JP2018528575A - 電気化学的モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
MSCでは、厚さが薄くなるにつれて、及び、温度上昇につれて、電気抵抗が減少する電解質を比較的薄く作ることができるので(例えば、2から10μmの範囲、好適には3から5μmの範囲の厚さで)、MSCは約600℃から800℃の比較的低い運転温度で運転することができる(一方、SOFCは部分的に1,000℃までの運転温度で運転される)。その独特の利点により、MSCは特に移動用の用途、例えば、自家用車又は商用車の電源(APU−auxiliary power unit:補助電源)に適している。
別の実施形態では、溶接ゾーンが支持サブストレートの縁に、及び/又は、ケーシング部の縁に形成され、厚さ方向においてケーシング部の厚さの一部のみを通って延びている。特に、この溶接ゾーンの深さTは結合すべき領域におけるケーシング部の厚さに対して20%≦T≦80%まで延びており、好適には、この深さTはケーシング部の厚さに対して、30%≦T≦50%である。このようにして、溶接時のエネルギー侵入を特に低く抑えることができ、その結果、諸部品の歪みのリスクがさらに小さくなる。
A)多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレートを粉末冶金的に製造するステップ。この場合、この支持サブストレートの少なくとも、周縁領域で囲まれた中央領域はガス透過性に形成される。
B)電気化学的に活性な層を少なくとも1つ有する積層体が前記中央領域において前記支持サブストレートの第1の面に取り付けられることにより、さらに、
金属製で気密な少なくとも1つのケーシング部が溶接接合部を介して前記支持サブストレートの周縁領域と、その溶接ゾーンが第1の面から厚さ方向で支持サブストレートの反対側の第2の面に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びるように、結合されることにより、さらに、
前記支持サブストレートの第1の面の表面において、前記積層体から前記溶接接合部まで広がる気密な表面部が形成されることにより、
前記支持サブストレートの第1の面上で前記積層体を前記の金属製で気密な少なくとも1つのケーシング部へ気密結合するステップ。
特許文献3に関連して上述した全体組成と粒径を有する原料粉末から、粉末冶金的な方法で(すなわち、原料粉末の圧縮ステップと焼結ステップを含む)、支持サブストレートが作られた。その結果、この支持サブストレートの厚さは0.8mm、多孔度は約45体積%であった。焼結工程及び所望の形状に切断後、このサブストレートの周回している周縁領域が最大プレス力1500tの一軸プレスを用いて圧縮される。プレス工程後のこの圧縮された周縁領域の残多孔度は8体積%であった。圧縮に次いで、ディスク レーザー及びこれに同調された3Dレーザー光学系を用いて、周縁領域の第1の面が表面的に溶融される。この加工ステップのパラメータとして、ビーム速度400mm/s、スポット直径150μmにおいて、レーザーパワー150Wが使用された。この被加工面(ここでは:周縁領域の第1の面の全面)は蛇行状にスキャンされるので、この面は全面にわたって加工される。次に、例えばマグネトロンスパッタリングのようなPVDプロセスにより、セリウム ガドリニウム オキシドから成る拡散バリアー層が被着される。この処理工程の後で、電気化学的に活性なセルのために(燃料電池として運転される場合)必要なアノード、これはニッケルと、イットリウムオキシドで完全に安定化されたジルコニウム ジオキシドとから成る複合体で構成されている、がスクリーン印刷により被着される。この場合、多層の勾配付きアノード(mehrschichtige gradierte Anode)は、表面が溶融された支持サブストレートの周縁領域上で終端しているので、オーバーラップ領域が形成される。減圧雰囲気及びT>1000℃の条件下での焼結工程により、アノードが焼結される。続いて、その上に、イットリウムオキシドで完全に安定化されたジルコニウム ジオキシドから成る電解質層がPVDプロセス(ガス フロー スパッタリング)により面全体に被着される。さらに、例えばLSCF((La、Sr)(Co、Fe)O3)のような混合導電性電極材を使用するために、拡散バリアー(セリウム ガドリニウム オキシド)が必要である。これは同様にPVDプロセスにより非常に薄く被着することができる(例えば、マグネトロンスパッタリング)。差圧法により特性漏れ率を測定した後で、電極材LSCF((La、Sr)(Co、Fe)O3)が被着される。これは通常は同様にスクリーン印刷工程で行われる。カソード層に必要な焼結は電気化学的セルの試運転時にその場で行われる。これによりこの電気化学的なセルはフレーム薄板への組み込みのための準備ができる。その際、層が付けられた支持サブストレートは冶具を用いて位置決めされる。そして、この支持サブストレートの、積層スタックも配設されている(第1の)面に、フレーム薄板の対応部分ができるだけ隙間なく張り付けられる。周回している溶接継目が、同様に3Dスキャナー光学系及びディスク レーザーを用いて実現される。支持サブストレートとフレーム薄板の厚さに応じて、そのレーザーパワーを調節しなければならない。レーザーパワー600W、スポット直径400μm及びビーム速度4000mm/分という調節されたパラメータにより、本出願による電気化学的セルを組み込むことができる。
4 電気化学的モジュール
6 インターコネクター
8 支持サブストレート
10 中央領域
12 周縁領域
13 第1の面
14 ケーシング部(フレーム薄板)
16 ケーシングセグメント(フレーム領域)
18 溶接接合部
20 第2の面
22 リブ構造
24 溶接接合部
26 積層体
28 アノード
30 電解質
32 気密ゾーン
34 外側縁部
36 溶接ゾーン
38 厚さ方向
40 ガス通流開口
41 表面の気密部
42 シール層
44 カソード
46 内側縁部
48 支持サブストレート
50 中央領域
52 周縁領域
54 ガス通流開口
56 第1の面
58 表面の気密部
60 外側縁部
62 壁部
64 多孔性部
66 フレーム薄板
68 支持サブストレート
70 溶接ゾーン
d 支持サブストレートの厚さ
t 深さ
Claims (15)
- ガス透過性の中央領域(10;50)及び該中央領域を周回している周縁領域(12;52)を備えた、多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート(8;48;68)と、
前記支持サブストレートの第1の面(13;56)の前記中央領域に配設され、電気化学的に活性な層(28,30,44;30‘‘‘)を少なくとも1つ備えた積層体(26)と、
溶接接合部(18;18‘;18‘‘)を介して前記支持サブストレートの前記周縁領域と結合された、金属製で気密な少なくとも1つのケーシング部(14;66)と、
前記積層体から前記の気密なケーシング部まで広がっている気密ゾーン(32)とを
有する電気化学的モジュール(4)において、
前記気密ゾーンが、
前記積層体から前記支持サブストレートの第1の面の表面で少なくとも前記溶接接合部まで広がっている気密な表面部(30;30‘‘‘;41;42)と、前記の気密な表面部を前記ケーシング部と気密に結合する前記溶接接合部とを有し、その溶接ゾーン(36;36‘;36‘‘;70)が前記第1の面から厚さ方向(38)において支持サブストレートの反対側の第2の面(20)に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びている、ことを特徴とする電気化学的モジュール。 - 前記支持サブストレート(8;48;68)が気密な表面部(30;30‘‘‘;41;42)の下側で、及び、前記溶接接合部(18;18‘;18‘‘)の溶接ゾーン(36;36‘;36‘‘;70)の下側で、多孔性に形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の電気化学的モジュール。
- 前記支持サブストレート(8;48;68)の前記周縁領域(12;52)における多孔性部分(64)の多孔度が前記中央領域(10;50)の多孔度よりも小さくなっていることを特徴とする、請求項2に記載の電気化学的モジュール。
- 前記支持サブストレート(8;48;68)がCr(クロム)基、及び/又は、Fe(鉄)基の材料組合せから粉末冶金的に1つの部品に作られていることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記支持サブストレート(8;48;68)の前記周縁領域(12;52)における多孔性部分(64)の多孔度が3%から20%(いずれも境界値を含む)の範囲にあることを特徴とする、請求項2から4のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記溶接ゾーン(36;36‘;36‘‘;70)が前記第1の面(13;56)から厚さ方向(38)において前記第2の面(20)へ深さtまで延びており、その深さtが前記周縁領域(12;52)における前記支持サブストレート(8;48;68)の厚さdの20%≦t≦80%であることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記溶接接合部(18;18‘;18‘‘)で結合された前記ケーシング部(14;66)のケーシングセグメント(16)が、前記支持サブストレート(8;48;68)の周縁領域(12;52)とオーバーラップして支持サブストレートの第1の面(13;56)に配設されていることを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記溶接ゾーン(36;70)が厚さ方向(38)において前記ケーシング部(14;66)を完全に貫通し、一部だけが前記支持サブストレート(8;48;68)に入り込んで延びていることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記溶接ゾーン(36‘;36‘‘)が前記支持サブストレート(8)の縁(34)に、及び/又は、前記ケーシング部(14)の縁(46)に形成され、前記厚さ方向(38)においてケーシング部の厚さの一部だけ延びていることを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記ケーシング部(14)がフレーム状に形成されており、前記支持サブストレート(8)の周縁領域(12)を周回して広がっていることを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記ケーシング部(14)が、複数のガス通流開口(40)を備えたフレーム薄板であり、このフレーム薄板の外側縁部領域(60)がインターコネクターと結合されていることを特徴とする、請求項1から10のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記の気密な表面部が電解質(30;30‘‘‘)を有し、この電解質は前記積層体(26)の一部であり、この積層体を越えて支持サブストレート(8)の第1の面(13)上で広がっていることを特徴とする、請求項1から11のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記の気密な表面部が、支持サブストレート材料から成る、支持サブストレート(8)の表面気密部分(41)を有し、この表面気密部分が支持サブストレート材料の溶融相を有していることを特徴とする、請求項1から12のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 前記の気密な表面部が、前記支持サブストレート(8)に被着された気密なシール材(42)を有していることを特徴とする、請求項1から13のいずれか1項に記載の電気化学的モジュール。
- 次のステップを特徴とする、電気化学的モジュール(4)の製造方法:
A)多孔性でプレート状の金属製の支持サブストレート(8;48;68)を粉末冶金的に製造するステップ。この場合、この支持サブストレートの少なくとも、周縁領域(12;52)で囲まれた中央領域(10;50)はガス透過性に形成される。
B)電気化学的に活性な層(28,30,44;30‘‘‘)を少なくとも1つ有する積層体(26)が前記中央領域において前記支持サブストレートの第1の面に取り付けられることにより、さらに、
金属製で気密な少なくとも1つのケーシング部が溶接接合部(18;18‘;18‘‘)を介して前記支持サブストレートの周縁領域と、その溶接ゾーン(36;36‘;36‘‘;70)が第1の面から厚さ方向(38)で支持サブストレートの反対側の第2の面(20)に向かって、支持サブストレートの厚さの一部だけ延びるように、結合されることにより、さらに、
前記支持サブストレートの第1の面の表面において、前記積層体から前記溶接接合部まで広がる気密な表面部(30;30‘‘‘;41;42)が形成されることにより、
前記支持サブストレートの第1の面(13;56)上で前記積層体(26)を前記の金属製で気密な少なくとも1つのケーシング部(14;66)へ気密結合するステップ。
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