用于电化学模块的多孔的模制件
专利摘要:本发明涉及一种用于电化学模块(20)的多孔的模制件(10,10‘;10“)。这种电化学模块(20)具有:具有带有至少一个电化学活性层的层结构(23)的至少一个电化学电池单元(21),和金属的气密性外壳(24;25),其与所述的电化学电池单元形成气密性工艺气体空间(26)。所述外壳(24;25)在至少一个侧面上延伸超过所述电化学电池单元(21)的区域,并形成开放到所述电化学电池单元的工艺气体传导空间(27),并且在所述工艺气体传导空间(27)的区域中具有至少一个气体通道开口(28),用于供给和/或除去所述工艺气体。本发明的模制件(10,10‘;10“)被设计为与所述电化学电池单元(21)的独立的部件,并且适于排列在所述工艺气体传导空间(27)内以及用于在两侧上沿着所述电化学模块的堆叠方向(B)支撑所述外壳。
专利说明:
用于电化学模块的多孔的模制件
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及根据权利要求1所述的用于排列在电化学模块中的多孔的模制件和根据权利要求13所述的一种电化学模块。
[0003] 背景技术
[0004] 本发明的多孔的模制件被用于电化学模块,其可以用作高温燃料电池或者固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体氧化物电解电池(SOEC;固体氧化物电解器电池)以及用作可逆的固体氧化物燃料电池(R-SOFC)等等。在基本构造中,所述电化学模块的电化学活性电池包含气密性固态电解质,其排列在透气性阳极和透气性阴极之间。所述电化学活性部件(在这里例如是阳极,电解质和阴极)经常设计成相当薄的层。作为结果所需的机械支撑功能可以通过所述电化学活性层之一来提供,例如通过电解质、阳极或者阴极来提供,例如其在那种情况中每个设计具有相应的厚度(在这些情况中,所述系统分别被称作电解质支撑、阳极支撑或者阴极支撑的电池),或者通过与这些功能层分开设计的部件来提供,例如诸如陶瓷或者金属支撑基底。在后者的方案的情况中,使用分开设计的金属支撑基底,所述系统被称作金属基底支撑的电池(MSC;金属支撑的电池)。根据MSC的情况,电解质(它的电阻随着厚度下降和温度升高而降低)可以给定相对薄的设计(例如厚度是2至10μm),MSC可以在大约600℃至800℃的相对低的运行温度运行(而例如电解质支撑的电池在一些情况中是在高至1000℃的运行温度运行的)。由于它们的特殊优点,MSC特别适于移动应用,例如诸如用于客车或者商用车辆的电源(APU-动力装置)。
[0005] 所述电化学活性电池单元通常设计成平坦的单个元件,其彼此叠置排列,与相应的(金属)外壳零件(例如互连器、框架面板、气体管线等)连接来形成堆叠体,并且是串联电接触的。在所述堆叠体的单个电池中相应的外壳零件带来了在每种情况中工艺气体彼此分开供给(在燃料电池的情况中,燃料到阳极的供给和到阴极的氧化)以及在阳极侧和阴极侧除去所述电化学反应中形成的气体。
[0006] 基于单个电化学电池,工艺气体空间在每种情况中是在堆叠体中的电解质的任一侧上形成的。所述堆叠体可以以封闭结构配置,在其中两个工艺气体空间,其在每种情况中通过电解质和相应的外壳零件(互连器、任选地还通过框架面板或者其他,在MSC情况中通过支撑基底的边缘区域)结合,是以气密方式密封的。对于所述堆叠体,还可能实现开放结构,在此情况中仅仅一个工艺气体空间是以气密方式密封的,在燃料电池的情况中是阳极侧工艺气体空间,例如在其中供给燃料和/或取出反应产物,同时氧化剂(氧气、空气)例如自由流过所述堆叠体。气体通道开口(其可以例如整合到框架面板、互连器或者其他中,在MSC情况中整合到支撑基底的边缘区域中)在此用于将工艺气体从密封的工艺气体空间分别供入和除去。EP1278259B1描述了作为例子的用于MSC的处于开放结构的堆叠体排列。
[0007] 对于堆叠体的功能来说,基本的是不同的工艺气体空间是彼此可靠气密分开的,并且这种气密性分离甚至在机械负荷下和在运行中发生的周期性温度波动中也得以保持。特别是在制造堆叠体过程中,在所述模块靠着彼此压缩时在边缘区域发生高压负荷,并且这些负荷会导致在焊缝处的偏转和裂缝情况,由此危害气密态。
[0008] 对于电化学模块的效率来说重要的是工艺气体在电化学活性层上均匀流动,并且分别均匀除去所形成的反应气体。压力下降优选不大于小的一个。虽然堆叠体中不同的电化学模块是在垂直方向上通过相应的通道结构供给的,但是在电化学模块中在水平方向上的供给是通过分配结构来完成,其通常整合到互连器中。互连器(其也具有电接触相邻的电化学电池单元的功能)在两侧上具有用于这种目的气体传导结构,并且这些结构可以具有例如把手形、肋条形或者波形设计。对于许多应用来说,所述互连器是通过合适成形的金属片零件形成的,其类似于堆叠体的其他部件,在其中是可能极薄的,以用于重量优化的目的。在堆叠体结合或者运行的情况中,特别是在边缘区域处发生这类机械应力的情况中,这种薄的构造会容易导致变形的情况和因此在必需的气密态方面会极端劣化的。
[0009] 发明内容
[0010] 因此,本发明的目标在于成本有效地提供一种电化学模块和用于电化学模块的工艺气体空间内的模制件,对于其来说在长期使用过程中确保所述电化学模块的工艺气体空间的气密态和甚至在机械负荷和温度波动下也是如此。此外,电化学模块向前的发展通过有利的气体引导性能而是显著的;换言之,目标是实现工艺气体空间中工艺气体极其均匀的、小的压力下降,以使得工艺气体在平坦的电化学电池单元上的分布是尽可能均匀的。
[0011] 这个目标是通过根据权利要求1的模制件,根据权利要求12的模制件的用途和根据权利要求13的电化学模块来实现的。有利的改进在从属权利要求中阐述。
[0012] 本发明的模制件用于电化学模块,其可以用作高温燃料电池或者固体氧化物燃料电池(SOFC)、用作固体氧化物电解电池(SOEC;固体氧化剂电解器电池)以及用作可逆的固体氧化物燃料电池(R-SOFC)。这种类型的电化学模块的基本结构的特征在于具有电化学电池单元,其具有带有至少一个电化学活性层的层结构,并且还可以包括支撑基底。电化学活性层在此被理解为指的是阳极,电解质或者阴极层等,并且所述层结构还可以任选地具有另外的层(例如由电解质和阴极之间的氧化铈钆制成)。并非全部所述电化学活性层必须在此存在;代替地,所述层结构还可以具有仅仅一个电化学活性层(例如阳极),优选具有两个电化学活性层(例如阳极和电解质),和另外的层,特别是用于完成电化学电池单元的那些,其可以直到随后才施用。所述电化学电池单元可以设计成电解质支撑的电池、阳极支撑的电池或者阴极支撑的电池(给予电池它的名称的所述层具有较厚的构造和具有带机械负荷支承的功能)。在金属基底支撑的电池(MSC)的情况中,在本发明的一种优选的实施方案中,所述层堆叠体排列在多孔的板型金属支撑基底上,其优选的厚度在透气性中心区域通常是170μm至1.5mm,更具体是250μm至800μm。所述支撑基底在这种情况中形成了电化学电池单元的一部分。所述层堆叠体的层是以已知的方式施用的,优选通过PVD(PVD:物理气相沉积),例如诸如通过溅射、和/或通过热涂覆方法例如诸如火焰喷射或者等离子体喷涂,和/或通过湿化学方法例如诸如丝网印刷、湿粉末涂覆等来施涂;为了实现电化学电池单元的整体层结构,还可以将这些方法中的两种或者更多种组合。通常,阳极是紧邻支撑基底的电化学活性层,而阴极是在远离支撑基底的电解质一侧上形成的。但是可选择地,两种电极的反转排列也是可能的。
[0013] 不仅阳极(在MSC情况中形成,例如由这样的复合材料形成,其由镍和用氧化钇充分稳定的二氧化锆组成),而且阴极(在MSC的情况中形成,例如由具有混合的导电性的钙钛矿例如(La,Sr)(Co,Fe)O3形成)具有透气性设计。在阳极和阴极之间形成的是气密性固体电解质,其包含由金属氧化物制成的固体陶瓷材料(例如氧化钇充分稳定的二氧化锆),其对于氧离子是传导性的,但是对于电子不是。可选择地,所述固体电解质对于质子也是传导性的,并且舌涉及到更新一代的SOFC(例如金属氧化物的固体电解质,更具体是氧化钡锆,氧化钡铈,氧化镧钨或者氧化镧铌)。
[0014] 所述电化学模块另外具有至少一个金属气密性外壳,其与所述电化学电池单元形成气密性工艺气体空间。在所述电化学电池单元的区域中,工艺气体空间是通过气密性电解质来分界的。在对侧上,所述工艺气体空间通常是通过互连器分界的,其在本发明的目的中也被认为是所述外壳的零件。所述互连器是以气密性方式连接到所述电化学电池单元的气密性元件上,任选地与另外的外壳零件相组合,更具体是限界框架面板等,其形成了工艺气体空间划界的其余部分。在MSC的情况中,互连器的气密性连接优选是依靠焊接头和/或焊接合经由另外的外壳零件来完成,例子是限界框架面板,其依次以气密性方式连接到支撑基底,并且因此与气密性电解质一起形成气密性工艺气体空间。在电解质支撑的电池的情况中,所述连接可以依靠烧结结合或者通过施加密封剂(例如玻璃焊料)来进行。
[0015] 与本发明相关的“气密性”具体表示对于基于标准的足够的气密性量来说泄漏速率<10-3hPa*dm3/cm2 s(hPa:百帕,dm3:立升,cm2:平方厘米,s:秒)(其是在空气下通过增压方法,使用来自于雷姆沙伊德的Dr.Wiesner的Integra DDV仪器,在压力差dp=100hPa时测量的)。
[0016] 所述外壳在电化学电池单元至少一侧上延伸超过所述电化学电池单元的区域,并且形成作为工艺气体空间的子空间的工艺气体传导空间,所述工艺气体传导空间开放到所述电化学电池单元。所述工艺气体空间因此再分(理论上)为两个子区域,分成直接处于所述电化学电池单元的层结构下的内区域,并且分成包围着所述内区域的工艺气体传导空间。
[0017] 在工艺气体传导空间区域中存在着在所述外壳中制成的气体通道开口,其用于供给和/或除去工艺气体。所述气体通道开口可以例如整合到互连器的边缘区域中和外壳零件例如限界框架面板。
[0018] 所述电化学电池单元在工艺气体空间的内区域中的供给是依靠分配结构来进行的,其优选整合到所述互连器中。互连器优选配置成适当成形的金属片零件,其例如具有把手形,肋条形或者波形设计。
[0019] 在所述电化学模块作为SOFC运行中,经由气体通道开口和互连器的分配结构向阳极供给了燃料(例如氢气或者常规烃,例如甲烷、天然气、生物气体等,任选地已经预先进行了完全或者部分地重整),并且这种燃料在那里催化氧化,放出电子。所述电子被导出燃料电池和经由耗电元件流向阴极。在阴极处,氧化剂(例如氧气或者空气)是通过接收电子而被还原。所述电路是通过在阴极处形成的氧离子经由电解质(在对于氧离子传导性的电解质的情况中)流向阳极而形成闭路,并且在相应的界面处与燃料反应。
[0020] 在所述电化学模块作为固体氧化物电解电池(SOEC)的运行中,氧化还原反应是使用电流驱动的,例如将水转化成氢气和氧气。SOEC的结构基本上对应于上述的SOFC的结构,具有切换阴极和阳极的作用。可逆固体氧化物燃料电池(R-SOFC)可以作为SOEC或者作为SOFC运行。
[0021] 根据本发明提供的是一种模制件,其被设计为与所述电化学电池单元和外壳独立的部件。所述模制件是通过粉末冶金法生产的,并且所以如果通过例如在边缘处和/或表面上压缩或者局部熔融来后处理时,则其是多孔或者至少分段多孔的。通过使用多孔的模制件,可以产生相对于实心零件的决定性重量节约,同时获得相当的机械性能。所述模制件优选是平坦的和具有平坦主体,其具有一个主范围平面。根据本发明,所述模制件适于排列在工艺气体传导空间内;换言之,它的形状适于所述工艺气体传导空间的内部。在所述电化学模块运行中,所述模制件排列在工艺气体传导空间内,有利地完全处于工艺气体传导空间中,即直接处于所述电化学电池单元的层结构下面的完全处于区域之外的工艺气体空间中。
[0022] 所述模制件有利的布置在于它的顶侧靠着所述工艺气体传导空间的上部外壳零件和它的底侧靠着工艺气体传导空间的下部外壳零件。所述模制件的厚度因此在此对应于工艺气体传导空间的空间内高度。上部和下部外壳壁因此在所述工艺气体传导空间沿着堆叠方向的区域中得到支撑。
[0023] 将这种模制件用于电化学模块在许多方面是有利的。
[0024] 作为一个重要任务,所述模制件满足了机械支撑功能。如上所述,所述平坦模制件是间隔器和充当了支撑元件,其防止了所述外壳的边缘区域在施加的压缩压力下受压。所述模制件因此能够适应在堆叠过程中和随后压缩单个模块来形成堆叠体过程中发生的在垂直方向上(在电化学模块的堆叠方向上)上的机械负荷和将这些负荷传递到相邻模块。
[0025] 此外所述模制件在所述电化学模块的边缘区域中产生了机械增强。由于所述模制件的平坦设计,明显增加了外壳边缘区域的挠曲和扭曲刚度和因此保护了所述外壳边缘区域防止偏转或者其他变形的情况。作为结果,在所述模块的边缘区域中可以避免在焊缝或者其他结合点上另外的应力,例如在单个外壳零件和/或电化学电池单元之间的焊接的或者烧结的连接点,其在实践中经常代表了在气密态方面的薄弱点。
[0026] 除了这些机械功能之外,所述模制件在有利的开发中用于改进气体在工艺气体传导空间内的引导。为了优化气体的引导,在所述模制件中可以设计气体导向结构,来传送气体流过所述气体通道开口进入工艺气体空间的内部区域,到互连器的气体引导结构,并且分别地将从工艺气体空间的内部区域流出的气体导向气体通道开口,其被导出。所述气体导向结构在此可以根据所述模制件是满足气体分配器功能还是气体收集器功能而采用不同的设计。
[0027] 在一种优选的实施方案中,将连续的气体通道开口整合到所述模制件中。所述模制件在此是在所述电化学模块中以这样的方式定向的,即,所述模制件的气体通道开口敞开进入工艺气体传导空间(外壳)的气体通道开口和在堆叠体内形成垂直的连续气体通道。为了使得气体能够流到所述电化学电池单元,所述模制件是在从气体通道开口直到面对内工艺气体空间的侧边的主范围平面的至少一个方向上是透气性的。为此目的,所述模制件通常或者至少在这个方向上可以具有开放的连续多孔性。为了优化气体流动,所述模制件的透气性(多孔性)可以在此空间变化和可以因此依靠例如孔隙率分级或者所述模制件的压实性的局部差异(例如作为非均匀压缩的结果)来调节。
[0028] 可选择地或者另外,所述模制件可以具有沿着主范围平面的至少一个通道,由此允许甚至更直接操控气体,和更高的气体通过率。为了更好的气体分配和更高的气体通过率,有利地提供了多个通道。所述通道或多个通道优选是浅表形成的,并且可以依靠例如用相应的结构研磨、压挤或者滚动来引入所述模制件的表面。在本说明书的目的中,具有闭孔多孔性和浅表通道结构(其从气体通道开口向上延伸到侧边)多孔的模制件也被认为是从气体通道开口直到侧边是透气性。还可以想到的是所述通道或多个通道在所述模制件整个厚度上至少分段延伸,并且因此所述通道不仅仅浅表形成。高气体通过率在这种实施方案的情况中是有利的,但是必须要当心的是所述模制件保持为单件和不分离。为了防止这种情况,在整个厚度上延伸的通道在它们的行程上会经历过渡成浅表通道结构或者多孔结构。
[0029] 为了改进流动特性,所述通道的形状可以通过多种方案来优化:
[0030] 在一种优选的实施方案中,所述通道或多个通道从气体通道开口连续延伸直到所述模制件的面对着内工艺气体空间的侧边。以此方式可以实现高气体通过率和低的压力下降。
[0031] 根据另一实施方案,在所述气体通道开口的区域中提供所述通道或多个通道从气体通道开口径向或者基本上径向向外延伸。这里径向表示在通道开口区域通过气体通道开口的中心点(在非圆形气体通道开口的情况中是几何中点)延伸进入气体通道开口的通道的局部正切线。基本上径向表示相对于正径向的偏离度是最大+/-15°。
[0032] 为了获得在工艺气体空间内部中向或者离开互连器分配结构的均匀流动,所述通道可以在面对内工艺气体空间的侧边中彼此平行或者基本上平行敞开。彼此平行表示在侧边处,彼此平行延伸的不同通道的局部切线,或者如果它们是彼此基本上平行的,则角度相差不大于+/-10°。在所述侧边,单个通道优选彼此等间距,并且在所述侧边上均匀分布。
[0033] 在一种有利的实施方案中,另外均匀分配和/或除去工艺气体的另一度量,在存在多个通道的情况中,提供了通道的横截面积与通道长度成比例增加。因此,在较长的通道长度上较大的压力下降是通过较大的通道横截面积来补偿的。
[0034] 根据一种有利的,流动优化的发展,多个通道是以星形远离气体通道开口延伸,并且敞开进入面对所述内工艺气体空间的侧边。所述通道(其从气体通道开口分支来初始进入背对内工艺气体空间的方向)在这种情况中以弧形重新导向这样的侧边,其指向内工艺气体空间的方向。
[0035] 有利地,所述模制件具有多个气体通道开口,在每种情况中气体导向结构由这里向所述模制件的侧边,面对内工艺气体空间的边缘发生分支。这能够有效和均匀地供给到内工艺气体空间。
[0036] 所述多孔的模制件可以以气密性方式靠着其余侧边区域压挤,其在所述电化学电池的排列中不面对所述内工艺气体空间,因为在所述电化学模块运行中在这些方向上不需要气体流动。
[0037] 本发明的模制件是与所述电化学模块的其余部件分开生产的,并且优选通过粉末冶金法来生产。所述模制件优选是整料设计的,即由单片来制造,这意味着它不包含多个彼此连接的部件,甚至可能通过熔合结合(例如焊接,焊合等)。通过粉末冶金法生产单片从所述模制件的微结构是很显然的。充当生产所述模制件的起始材料的是含金属的粉末,优选腐蚀稳定的合金粉末,例如诸如基于Cr(铬)和/或Fe(铁)的材料组合的粉末,这意味着Cr和Fe总共是至少50%的重量,优选总共是至少80%的重量,更优选至少90%的重量。所述模制件在这种情况中由铁素体合金组成。所述模制件优选是通过粉末冶金法,以已知的方式通过压缩起始粉末,任选地加入有机粘合剂,并且随后烧结作业来生产。
[0038] 如果所述模制件用于MSC,则所述模制件优选由与MSC的支撑基底相同的材料组成。这是有利的,因为在这种情况中热膨胀是相同的,并且不存在温度引起的应力。
[0039] 所述独立的结构和所以由所述电化学电池单元的其他活性元件(在MSC情况中包括金属基底)分别制作所述模制件具有许多方面的优点。首先,它提供了灵活性,并且各自的部件对于具体需求来说可以通过例如建立不同的多孔性来彼此独立地优化。其次,简化了所述电化学电池单元的生产和更经济地制造,因此所述单元是不太复杂的,因为也不存在在边缘处考虑气体分配结构的需要。第三,它还将它的优点带到了所述模制件的生产中,因为所述模制件(不同于MSC的金属基底,其在烧结作业后用所述电化学活性层进行了另外的涂覆)不需要再经历热后处理。所述模制件因此可以以高的终端轮廓精度来制造。
[0040] 如上所述,本发明的模制件可用于电化学模块,特别是MSC,如EP2174371B1所述。在一种优选的实施方案中,所述电化学模块具有模制件,每个进行不同的设计来用于供给和除去工艺气体。在这种情况中,所述模制件可以在例如所用材料、它们的形状、孔隙率、所形成的气体导向结构的形状例如通道结构等方面是不同的。例如来防止向后扩散,用于除去气体的所述模制件的孔隙率可以低于用于供给气体的模制件的孔隙率。
[0041] 所述模制件优选依靠熔合连接,例如通过在外壳上点焊来固定在所述电化学模块中。可以注意的是甚至在这种情况中,当所述模制件安装到模块中时,其熔合接合到所述电化学电池的另一部件中,它被认为本发明的目的是作为与所述电化学电池分别形成的构成部件。
[0042] 在上述的变体的实施方案中,所述多孔的模制件具有机械支撑功能和用于改进气体在工艺气体传导空间中的流动。在一种有利的发展中,所述多孔的模制件在它的表面上另外功能化来改进它的催化和/或反应性能,来用于处理工艺气体;换言之,通过适当的功能化所述表面,可以对工艺气体进行处理(工艺气体在反应物侧上处理和/或在产物侧上后处理)。在用催化和/或反应性能来功能化的情况中,使用多孔的模制件是有利的,因为在工艺气体流过时与之接触的表面是明显较大的,并且相应地在多孔部件的情况中与实心部件相比更容易发生反应。
[0043] 在SOFC使用中,例如所述工艺气体可以此外在反应物侧依靠功能化模制件来重整(这意味着含碳的燃料气体被转化成包含一氧化碳和氢气的混合物的合成气)和/或可以清洁来除去杂质例如硫或者氯。在产物侧,适当功能化的模制件可以例如用于清洁来除去挥发性铬。
[0044] 多孔的模制件的功能化可以通过向所述模制件的材料中引入,和/或作为表面涂层来施涂这样的物质来完成,其用于与工艺气体催化和/或反应性作用。所述催化和/或反应性物质因此可以混合到实际的起始粉末中来生产烧结的模制件(“合金化加入”)和/或可以通过涂覆程序来施用到所述模制件的表面,并且在烧结作业后具有开孔。这种涂覆程序可以通过本领域技术人员已知的常规方法来进行,例如依靠不同的沉积方法由气相(物理气相沉积,化学气相沉积),通过浸涂(其中所述部件用包含相应的功能材料的熔体浸渍或者渗透),或者依靠施用悬浮液或者糊的方法(特别是用于陶瓷材料)来进行。为了表面扩大,如果多孔表面结构在涂覆程序中保留,即,多孔表面没有被顶层覆盖,而是主要仅仅涂覆多孔结构的内表面,则它是有利的。
[0045] 当使用通过粉末冶金法由基于铁和/或铬的合金生产的模制件时,已经发现用下面的材料进行功能化是合适的:在反应物侧用于处理工艺气体是下面的:
[0046] 用于催化重整燃料气体:镍、铂、钯和这些金属的氧化物例如NiO;
[0047] 用于清洁反应物气体来除去硫和/或氯:镍、钴、铬、钪和/或铈;
[0048] 用于净化反应物气体,涉及氧:铬、铜和/或钛,并且钛同时还处理相对于碳的保持效应。
[0049] 在产物侧用于工艺气体后处理的是下面的:
[0050] 用于相对于挥发性铬离子进行净化的吸气结构:氧化物陶瓷例如诸如Cu-Ni-Mn尖晶石;
[0051] 用于净化产物气体,涉及氧和防止向后扩散:钛、铜或者化学计量比不足的尖晶石化合物。
[0052] 附图说明
[0053] 本发明另外的优点将从下文的示例性实施方案说明和参考附图而变得显而易见,其中为了说明本发明,所述尺寸比例并不总是按照精确的比例给出。在不同的图中,相同的附图标记用于相同部件。
[0054] 在附图中:
[0055] 图1a:以透视图显示了第一实施方案的模制件,其用于电化学模块;
[0056] 图1b:以平面图显示了图1a的模制件;和
[0057] 图1c:以侧视图显示了图1a的模制件;
[0058] 图2a:以截面图显示了根据现有技术的具有三个电化学模块的堆叠体,没有本发明的模制件;
[0059] 图2b:以截面图显示了具有三个电化学模块的堆叠体,每个电化学模块具有根据图1a的模制件;
[0060] 图2c:以分解图显示了图2b的电化学模块,具有根据图1a的模制件(这里应当注意的是与图2a和图2b的模块相比,图2c的电化学模块是在它的头部上转向显示的,用于更好地看见通道);
[0061] 图3a:以透视图显示了第二实施方案的模制件,其用于电化学模块;和
[0062] 图3b:以平面图显示了图3a的模制件。
[0063] 具体实施方式
[0064] 图1a以透视图显示了第一实施方案的模制件(10),其用于电化学模块(20)。所述模制件(10)在电化学模块(20)中的排列显示在图2b和图2c中。图1b以平面图显示了模制件(10),并且它在图1c中是以从侧面(A)的侧视图显示的,其在电化学模块(20)的排列中面对着工艺气体空间的内部。所述模制件(10)已经通过粉末冶金法生产和所以是多孔的。所述模制件是平坦的,并且具有平坦主体,其具有一个主范围平面。它具有多个气体通道开口(11),其在所示的变体中具有三个中心气体通道开口(11),通过其将工艺气体在电化学模块运行中分别供给和除去。通道(12)是以星形从每个气体通道开口延伸直到所述模制件的侧边(A),其在所述电化学模块的排列中面对着所述电化学模块的内工艺气体空间。通道(其初始在远离内工艺气体空间的方向上从气体通道开口(11)进行分支)在此以弧形在内工艺气体空间的方向上重新导向侧边(A)。单个通道(12)从气体通道开口连续延伸到侧边(A),由此能够进行有效的气体引导和在工艺气体传导空间中实现低的压降。
[0065] 此外,从气体通道开口(11)在侧边(A)的方向上,所述模制件(10)具有透气性的开孔结构(换言之,气体在单个相邻孔之间的交换是可能的)。在另一侧边,所述模制件压挤在一起(13)和因此在这些方向上是不透气的。
[0066] 在所述电化学模块的运行中,工艺气体从气体通道开口(11)流过通道(12)和所述孔到所述模制件的侧边(A),从这里它流入内部工艺气体空间。气体流动也可以处于相反方向上。
[0067] 对通道的数目和几何形状进行优化来使得到内工艺气体空间的供给的均匀性最大化。为此目的,在侧边(A)处,相邻通道的间距是大致相等的,并且所以当它们展开时,所述通道是在侧边上均匀分布的。此外,在这个示例性实施方案中,在侧边(A)处的通道以大约直角展开;所以在这个区域中,所述通道基本上彼此局部平行来延伸。
[0068] 如图1c中可见,所述通道是浅表制造的,并且它们的横截面积是变化的。通道的横截面积在它的长度上是基本上恒定的,但是选择为在通道从气体通道开口(11)直到侧边(A)的长度上较大。这也是实现在工艺气体空间内部中向互连器的分配结构和从其中除去的流动均匀性最大化的一个措施。
[0069] 图2a显示了根据现有技术的具有三个电化学模块的堆叠体,其没有本发明的模制件。所述模制件在电化学模块(20)中的排列显示在图2b和图2c中。图2a和图2b每个以图示方式显示了穿过堆叠体(30)的横截面,所述堆叠体具有彼此叠置的三个电化学模块(20)。所述电化学模块(20)每个具有电化学电池单元(21),其的组成为多孔的金属的支撑基底(22),其已经通过粉末冶金法生产,具有层结构(23),该层结构具有施用到透气性区域中的基底(22)的透气性区域上的至少一个电化学活性层。具有层结构(23)的支撑基底(22)是以气密性方式在边缘处压挤在一起的,并且具有板型基底结构,其在变体实施方案中用于扩大表面积,也可以在较小的长度范围具有局部曲率例如波形设计。位于支撑基底(22)侧面(其与这里所述的层结构相对)上的在每种情况中是互连器(24),其在其中它承载在支撑基底(22)的区域中具有肋条结构(24a)。所述肋条结构的纵向在此是在图2a和图2b横截面平面中延伸的。互连器(24)延伸超过所述电化学电池单元(21)的区域和在它的外边缘处承载在限界所述电化学电池单元的框架面板(25)上。限界性框架面板(25)是经由限界性焊接连接以气密性方式接合到所述电化学电池单元(21)的内边缘处,并且以气密性方式接合到互连器(24)的外边缘处。框架面板(25)和互连器(24)因此形成了金属的气密性外壳的部分,其与所述电化学电池单元(21)限界了气密性工艺气体空间(26)。工艺气体传导空间(27)是工艺气体空间(26)的子空间,并且在所述电化学电池单元(21)的区域之外的区域中延伸,并且在所述电化学电池单元(21)的方向上敞开。在工艺气体传导空间的区域中存在着在所述外壳中形成的气体通道开口(28)(框架面板和互连器),用于供给和/或除去工艺气体(图2a和图2b未示出,因为所述截面取自气体通道开口的侧面)。所述模制件的外壳(28)和气体通道开口(11)中的气体通道开口是彼此对齐的。气体在堆叠体内的传导是在垂直方向(堆叠体(B)的堆叠方向上)依靠相应的通道结构来进行的,其是在气体通道开口的区域中通常依靠分开的镶嵌物(29),密封条以及通过受控地施用密封剂(例如玻璃焊料)来形成的。所述通道结构因此在垂直方向上密封连接了相邻的电化学模块的工艺气体传导空间。
[0070] 虽然图2a显示了没有模制件的现有技术,但是图2b和图2c显示了根据图1a的模制件在电化学模块(20)的工艺气体传导空间(27)内的排列。应当注意的是在图2c中,与图2a和图2b的模块相比,所述电化学模块是在它的头部转向显示的,来用于更好地看到通道(12)。所述模制件的形状适于工艺气体传导空间的内部。所述模制件通过它的顶侧靠着框架面板(25)负载,其是工艺气体传导空间的上边界,并且通过它的底侧靠着互连器(24)负载,其是工艺气体传导空间的下边界。在它的顶侧和/或在它的底侧在每种情况中平坦接触是有利的。它的厚度因此对应于工艺气体传导空间(27)的空间内部高度。浅表形成的通道(12)位于所述模制件(10)的下侧(在图2c中,所述模制件是在它的头部转向显示的)。同样在工艺气体传导空间中的气体导向功能方面,所述模制件具有重要的机械功能。它用于沿着堆叠体(B)的堆叠方向支撑所述外壳,来防止当施加压挤压力时所述外壳边缘区域中的压缩。此外,因为所述模制件的平坦构造,可以决定性增加所述外壳边缘区域(其由薄的框架面板(25)和薄的互连器(24)组成)的挠曲和扭曲刚度,和因此降低焊缝在机械负荷作用下断裂的风险。在一种有利的变体实施方案中,所述模制件点焊在所述外壳上和因此固定。用于供给和除去工艺气体的模制件(10,10‘)优选是不同的。它们的性能(材料、形状、多孔性、通道结构的几何形状等)可以彼此独立地优化来用于它们的目标用途。
[0071] 图3a以示意性透视图和图3b以平面图显示了另一变体实施方案的模制件。在这种变体实施方案中,模制件的单个气体通道开口(11)是通过另外的通道彼此连通的。这种通道结构构成了另外的气体平衡。
权利要求:1.一种用于电化学模块(20)的多孔的模制件(10,10‘;10“)或者至少分段多孔的模制件(10,10‘;10“),其中所述电化学模块(20)具有:
至少一个电化学电池单元(21),所述电化学电池单元(21)具有带有至少一个电化学活性层的层结构(23),和
金属的气密性外壳(24;25),所述气密性外壳(24;25)与所述电化学电池单元形成气密性工艺气体空间(26),
其中在至少一侧上所述外壳(24;25)延伸超过所述电化学电池单元(21)的区域,并形成开放到所述电化学电池单元的工艺气体传导空间(27),并且在所述工艺气体传导空间(27)的区域中具有至少一个气体通道开口(28),用于供给和/或除去所述工艺气体,
其特征在于,所述模制件(10,10‘;10“)被设计为与所述电化学电池单元(21)的独立的部件,并且适于排列在所述工艺气体传导空间(27)内以及用于在两侧上沿着所述电化学模块的堆叠方向(B)支撑所述外壳。
2.根据权利要求1所述的模制件,其特征在于,所述模制件(10,10‘;10“)具有至少一个气体通道开口(11)。
3.根据权利要求2所述的模制件,其特征在于,所述模制件(10,10‘;10“)在从所述气体通道开口(11)直到所述模制件侧边的主范围的平面内的至少一个方向上是透气性的。
4.根据权利要求3所述的模制件,其特征在于,所述透气性通过所述模制件的开孔结构产生。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的模制件,其特征在于,所述模制件(10,10‘;10“)具有沿着主范围平面的至少一个通道(12)。
6.根据权利要求5所述的模制件,其特征在于,所述通道或多个通道(12)从所述气体通道开口(11)连续延伸直到所述侧边。
7.根据权利要求5或6所述的模制件,其特征在于,所述通道或多个通道(12)从所述气体通道开口区域中的气体通道开口径向或者基本上径向向外延伸。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的模制件,其特征在于,所述通道(12)是彼此平行或者基本上平行敞开进入所述侧边中。
9.根据权利要求5-8中任一项的模制件,其特征在于,在多个通道的情况中,所述通道或多个通道的横截面积与通道长度成比例增加。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的模制件,其特征在于,所述通道(12)在所述模制件整个厚度至少分段延伸。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的模制件,其特征在于,所述模制件(10,10‘;10“)由通过粉末冶金法生产和基于铁和/或铬的铁素体合金形成。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的模制件在电化学模块(20)中的用途,其中所述模制件排列在所述工艺气体传导空间(27)内。
13.一种电化学模块(20),其具有:
基本上板型的电化学电池单元(21),所述电池单元(21)具有:带有至少一个电化学活性层的层结构(23),和
金属的气密性外壳(24;25),所述气密性外壳与所述电化学电池单元(21)形成气密性工艺气体空间(26),其中所述外壳(24;25)在至少一侧上延伸超过所述电化学电池单元(21)的区域,所述外壳(24;25)在这种情况中形成向所述电化学电池单元敞开的工艺气体传导空间(27),并且在所述工艺气体传导空间(27)的区域中具有至少一个气体通道开口(28),来用于供给和/或除去所述工艺气体,
其特征在于,在所述工艺气体传导空间(27)内,在所述气体通道开口的区域中排列着至少一个根据权利要求1-11中任一项所述的模制件(10,10‘;10“),所述模制件(10,10‘;10“)用于沿着所述电化学模块(20)的堆叠方向(B)支撑所述外壳。
14.根据权利要求13所述的电化学模块,其特征在于,所述层结构(23)排列在基本上板型的金属的支撑基底(22)的背对所述工艺气体空间的第一侧上,所述支撑基底(22)至少在所述层结构区域中是多孔的。
15.根据权利要求14所述的电化学模块,其特征在于,所述气密性外壳(24;25)由界定所述支撑基底的至少一个框架面板(25)和互连器(24)形成,其中所述限界性框架面板(25)在它的内边缘处气密性接合到所述电化学电池单元(21),并且在外边缘处经由限界性焊接的连接来气密性接合到所述互连器(24)。
公开号:CN110603676
申请号:CN201880017883.3A
发明人:克里斯汀·比纳特 沃尔夫冈·沙夫鲍尔 马尔科·布兰德纳
申请人:普兰西股份有限公司
申请日:2018-02-22
公开日:2019-12-20
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