seite in die Elektrodenvorrichtung 12a geleitet werden. Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Aufteilung der Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a mit unterschiedlichen Schichtdicken einer als Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildeten Funktionsschicht 16a für eine Elektrodenvorrichtung 12a in einer Counterflow-Anordnung, bei der ein Brennstoff und ein Spaltprodukt von gegenüberliegenden Seiten in die Elektrodenvorrichtung 12a geleitet werden. By way of example, FIG. 3 shows a division of the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses 26a of a functional layer 16a designed as a partial layer of an electrolyte layer for an electrode device 12a in a cross-flow arrangement, in which a fuel and a fission product are conducted into the electrode device 12a from two sides which are at a 90 degree angle to one another. Figure 4 shows an example of a division of the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses of a functional layer 16a designed as a partial layer of an electrolyte layer for an electrode device 12a in a co-flow arrangement, in which a fuel and a fission product from the same Page are passed into the electrode device 12a. FIG. 5 shows, by way of example, a division of the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with different layer thicknesses as a partial layer a functional layer 16a formed with an electrolyte layer for an electrode device 12a in a counterflow arrangement, in which a fuel and a fission product are conducted into the electrode device 12a from opposite sides.
Im Folgenden soll kurz ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der Elektrodeneinheit 12a für die geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 10a beschrieben werden. In einem Verfahrensschritt 42a wird zunächst die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a auf das Trägerelement 24a aufgebracht. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a wird mittels eines Beschichtungsverfahrens auf das Trägerelement 24a aufgebracht. Die Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a wird mittels eines Druckverfahrens auf das Trägerelement 24a aufgebracht. A method according to the invention for producing the electrode unit 12a for the supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit 10a will be briefly described below. In a method step 42a, the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer is first applied to the carrier element 24a. The functional layer 22a designed as a diffusion protection layer is applied to the carrier element 24a by means of a coating process. The functional layer 22a formed as a diffusion protection layer is applied to the carrier element 24a by means of a printing process.
In einem weiteren Verfahrensschritt 44a wird die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20a auf die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a aufgetragen. Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20a wird mit einem Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels eines Druckverfahrens, auf die Elektrodeneinheit 12a, insbesondere die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22a aufgetragen. In a further method step 44a, the functional layer 20a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer. The functional layer 20a embodied as an electrode layer is applied to the electrode unit 12a, in particular the functional layer 22a embodied as a diffusion protection layer, using a coating method, in particular by means of a printing method.
In einem weiteren Verfahrensschritt 46a wird die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18a auf die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20a aufgetragen. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18a wird durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels eines Druckverfahrens, auf die Elektrodeneinheit 12a, insbesondere auf die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20a, aufgetragen. In a further method step 46a, the functional layer 18a embodied as a partial layer of the electrolyte layer is applied to the functional layer 20a embodied as the electrode layer. The functional layer 18a embodied as a partial layer of the electrolyte layer is applied to the electrode unit 12a, in particular to the functional layer 20a embodied as an electrode layer, by a coating method, in particular by means of a printing method.
In einem weiteren Verfahrensschritt 48a wird die Funktionsschicht 16a, welche über ihre aktive Zellfläche eine gezielt variable Schichtdicke 26a aufweist, aufgetragen. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16a wird in dem Verfahrensschritt 48a in den unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a unterschiedlich dick aufgetragen. Durch das unterschied- lich dicke Aufträgen der Funktionsschicht 16a in den unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a weisen diese jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke auf. Die Funktionsschicht 16a wird in dem Verfahrensschritt 48 mittels eines p- Inkjet Verfahrens auf aufgebracht. Mittels des p- Inkjet Verfahrens kann die Funktionsschicht 16a in den unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a mit einer Varianz zwischen zwei benachbarten Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a von 0,5 pm aufgetragen werden. In a further method step 48a, the functional layer 16a, which has a deliberately variable layer thickness 26a over its active cell area, is applied. The functional layer 16a, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, is applied with different thicknesses in the different partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in the method step 48a. Due to the different Lich thick applications of the functional layer 16a in the different sub-areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a, these each have a different layer thickness. The functional layer 16a is applied in method step 48 by means of a p-inkjet method. The functional layer 16a can be applied in the different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a with a variance between two adjacent partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of 0.5 μm by means of the p-inkjet method.
In dem Verfahrensschritt 48a wird die Funktionsschicht 16a mittels mehrerer gezielt ansteuerbarer Druckdüsen 38a aufgebracht. Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine gezielt ansteuerbare Druckdüse während des Verfahrensschritts 48a zum Druck der Funktionsschicht 16a. Die Funktionsschicht 16a wird mittels mehrerer vorzugsweise parallel angeordneter Druckdüsen 38a in einem CNC gesteuerten Druckverfahren aufgebracht. Die gezielt ansteuerbaren Druckdüsen 38a werden zur Erzeugung der unterschiedlich dicken Teilbereiche 28a, 30a, 32a, 34a, 36a mit unterschiedlichen Ansteuerungsparametern angesteuert. Die Ansteuerungsparameter sind insbesondere als eine Frequenz und eine Pulsstärke des Ansteuerungssignals der Druckdüsen 38a ausgebildet. Die Druckdüsen 38a weisen jeweils einen Piezoelektrischen Signalgeber 40a auf, die einen Durchfluss durch die jeweilige Druckdüse 38a regeln. Durch eine Änderung der Ansteuerungsparameter kann eine Größe von abgegebenen Tröpfchen eines Materials, das die Funktionsschicht 16a bildet, und damit die Schichtdicke 26a auf 0,5 pm genau eingestellt werden (Siehe Figur 2). Durch die gezielt ansteuerbaren Druckdüsen ist eine auf 0,5 pm genau einstellbare Schichtdicke der Funktionsschicht 16a einstellbar. Durch die parallel angeordneten Druckdüsen 38a kann in unterschiedlichen Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in dem Verfahrensschritt 48a jeweils eine unterschiedlich dicke Schichtdicke 36a der Funktionsschicht 16a aufgetragen werden. In method step 48a, the functional layer 16a is applied by means of a plurality of pressure nozzles 38a that can be controlled in a targeted manner. FIG. 2 shows an example of a pressure nozzle that can be controlled in a targeted manner during method step 48a for printing functional layer 16a. The functional layer 16a is applied by means of a plurality of pressure nozzles 38a, preferably arranged in parallel, in a CNC-controlled printing process. The pressure nozzles 38a that can be controlled in a targeted manner are controlled with different control parameters in order to generate the partial regions 28a, 30a, 32a, 34a, 36a of different thicknesses. The control parameters are designed in particular as a frequency and a pulse strength of the control signal of the pressure nozzles 38a. The pressure nozzles 38a each have a piezoelectric signal generator 40a, which regulates a flow through the respective pressure nozzle 38a. By changing the control parameters, the size of the released droplets of a material that forms the functional layer 16a, and thus the layer thickness 26a, can be set with an accuracy of 0.5 μm (see FIG. 2). A layer thickness of the functional layer 16a that can be set precisely to 0.5 μm can be set by the pressure nozzles that can be controlled in a targeted manner. Due to the pressure nozzles 38a arranged in parallel, a different thickness 36a of the functional layer 16a can be applied in different partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in the method step 48a.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die unterschiedlichen Schichtdicken in den Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a durch mehrfache Beschichtung in den dickeren Teilbereichen 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in mehreren Druckverfahrensschritten erreicht werden. Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, dass die Funktionsschicht 16a mit ihrer variablen Schichtdicke durch ein Sprüh- oder Gaspha- senabscheidungsverfahren in mehreren Beschichtungsvorgängen mit unterschiedlichen Masken realisiert wird. Alternatively, it is also conceivable that the different layer thicknesses in the partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a are achieved by multiple coating in the thicker partial areas 28a, 30a, 32a, 34a, 36a in several printing process steps. Basically, it is also conceivable that the functional layer 16a with its variable layer thickness by a spray or gas phase senabscheideverfahren is realized in several coating processes with different masks.
In einem weiteren Verfahrensschritt 50a wird die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 14a auf die Funktionsschicht 16a aufgebracht. Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 14a wird mit einem Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels eines Druckverfahrens auf die Elektrodeneinheit 12a, insbesondere die Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildeten Funktionsschicht 16a aufgetragen. Vorzugsweise werden alle Funktionsschichten mittels des gleichen Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels des p-lnkjet Verfahrens, auf die Elektrodeneinheit 12a aufgetragen. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass zum Auftrag der unterschiedlichen Funktionsschichten unterschiedliche Beschichtungsverfahren angewandt werden. In a further method step 50a, the functional layer 14a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 16a. The functional layer 14a embodied as an electrode layer is applied to the functional layer 16a embodied in the electrode unit 12a, in particular the partial layer of the electrolyte layer, using a coating method, in particular by means of a printing method. All functional layers are preferably applied to the electrode unit 12a using the same coating method, in particular using the p-inkjet method. In principle, however, it is also conceivable that different coating methods are used to apply the different functional layers.
In der Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 6, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 6 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der Figur 7 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b ersetzt. Another exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. The following descriptions and the drawings are essentially limited to the differences between the exemplary embodiments, whereby with regard to components with the same designation, in particular with regard to components with the same reference numbers, the drawings and/or the description of the other exemplary embodiments, in particular Figures 1 to 6, can be referred. To distinguish between the exemplary embodiments, the letter a follows the reference number of the exemplary embodiment in FIGS. In the exemplary embodiments of FIG. 7, the letter a has been replaced by the letters b.
Die Figur 7 zeigt einen Teil einer Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 10b, insbesondere eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Die geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit 10b umfasst eine Elektrodeneinheit 12b. Die Elektrodeneinheit 12b umfasst ein Trägerelement 24b. Das Trägerelement 24b bildet eine Grundstruktur der Elektrodeneinheit 12b aus. Das Trägerelement 24b weist vorzugsweise eine poröse Struktur auf. FIG. 7 shows part of a fuel cell and/or electrolyzer unit 10b, in particular a solid oxide fuel cell unit. The supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit 10b comprises an electrode unit 12b. The electrode unit 12b includes a carrier element 24b. The carrier element 24b forms a basic structure of the electrode unit 12b. The carrier element 24b preferably has a porous structure.
Die Elektrodeneinheit 12b weist mehrere Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b auf. Die Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b sind auf dem Trä- gerelement 24b geschichtet aufgetragen. Die Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b sind übereinander auf dem Trägerelement 24b geschichtet angeordnet. Zwei der Funktionsschichten 14b, 20b der Elektrodeneinheit 12b sind als Elektrodenschichten ausgebildet, insbesondere zu einer Verwendung als Kathode und/oder Anode. Die Funktionsschicht 14b ist als eine Kathode ausgebildet. Die Funktionsschicht 14b ist als Oxidanselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans und/oder einem Spaltprodukt, ausgebildet. Die Funktionsschicht 20b ist als eine Anode ausgebildet. Die Funktionsschicht 20b ist als Brennstoffelektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff und/oder einem weiteren Spaltprodukt, ausgebildet. The electrode unit 12b has several functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b. The functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are on the carrier ger element 24b applied in layers. The functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are arranged in layers one above the other on the carrier element 24b. Two of the functional layers 14b, 20b of the electrode unit 12b are designed as electrode layers, in particular for use as a cathode and/or anode. The functional layer 14b is designed as a cathode. The functional layer 14b is designed as an oxidant electrode, in particular for contact with the oxidant and/or a cleavage product. The functional layer 20b is designed as an anode. The functional layer 20b is designed as a fuel electrode, in particular for contact with the fuel and/or another fission product.
Die Funktionsschicht 22b ist als eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22b ist zwischen dem Trägerelement 24b und der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht 20b angeordnet. The functional layer 22b is designed as a diffusion protection layer. The functional layer 22b designed as a diffusion protection layer is arranged between the carrier element 24b and the functional layer 20b designed as an electrode layer.
Die Funktionsschicht 16b ist als eine Teilschicht einer Elektrolytschicht ausgebildet. Die Funktionsschicht 18b ist als eine Teilschicht der Elektrolytschicht. Die beiden Funktionsschichten 16b, 18b bilden zusammen die Elektrolytschicht aus. Die Elektrolytschicht ist zwischen den beiden als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschichten 14b, 20b angeordnet. The functional layer 16b is designed as a partial layer of an electrolyte layer. The functional layer 18b is a partial layer of the electrolyte layer. The two functional layers 16b, 18b together form the electrolyte layer. The electrolyte layer is arranged between the two functional layers 14b, 20b designed as an electrode layer.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weisen mehrere der Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b eine über ihre aktive Zellfläche gezielt variable Schichtdicke 36b auf. Es weisen alle Funktionsschichten der Elektrodeneinheit 12b über ihre aktive Zellfläche eine gezielt variable Schichtdicke 36b auf. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22b weist über ihre aktive Zellfläche eine variable Schichtdicke 52b auf. In der Figur 7 sind beispielhaft unterschiedliche Teilbereiche der als Diffusionsschutzschicht ausgebildeten Funktionsschicht 22b gezeigt, die jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke 52b aufweisen. Die als Diffusionsschutzschicht ausgebildete Funktionsschicht 22b weist in ihrer Schichtdicke 52b vorzugsweise eine Varianz von 5 pm auf. Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20b weist über ihre aktive Zellfläche eine variable Schichtdicke 54b auf. In der Figur 7 sind beispielhaft unterschiedliche Teilbereiche der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht 20b gezeigt, die jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke 54b aufweisen. Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 20b weist in ihrer Schichtdicke 54b vorzugsweise eine Varianz von 10 pm auf. In contrast to the first exemplary embodiment, several of the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b have a layer thickness 36b that is specifically variable over their active cell area. All functional layers of the electrode unit 12b have a specifically variable layer thickness 36b over their active cell area. The functional layer 22b designed as a diffusion protection layer has a variable layer thickness 52b over its active cell area. FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 22b designed as a diffusion protection layer, each of which has a different layer thickness 52b. The functional layer 22b designed as a diffusion protection layer preferably has a variance of 5 μm in its layer thickness 52b. The functional layer 20b designed as an electrode layer has a variable layer thickness 54b over its active cell area. FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 20b designed as an electrode layer, which each have a different layer thickness 54b. The functional layer 20b designed as an electrode layer preferably has a variance of 10 μm in its layer thickness 54b.
Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18b weist über ihre aktive Zellfläche eine variable Schichtdicke 56b auf. In der Figur 7 sind beispielhaft unterschiedliche Teilbereiche der als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildeten Funktionsschicht 18b gezeigt, die jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke 56b aufweisen. Die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 18b weist in ihrer Schichtdicke 56b vorzugsweise eine Varianz von 10 pm auf. Wie schon in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, weist die als Teilschicht der Elektrolytschicht ausgebildete Funktionsschicht 16b eine gezielt variable Schichtdicke 26b auf. Functional layer 18b, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, has a variable layer thickness 56b over its active cell area. FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 18b, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, each having a different layer thickness 56b. The functional layer 18b, which is designed as a partial layer of the electrolyte layer, preferably has a variance of 10 μm in its layer thickness 56b. As already described in the first exemplary embodiment, the functional layer 16b embodied as a partial layer of the electrolyte layer has a specifically variable layer thickness 26b.
Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 14b weist über ihre aktive Zellfläche eine variable Schichtdicke 58b auf. In der Figur 7 sind beispielhaft unterschiedliche Teilbereiche der als Elektrodenschicht ausgebildeten Funktionsschicht 14b gezeigt, die jeweils eine unterschiedliche Schichtdicke 58b aufweisen. Die als Elektrodenschicht ausgebildete Funktionsschicht 14b weist in ihrer Schichtdicke 58b vorzugsweise eine Varianz von 10 pm auf. The functional layer 14b designed as an electrode layer has a variable layer thickness 58b over its active cell area. FIG. 7 shows, by way of example, different partial areas of the functional layer 14b designed as an electrode layer, which each have a different layer thickness 58b. The functional layer 14b designed as an electrode layer preferably has a variance of 10 μm in its layer thickness 58b.
Die Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b sind wie in dem ersten Ausführungsbeispiel durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren auf das Trägerelement 24b aufgetragen. Dadurch, dass alle Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b eine gezielt variable Schichtdicke 28b, 52b, 54b, 56b, 58b aufweisen, kann ein lokaler Widerstandbeitrag der einzelnen Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b und damit der lokale elektrische Widerstand der Elektrodeneinheit 12b über die aktive Zellfläche besonders genau eingestellt werden. Dadurch kann eine Elektrodeneinheit 12b mit einer besondere homogenen Stromdichteverteilung bereitgestellt werden. Um Kosten zu sparen wäre es grundsätzlich auch denkbar, lediglich zwei, oder lediglich drei der Funktionsschichten 14b, 16b, 18b, 20b, 22b mit einer gezielt variablen Schichtdicke 28b, 52b, 54b, 56b, 58b auszubilden. As in the first exemplary embodiment, the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b are applied to the carrier element 24b by a suitable coating method. Because all functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b have a specifically variable layer thickness 28b, 52b, 54b, 56b, 58b, a local resistance contribution of the individual functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b and thus the local electrical Resistance of the electrode unit 12b can be set particularly precisely over the active cell area. As a result, an electrode unit 12b with a particularly homogeneous current density distribution can be provided. In order to save costs, it would basically also be conceivable to form only two or only three of the functional layers 14b, 16b, 18b, 20b, 22b with a purposefully variable layer thickness 28b, 52b, 54b, 56b, 58b.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrodeneinheit für eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallge- trägerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit(10a; 10b), insbesondere Festoxidbrennstoffzelleneinheit, die mehrere Funktionsschichten aufweist (14a, 16a, 18a, 20a, 22a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Funktionsschichten (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) über ihre aktive Zellfläche eine gezielt variable Schichtdicke (26a; 26b, 52b, 54b, 56b, 58b) aufweist. 1. Electrode unit for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit (10a; 10b), in particular solid oxide fuel cell unit, which has a plurality of functional layers (14a, 16a, 18a, 20a, 22a; 14b, 16b, 18b, 20b , 22b), characterized in that at least one of the functional layers (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) has a specifically variable layer thickness (26a; 26b, 52b, 54b, 56b, 58b) over its active cell area.
2. Elektrodeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) eine Varianz in ihrer Schichtdicke (26a; 26b, 52b, 54b, 56b, 58b) von zumindest 0,5pm und maximal 20pm aufweist. 2. Electrode unit according to claim 1, characterized in that the at least one functional layer (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) has a variance in its layer thickness (26a; 26b, 52b, 54b, 56b, 58b) of at least 0, 5pm and a maximum of 20pm.
3. Elektrodeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (16a; 16b) als eine Teilschicht einer Elektrolytschicht, ausgebildet ist, 3. Electrode unit according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one functional layer (16a; 16b) is designed as a partial layer of an electrolyte layer,
4. Elektrodeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (22b) als eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet ist. 4. Electrode unit according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one functional layer (22b) is designed as a diffusion protection layer.
5. Elektrodeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (14b, 20b) als eine Elektrodenschicht ausgebildet ist. 5. Electrode unit according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one functional layer (14b, 20b) is designed as an electrode layer.
6. Elektrodeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Funktionsschichten (14b, 16b, 18b, 20b, 22b) jeweils eine gezielt variable Schichtdicke (26b, 52b, 54b, 56b, 58b) aufweisen. Elektrodeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Funktionsschicht (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) zumindest Teilweise durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch ein Druckverfahren, hergestellt ist. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodeneinheit (12a; 12b) für eine vorzugsweise geträgerte, insbesondere metallgeträgerte, Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit (10a), insbesondere Festoxidbrennstoffzel- leneinheit, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest eine Funktionsschicht (42a, 44a, 46a, 48a, 50a) aufgebracht wird , dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt (48a) die Funktionsschicht (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) in unterschiedlichen Teilbereichen (30a, 32a, 34a, 36a) unterschiedlich dick aufgetragen wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt (48a) die zumindest eine Funktionsschicht (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) in unterschiedlich dicken Teilbereichen (30a, 32a, 34a, 36a) mittels eines p-lnkjet- Verfahrens aufgebracht wird. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt (48a) die zumindest eine Funktionsschicht (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) mittels mehrerer gezielt angesteuerter Druckdüsen (38a) aufgetragen wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Verfahrensschritt (48a) die mehreren gezielt ansteuerbare Druckdüsen (38a) zur Erzeugung der unterschiedlich dicken Teilbereiche (30a, 32a, 34a, 36a) mit unterschiedlichen Abschiedsparametern, wie insbesondere einer unterschiedlichen Pulsstärke und/oder einer unterschiedlichen Frequenz, angesteuert werden. Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit, insbesondere Festoxid- brennstoffzelle, mit zumindest einer Elektrodeneinheit (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 6. Electrode unit according to one of the preceding claims, characterized in that several of the functional layers (14b, 16b, 18b, 20b, 22b) each have a specifically variable layer thickness (26b, 52b, 54b, 56b, 58b). Electrode unit according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one functional layer (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) is produced at least partially by a coating process, in particular by a printing process. Method for producing an electrode unit (12a; 12b) for a preferably supported, in particular metal-supported, fuel cell and/or electrolyzer unit (10a), in particular solid oxide fuel cell unit, according to one of claims 1 to 5, wherein in at least one method step at least one functional layer ( 42a, 44a, 46a, 48a, 50a) is applied, characterized in that in the at least one method step (48a) the functional layer (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) is applied in different partial areas (30a, 32a, 34a, 36a) is applied with different thicknesses. Method according to Claim 6, characterized in that in the at least one method step (48a) the at least one functional layer (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) in partial regions (30a, 32a, 34a, 36a) of different thicknesses by means of a p inkjet process is applied. Method according to Claim 6 or 7, characterized in that in the at least one method step (48a) the at least one functional layer (16a; 14b, 16b, 18b, 20b, 22b) is applied by means of a plurality of pressure nozzles (38a) that are controlled in a targeted manner. Method according to Claim 8, characterized in that in the at least one method step (48a) the plurality of pressure nozzles (38a) which can be controlled in a targeted manner for generating the sub-areas (30a, 32a, 34a, 36a) of different thicknesses are used with different parting parameters, such as in particular a different pulse strength and /or a different frequency. Fuel cell and/or electrolyzer unit, in particular solid oxide fuel cell, with at least one electrode unit (12) according to one of Claims 1 to 7.
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