WO2026077889A1 - Verfahren zur herstellung eines elektrochemischen zellenelements, elektrochemisches zellenelements, elektrochemische zellenvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements (10), aufweisend eine elektrochemische Zelle (14), insbesondere Elektrolysezelle (14), sowie einen Interkonnektor (24), wobei die Elektrolysezelle (14) wenigstens drei Funktionsschichten (26) sowie ein metallisches Zellsubstrat (22) aufweist, wobei der Interkonnektor (24) Erhebungen (16) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass der Interkonnektor (24) mit einer Mehrzahl von Mikroschweißverbindung (34) mit dem Zellsubstrat (22) verbunden wird, wobei eine Mikroschweißverbindung (34) jeweils an einer Erhebung (16) angeordnet wird.

Description

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Beschreibung

Titel

Verfahren zur eines elektrochemischen Zellenelements elektrochemisches Zellenelements, elektrochemische

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein solches elektrochemisches Zellenelement sowie eine elektrochemische Zellenvorrichtung mit einem solchen elektrochemischen Zellenelement.

Stand der Technik

Metallgetragene Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) und Festoxid- Elektrolysezellen (SOEC) gelten als vielversprechende Technologien für eine effiziente und saubere Energieumwandlung. Ein zentrales Element dieser Zellen sind die Interkonnektoren, welche den elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Zellen herstellen und gleichzeitig als mechanische Stütze dienen.

Herkömmliche Interkonnektoren werden oft aus metallischen Werkstoffen gefertigt und mit den Zellen durch verschiedene Verfahren verbunden, typischerweise durch Pressverbindungen. Diese Verfahren weisen jedoch einige Nachteile auf. So führen die hohen Temperaturen im Betrieb der Zellen und die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien oft zu mechanischen Spannungen und einer Degradation der Kontaktstellen. Oxidation an den Kontaktstellen führt insbesondere zu einem erhöhten elektrischen Widerstand, insbesondere hat diese Art der Verbindung eine Verschlechterung der Leistung und Lebensdauer der Zellen zur Folge.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Verbindungstechniken ist der relativ große Flächenbedarf der Kontaktstellen. Dies limitiert die Miniaturisierung der Zellen R. 413598

- 2 - und die Steigerung der Leistungsdichte von Brennstoffzellen- und Elektrolysestacks.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements mit einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, sowie einem Interkonnektor. Die Elektrolysezelle weist wenigstens drei Funktionsschichten sowie ein metallisches Zellsubstrat auf. Der Interkonnektor weist Erhebungen auf. Erfindungsgemäß wird der Interkonnektor mit einer Mehrzahl von Mikroschweißverbindungen mit dem Zellsubstrat verbunden, wobei eine Mikroschweißverbindung jeweils an einer Erhebung angeordnet wird.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Erzeugung einer festen, stoffschlüssigen und damit dauerhaften Verbindung zwischen Interkonnektor und Zellsubstrat. Durch die Mikroschweißverbindungen an den Erhebungen wird eine definierte Kontaktierung erreicht, die einen geringen elektrischen Widerstand gewährleistet und gleichzeitig die elektrochemisch aktiven Flächen der Zelle nicht negativ beeinflusst.

Unter einer elektrochemischen Zelle soll dabei insbesondere eine Anordnung verstanden werden, welche durch chemische Reaktionen eine nutzbare elektrische Energie bereitstellen oder zur chemischen Gewinnung bzw. Umsetzung von Stoffen durch Anlegen einer Anspannung vorgesehen sind. Eine elektrochemische Zelle weist wenigstens zwei oder mehr Funktionsschichten auf. Die Funktionsschichten umfassen wenigstens zwei Elektrodenschichten und eine Trennschicht bzw. Elektrolytschicht. Die Elektrodenschichten haben jeweils die Funktion eines Elektronenleiters und werden leitend mit der Trennschicht bzw. Elektrolytschicht verbunden. Auch wichtig für die Elektrodenschichten ist der lonentransport und eine katalytische Aktivität bzw. Sauerstoffaustausch- R. 413598

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Kapazität zwischen Elektrodenschicht und Gasphase. Die Trennschicht bzw. Elektrolytschicht hat insbesondere die Funktion eines lonenleiters, insbesondere von Sauerstoffionen. Weiterhin ist die Trennschicht bzw. Elektrolytschicht für die Trennung der zwei Gasräume vorgesehen, beispielsweise die Trennung zwischen Luft und Brenngas in einer Brennstoffzelle.

Insbesondere soll unter einer elektrochemischen Zelle eine Brennstoffzelle oder eine Elektrolysezelle verstanden werden. Unter einer Brennstoffzelle oder einer Elektrolysezelle soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzellensystems, und/oder einer Elektrolysezellenvorrichtung, insbesondere eines Hochtemperaturelektrolyseurs, verstanden werden. Insbesondere kann die elektrochemische Zelle auch die gesamte Brennstoffzelle, insbesondere die gesamte Festoxidbrennstoffzelle, den gesamten Elektrolyseur, insbesondere den gesamten

Hochtemperaturelektrolyseur, einen Stack aus mehreren aufeinandergestapelten Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezellen umfassen.

Vorzugsweise ist die elektrochemische Zelle dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem elektrochemischen Verbrennungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Alternativ oder zusätzlich ist die elektrochemische Zelle dazu vorgesehen, in einem Trennungsprozess unter Zuführung elektrischer Energie ein Fluid in zumindest zwei Bestandteile zu zerteilen. 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.

Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle zumindest drei Funktionsschichten. Vorzugsweise soll unter einer Funktionsschicht R. 413598

- 4 - insbesondere eine Schicht verstanden werden, die unmittelbar an dem mittels der elektrochemischen Zelle durchgeführten elektrochemischen Umsetzungsprozess und/oder dem Trennungsprozess beteiligt ist. Insbesondere sind vorzugsweise zwei der Funktionsschichten als Elektrodenschicht ausgebildet, insbesondere zu einer Verwendung als Kathode und/oder Anode. Vorzugsweise ist zumindest eine Elektrodenschicht als Oxidanselektrode bzw. Luftelektrode, 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 Elektrolytschicht ausgebildet. Vorzugsweise wird zumindest eine Trennschicht an zumindest einer Elektrodenschicht, insbesondere zwischen zwei Elektrodenschichten, angeordnet.

Ein Zellsubstrat kann insbesondere ein gesintertes oder ungesintertes metallisches oder metall-keramisches Substrat aufweisen. Es ist auch möglich, dass das Zellsubstrat ein gesintertes oder ungesintertes pulvermetallisches Substrat aufweist. Es ist auch denkbar, dass das Zellsubstrat zumindest abschnittsweise ein Metall aufweist, beispielsweise kann das Zellsubstrat ein Blech mit gebohrten, geätzten und/oder gestanzten Löchern, und/oder ein Streckmetall, Schaum, Netz/Gewebe oder dergleichen aufweisen. Insbesondere kann das Zellsubstrat stark porös bzw. großporig ausgebildet sein und/oder Öffnungen aufweisen, beispielsweise kann das Zellsubstrat Netze, gebohrte oder geätzte Löcher oder dergleichen aufweisen. Vorteilhaft ist das Zellsubstrat vollständig aus Metall ausgebildet.

Das elektrochemische Zellenelement aus elektrochemischer Zelle und Interkonnektor ist die kleinste Einheit, aus der elektrochemische Zelleneinheiten - oder kurz elektrochemische Stacks - zusammengebaut werden. Dazu wird eine Vielzahl von elektrochemische Zellenelementen übereinander gestapelt. Das elektrochemische Zellenelement wird daher manchmal auch als Repeating Unit bezeichnet. R. 413598

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Unter einer elektrochemischen Zelleneinheit oder kurz Stack soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellenelementen verstanden werden. Typischerweise sind die elektrochemischen Zellenelemente in einem Stack aufeinander gestappelt angeordnet. Die elektrochemische Zellenelemente weisen als elektrochemische Zelle ein typischerweise plattenförmiges Zellsubstrat - welches manchmal auch als Träger oder Support bezeichnet wird - auf, auf welchem die Funktionsschichten angeordnet sind, sowie einen plattenförmigen Interkonnektor, welcher die Erhebungen aufweist, wobei im Stack der Interkonnektor zwischen dem Zellsubstrat und einem weiteren Zellsubstrat des benachbarten Zellenelements angeordnet ist. Der Interkonnektor stellt mittels der Erhebungen eine elektrische Kontaktierung des benachbarten Zellenelements her. Weiterhin werden durch den Interkonnektor jeweils zwischen dem Zellsubstrat des Zellenelements und einem weiteren Zellsubstrat des benachbarten Zellenelements durch die Erhebungen ein Abstand und damit durchströmbarere Raum geschaffen. Auf diese Weise wird die Versorgung der elektrochemischen Zellen bzw. der auf ihnen angeordneten Funktionsschichten mit Fluiden ermöglicht. Vorteilhaft sind die Zellenelements elektrisch in Reihe miteinander verschaltet. Es ist auch denkbar, dass die Zelleneinheiten miteinander elektrisch parallel verschaltet sind. Die Zellen können im Stack vorteilhaft auf einer gemeinsamen Chassis bzw. einem gemeinsamen Träger oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Beispiele für Stacks sind Brennstoffzelleneinheiten oder Elektrolysezelleneinheiten.

Typischerweise sind elektrochemische Zellen eben bzw. planar ausgebildet. Der Stack ist vorteilhaft so ausgebildet, dass zwischen den einzelnen Zellen die für die elektrochemische Umsetzung notwendigen Fluide führbar sind. Vorteilhaft sind die Erhebung eines Zellenelements derart angeordnet, dass zwischen den Erhebungen ein durchströmbarer Raum bzw. Bereich ausgebildet ist. Insbesondere können die Erhebungen derart auf dem Interkonnektor angeordnet sein, dass in einem montierten Zustand, in welchem die Erhebungen ein benachbartes Zellenelements kontaktieren, zwischen dem Interkonnektor und dem Zellsubstrat eines Zellenelement ein erster durchströmbarer Raum bzw. R. 413598

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Bereich ausgebildet wird und zwischen dem Interkonnektor und dem Zellsubstrat des benachbarten Zellenelements einen zweiten durchströmbaren Raum bzw. Bereich ausbilden. Der Interkonnektor trennt den ersten Raum fluidisch vom zweiten Raum. Auf diese Weise können die elektrochemischen Zellen der elektrochemischen Zelleneinheit mit jeweils unterschiedlichen Fluiden versorgt werden, insbesondere können die beiden unterschiedlichen Elektrodenschichten mit unterschiedlichen Fluiden versorgt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Interkonnektor auf der Seite des ersten Raums einer Brennstoffelektrode des eigenen Zellenelements zugewandt ist und auf der Seite des zweiten Raums der Luftelektrode des benachbarten Zellenelement. Insbesondere kann der erste Raum zur Versorgung mit Brennstoff und der zweite Raum zur Versorgung mit Luft verwendet werden.

Vorteilhaft sind die Erhebung auf einer Zelle regelmäßig verteilt angeordnet, insbesondere in sich wiederholenden Abschnitten bzw. Segmenten. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Erhebungen auf einer Zelle an den Gitterpunkten eines gedachten regelmäßigen Gitters angeordnet sind.

Unter einer Mikroschweißverbindung soll im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere eine stoffschlüssige, elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Zellsubstrat einer elektrochemischen Zelle und einem Interkonnektor verstanden werden, die durch einen lokalen Schweißprozess mit mikroskopischen Abmessungen erzeugt wird. Die Mikroschweißverbindung zeichnet sich durch einen geringen Durchmesser im Vergleich zur Dicke des Zellsubstrats aus, typischerweise im Bereich von 10 pm bis 300 pm, und entsteht durch das lokale Aufschmelzen des Materials an der Verbindungsstelle zwischen Zellsubstrat und Interkonnektor. Im Gegensatz zu großflächigen Schweißverbindungen, die beispielsweise bei der Herstellung von Bipolarplatten üblich sind, ermöglicht die Mikroschweißverbindung eine präzise Kontaktierung an definierten Stellen und minimiert gleichzeitig die Beeinträchtigung der elektrochemisch aktiven Flächen der Zelle. R. 413598

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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens möglich.

Das Verfahren wird weiter verbessert durch die Mikroschweißverbindung jeweils einen Durchmesser zwischen 2 % und 40 % einer Dicke des Zellsubstrats, bevorzugt zwischen 4 % und 20 %, besonders bevorzugt zwischen 6 % und 10 % beträgt. Durch diese Begrenzung des Durchmessers der Mikroschweißverbindung im Verhältnis zur Dicke des Zellsubstrats wird sichergestellt, dass die Schweißverbindungen klein genug sind, um die elektrochemisch aktiven Flächen der Zelle nicht zu stark zu beeinträchtigen. Gleichzeitig wird durch die Wahl eines Mindestdurchmessers eine ausreichende mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit der Verbindung gewährleistet.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Mikroschweißverbindung jeweils einen Durchmesser zwischen 10 pm und 300 pm, bevorzugt zwischen 20 pm und 200 pm, besonders bevorzugt zwischen 50 pm und 100 pm aufweisen. Die Einhaltung dieses Bereichs für den Durchmesser der Mikroschweißverbindungen stellt sicher, dass diese klein genug sind, um die elektrochemisch aktiven Flächen der Zelle nicht zu beeinflussen, aber gleichzeitig groß genug, um eine ausreichende mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Herstellung der Mikroschweißverbindungen durch Widerstandsschweißen erfolgt. Widerstandsschweißen ist ein zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren, das sich für die Herstellung der Mikroschweißverbindungen eignet. Es ermöglicht eine präzise Kontrolle der Schweißparameter und führt zu robusten Verbindungen. In Varianten ist auch die Verwendung von Ultraschallschweißen und Laserschweißen denkbar. Beim Widerstands- oder Ultraschallschweißen werden typischer weise Schweißlinsen mit etwa 10 pm bis 100 pm in beiden Blechen erzeugt. Beim Laserschweißen wird der Interkonnektor durchgeschweißt und das Zellsubstrat mit einer Schweißlinse von etwa 50-pm bis 200 pm aufgeschmolzen. R. 413598

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Es ist auch von Vorteil, wenn die Mikroschweißverbindungen in einem Abstand von 1 mm bis 15 mm zueinander angeordnet sind, bevorzugt zwischen 2 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 5 mm. Durch die Wahl eines geeigneten Abstands zwischen den Mikroschweißverbindungen wird ein Kompromiss zwischen einem Herstellungsaufwand und einem ausreichend geringen ohmschen Widerstand sowie mechanischer Stabilität des Zellenelements erreicht.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Mikroschweißverbindungen linienförmig ausgebildet sind. Linienförmige Mikroschweißverbindungen bieten gegenüber punktförmigen Verbindungen den Vorteil einer größeren Kontaktfläche bei gleichem Durchmesser. Dies führt zu einem geringeren Kontaktwiderstand und verbessert die Stromübertragung zwischen Interkonnektor und Zellsubstrat.

Es ist auch von Vorteil, wenn die Erhebungen kanalförmig ausgebildet sind. Kanalförmige Erhebungen bieten den Vorteil einer vergrößerten Oberfläche, was die Anbindung des Interkonnektors an das Zellsubstrat verbessert und gleichzeitig den Strömungswiderstand für die Reaktanten reduziert. Kanalförmige Erhebung können vorteilhaft mit linienförmigen Mikroschweißverbindungen kombiniert werden, welche sich entlang der kanalförmigen Erhebung erstrecken.

Unter einer kanalförmigen Erhebung soll im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere eine dreidimensionale Oberflächenstruktur auf einem Interkonnektor verstanden werden, die eine längliche, rinnenartige Form aufweist und von zwei gegenüberliegenden, erhöhten Rändern begrenzt wird. Im Gegensatz zu einer einfachen, punktförmigen Erhebung bietet die kanalförmige Erhebung eine vergrößerte Kontaktfläche zum Zellsubstrat und ermöglicht somit eine stabilere und großflächigere Verbindung zwischen Interkonnektor und Zelle. Durch die längliche Formgebung der Erhebung wird zudem der Strömungswiderstand für die Reaktanten in der elektrochemischen Zelle reduziert, was sich positiv auf die Leistung und Effizienz der Zelle auswirkt. Die kanalförmige Erhebung kann sich insbesondere linear erstrecken. R. 413598

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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Zellsubstrat und/oder der Interkonnektor Vorsprünge aufweist, die jeweils als definierte Kontaktstellen zur Herstellung der Mikroschweißverbindungen vorgesehen sind. Durch die Verwendung von Vorsprüngen als definierte Kontaktstellen wird die Positionierung der Mikroschweißverbindungen vereinfacht und eine gleichmäßige Kontaktierung des Zellsubstrats sichergestellt. Dies trägt zu einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit und mechanischen Stabilität bei.

Unter einem Vorsprung soll im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere eine lokal begrenzte Erhöhung auf der Oberfläche des Zellsubstrats oder des Interkonnektors verstanden werden, die dazu dient, als definierte Kontaktstelle für die Herstellung der Mikroschweißverbindungen zu dienen. Diese Vorsprünge zeichnen sich durch eine im Vergleich zur umgebenden Oberfläche größere Höhe aus und können sowohl geometrisch regelmäßig als auch unregelmäßig über die Oberfläche verteilt sein. Durch die gezielte Platzierung von Vorsprüngen auf dem Zellsubstrat und/oder dem Interkonnektor wird die Positionierung der Mikroschweißverbindungen während des Fügeprozesses erleichtert und eine gleichmäßige Kontaktierung der beiden Komponenten sichergestellt. Die Form der Vorsprünge kann dabei an die jeweilige Geometrie des Interkonnektors und die Anforderungen an die Strom Übertragung angepasst werden. Im Kontext der vorliegenden Erfindung bieten sich insbesondere kleine, punktförmige Vorsprünge an, die auf den Erhebungen des Interkonnektors angeordnet sind, welche manchmal auch als Dimple bezeichnet werden. Insbesondere in Kombination mit Widerstandsschweißen bieten die Vorsprünge den Vorteil, dass diese bei der Herstellung der Zelleneinheit eine definierte elektrische Kontaktstelle zwischen dem Zellsubstrat und dem Interkonnektor herstellen, an welcher beim Widerstandsschweißen die Mikroschweißverbindung entsteht.

Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin ein elektrochemisches Zellenelement mit einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, sowie einem Interkonnektor. Die Elektrolysezelle weist wenigstens drei Funktionsschichten sowie ein metallisches Zellsubstrat auf. Der Interkonnektor R. 413598

- 10 - weist Erhebungen auf. Erfindungsgemäß ist der Interkonnektor mit einer Mehrzahl von Mikroschweißverbindungen mit dem Zellsubstrat verbunden, wobei eine Mikroschweißverbindung jeweils an einer Erhebung angeordnet ist. Vorteilhaft wird das elektrochemische Zellenelement mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.

Das elektrochemische zeichnet sich durch eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung zwischen Interkonnektor und Zellsubstrat aus. Die Mikroschweißverbindungen gewährleisten einen geringen elektrischen Widerstand und somit eine effiziente Stromübertragung.

Die vorliegende Erfindung beschreibt weiterhin eine elektrochemische Zellenvorrichtung mit einer elektrochemischen Zelleneinheit mit wenigstens einem elektrochemischen Zellenelement gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die elektrochemische Zellenvorrichtung profitiert von den Vorteilen der erfindungsgemäßen Zellenelemente und zeichnet sich durch eine verbesserte Leistung, Effizienz und Lebensdauer aus. Die zuverlässige Kontaktierung der Zellenelemente mithilfe der Mikroschweißverbindungen trägt maßgeblich zu diesen Verbesserungen bei.

Unter einer Zellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zur elektrochemischen Umsetzung von wenigstens zwei Fluiden vorgesehen ist. Die Zellenvorrichtung weist dabei eine Zelleneinheit auf, welche die zwei Fluide elektrochemisch umsetzt sowie Komponenten, welche die Zelleneinheit elektrisch versorgen, also elektrische Energie ab- und/oder zuführen, sowie Komponenten, welche die Zelleneinheit mit den zwei Fluiden versorgen. Die Versorgungen kann dabei aktiv - beispielsweise durch Zuleitungen, Pumpen, Fluidreservoirs etc. - oder passiv - etwa mit Umgebungsluft als Fluid - ohne aktiven Transport erfolgen. Vorteilhaft weist die Zellenvorrichtung auch Komponenten zum Abtransport und/oder Wiederverwertung von den umgesetzten Fluiden. Vorteilhaft weist die Zellenvorrichtung auch Komponenten für den Wärmetransport auf, insbesondere R. 413598

- 11 - zur Temperaturregelung der Zelleneinheit, beispielsweise zur Nutzung von Abwärme. Beispiele für Zellenvorrichtungen sind Brennstoffzellenvorrichtungen oder Elektrolysevorrichtungen.

Von Vorteil ist auch eine Elektrolysezellenvorrichtung zur Gewinnung von Brennstoff aus wenigstens einem Grundstoff und elektrischem Strom - insbesondere Wasserstoff aus elektrischem Strom und Wasser - aufweisend wenigstens einen Elektrolysezellenstack, eine Grundstoffzuführung - insbesondere Wasserzuführung, weiter aufweisend eine Anodenabgasführung und Kathodenabgasführung sowie eine Steuerelektronik und Leistungselektronik, wobei der Elektrolysezellenstack als elektrochemischer Stack mit elektrochemischen Zelleneinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist bzw. elektrochemische Zelleneinheiten hergestellt mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Aufgrund der Verwendung eines solchen Elektrolysezellestacks mit ihren oben genannten Vorteilen kann diese mit hoher Zuverlässigkeit und Leistung betrieben werden. Das ermöglicht einen effizienten Betrieb der Elektrolysezellenvorrichtung.

Zusätzlich ist aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der Elektrolysezellen ein besonders sicherer und zuverlässiger Betrieb möglich.

Unter einer Elektrolysezellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zur Gewinnung von Brennstoff aus wenigstens einem Grundstoff und elektrischen Strom - insbesondere Wasserstoff aus elektrischem Strom und Wasser - durch Elektrolyse vorgesehen ist. Die Elektrolysezellenvorrichtung weist dazu eine Elektrolyseeinheit auf, welche wenigstens einen Elektrolysestack aufweist. Die Elektrolyseeinheit wird mit einem Medium als Grundstoff - beispielsweise Wasser - und vorteilhaft dem Hilfsmedium versorgt. Das Medium wird in der Elektrolyseeinheit unter Zuführung von elektrischer Energie in einer Redoxreaktion reduziert, wobei auch Sauerstoff entsteht. Insbesondere erzeugt die Elektrolyseeinheit ein Produktgas, welches das reduzierte Medium aufweist, und ein Abgas, welches den Sauerstoff aufweist. Das reduzierte Medium wird aus der Elektrolyseeinheit abgeführt und stellt den Brennstoff dar, beispielsweise Wasserstoff. Entsprechend weist die R. 413598

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Elektrolysezellenvorrichtung Komponenten und Leitungen auf, um der Elektrolyseeinheit das Medium und den Brennstoff zuzuführen, die elektrische Energie bereitzustellen, sowie um das reduzierte Medium und das Abgas von der Elektrolyseeinheit abzuführen und ggf. zu speichern. Weiterhin weist die Elektrolysezellenvorrichtung Komponenten und Leitungen auf, um die jeweiligen Fluide auf die für die Elektrolyse notwendigen Temperaturen zu bringen bzw. um die in der Elektrolyseeinheit entstehende Abwärme zu verarbeiten. Unter einem Hilfsmedium soll insbesondere ein ausreichend inertes Gas verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, den Sauerstoff aus der Elektrolyseeinheit auszutreiben. Vorteilhaft ist das Hilfsmedium auch dazu vorgesehen, die Elektrolyseeinheit aufzuheizen oder abzukühlen. Mögliche Hilfsmedien sind beispielsweise Luft, CO2 oder N2, typischerweise wird Luft eingesetzt.

Von Vorteil ist auch eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Gewinnung von elektrischem Strom aus einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff und/oder Erdgas, und Luft, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstack, eine Brennstoffzuführung, eine Luftzuführung, eine Anodenabgasführung und Kathodenabgasführung sowie eine Steuerelektronik und Leistungselektronik, wobei der Brennstoffzellenstack elektrochemische Zelleneinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist bzw. elektrochemische Zelleneinheiten hergestellt mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Aufgrund der Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks mit seinen oben genannten Vorteilen kann diese mit einer hohen Zuverlässigkeit und Leistung betrieben werden. Aufgrund der hohen Belastbarkeit ist zudem ein hoher Modulationsbereich der gelieferten Leistung möglich. Das ermöglicht einen flexiblen Betrieb, der auch einen sich ändernden Leistungsbedarf zuverlässig decken kann. Zusätzlich ist aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der Brennstoffzellen ein besonders sicherer Betrieb möglich.

Unter einer Brennstoffzellenvorrichtung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche insbesondere einen, insbesondere funktionstüchtigen, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems oder das gesamte R. 413598

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Brennstoffzellensystem ausbildet. Unter einem Brennstoffzellensystem soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden.

Ein Brennstoffzellensystem weist einen oder eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstacks auf. Typischerweise weist ein Brennstoffzellensystem Komponenten und Leitungen auf, welche dazu vorgesehen sind, dem Brennstoffzellenstack Brennstoff und Luft zuzuführen. Weiterhin weist ein Brennstoffzellensystem Komponenten und Leitungen auf, um von dem Brennstoffzellenstack Abgase abzuführen. Vorteilhaft weisen Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationskreis auf, aufweisend Komponenten und Leitungen, welcher dazu vorgesehen ist, nicht umgesetzten Brennstoff und/oder nicht umgesetzte Luft in den Brennstoffzellenstack zurückzuführen. Insgesamt weist ein Brennstoffzellensystem wenigstens eine oder eine Mehrzahl von Gebläsen auf, welche dazu vorgesehen sind, ein Fluid, insbesondere ein gasförmiges Fluid zu befördern. Das Fluid kann insbesondere ein Brennstoff, eine Luft, ein Abgas oder eine Kombination der vorne genannten sein. Die Gebläse können insbesondere Gebläse einer Luftzuführung sein, Gebläse einer Brennstoffzuführung, ein Gebläse einer Abgasabführung und/oder ein Gebläse eines Rezirkulationskreises sein. Vorteilhaft weist das Brennstoffzellensystem einen oder mehrere Wärmetauscher auf, insbesondere um Wärme des Abgases bzw. insbesondere des Anodenabgases und Kathodenabgases der Brennstoffzelleneinheit wieder zuzuführen, insbesondere der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Fluiden - insbesondere Luft, Brennstoff und/oder Rezirkulat - zuzuführen. Vorliegend werden die Begriffe Wärmetauscher und Wärmeübertrager synonym verwendet.

Zeichnungen

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements gemäß der vorliegenden Erfindung, des elektrochemische Zellenelements gemäß der vorliegenden Erfindung, einer R. 413598

- 14 - elektrochemischen Zelleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, sowie von elektrochemischen Zellenvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Elektrolysezellenstacks mit mehreren elektrochemischen Zellenelementen,

Figur 2A eine Explosionszeichnung eines elektrochemischen Zellenelements mit Interkonnektor, Zellsubstrat und Funktionsschichten,

Figur 2B eine vergrößerte Darstellung der Erhebungen des Interkonnektors aus Figur 2A,

Figur 3 eine Detailansicht einer Erhebung des Interkonnektors und deren Kontaktierung mit dem Zellsubstrat und den Funktionsschichten eines benachbarten Zellenelements,

Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines elektrochemischen Zellenelements mit detaillierter Darstellung der Schichtung der Funktionsschichten,

Figur 5A ein Schnitt durch einen Interkonnektor mit kanalförmigen Erhebungen und Vorsprüngen zur Kontaktierung mit dem Zellsubstrat,

Figur 5B ein weiterer Schnitt durch den Interkonnektor aus Figur 5A entlang einer Erhebung,

Figur 6 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements,

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Elektrolysezellenvorrichtung zur Wasserstoffgewinnung und R. 413598

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Figur 8 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung zur Stromgewinnung.

Beschreibung

In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer elektrochemischen Zelleneinheit 56, welche beispielhaft als Elektrolysezellenstack 54 ausgebildet ist. Zwischen einer ersten Endplatte 12a und einer zweiten Endplatte 12b ist eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellenelementen 10 zusammengepresst. Die elektrochemischen Zellenelemente 10 weisen jeweils eine elektrochemische Zelle 14, welche beispielhaft als Elektrolysezelle 14 ausgebildet ist, sowie einen Interkonnektor 24 auf. Jedes der elektrochemischen Zellenelemente 10 weist jeweils auf seinem Interkonnektor 24 eine Mehrzahl von Erhebungen 16 auf.

Beispielhaft erstrecken sich die Erhebungen 16 in Figur 1 jeweils nach unten und kontaktieren das darunter angeordnete elektrochemische Zellenelement 10 bzw. die elektrochemische Zelle 14 des darunter angeordneten elektrochemischen Zellenelements 10. Weiterhin kontaktiert der Interkonnektor 24 mit in Figur 1 nicht sichtbaren Erhebungen 16 auch die elektrochische Zelle 14 seines eigenen elektrochemischen Zellenelements 10, siehe Figur 3.

In der gezeigten Schnittdarstellung sind jeweils auf der linken und rechten Seite jedes elektrochemischen Zellenelements 10 jeweils Dichtungen 18 zugeordnet, welche entlang der Stapelrichtung der elektrochemischen Zellenelemente 10 Fluidkanäle ausbilden, welche durch Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff durchströmbar sind. Durch die Erhebungen 16 des Interkonnektors 24 werden zwischen zwei benachbarten elektrochemischen Zellen 14 durch den Interkonnektor jeweils zwei durchströmbare Zwischenräume 20 ausgebildet. Die beiden Zwischenräume 20 sind in den Figuren 3 und 4 detaillierter abgebildet. Diese Zwischenräume 20 sind fluidisch mit den Fluidkanälen verbunden. Auf diese Weise können die elektrochemischen Zellen 14 der elektrochemischen R. 413598

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Zellenelemente 10 mit Wasser und optional Luft versorgt werden und nach ihrer Umsetzung können Wasserstoff und Luft aus den Zellenelementen 10 abgeführt werden.

Figur 2 illustriert die Struktur eines elektrochemischen Zellenelements 10. In Figur 2A ist eine Explosionszeichnung eines ersten elektrochemischen Zellenelements 10 gezeigt. Das elektrochemische Zellenelement 10 weist eine elektrochemische Zelle 14 und einen Interkonnektor 24 auf, welche beispielsweise aus Edelstahl ausgebildet sind. Die elektrochemische Zelle 14 weist ein metallisches Zellsubstrat 22 auf, welches beispielsweise aus Edelstahl ausgebildet ist. Das Zellsubstrat 22 und der Interkonnektor 24 sind jeweils flächig ausgebildet und sind im fertig hergestellten Zustand aneinander geschweißt. Auf der vom Interkonnektor 24 abgewandten Seite des Zellsubstrats 22 sind die Funktionsschichten 26 der elektrochemischen Zelle 14 angeordnet. In der elektrochemischen Zelle 14 sind die Funktionsschichten 26 durch einen Beschichtungsprozess, beispielsweise Drucken und/oder Gasphasenabscheidung auf dem Zellsubstrat 22 aufgebracht. Die Funktionsschichten 26 weisen insbesondere eine Kathodenschicht, eine Anodenschichten und eine dazwischen angeordnete Trennschicht auf. Beispielsweise sind die Funktionsschichten 26 als Schichten einer SOEC ausgebildet. Auf der von dem Zellsubstrat 22 abgewandten Seite des Interkonnektors 24 sind zweite Funktionsschichten 26a einer zweiten elektrochemischen Zelle 14a eines benachbarten zweiten elektrochemischen Zellenelements angeordnet. Im montierten Zustand kontaktieren die Erhebungen 16 des ersten elektrochemischen Zellenelements 10 bzw. ihres Interkonnektors 24 die Funktionsschichten 26a des zweiten elektrochemischen Zellenelements 10a.

Weiterhin ist an der vom Interkonnektor 24 abgewandten Seite des Zellsubstrats 22 an den beiden Stirnseiten des ersten elektrochemischen Zellenelements 10 jeweils eine Dichtung 18 angeordnet. Das Zellsubstrat 22 und der Interkonnektor 24 weisen korrespondierende Durchlässe bzw. Löcher auf, so dass in der zusammengesetzten elektrochemischen Zelleneinheit 56 mit den R. 413598

- 17 - aufeinandergestapelten elektrochemischen Zellenelementen 10 auf den Stirnseiten jeweils ein sich in Stapelrichtung erstreckender Kanal zur Führung eines Fluids gebildet wird. Die Dichtungen 18 können jeweils sich in der Zellenebene erstreckende Kanäle aufweisen, welche einen Teil des Fluids in die Zellenebene bzw. auf die von vom Interkonnektor 24 abgewandten Seite des Zellsubstrats 22 leiten bzw. aus dieser ableiten können.

Figur 2B illustriert die Erhebungen 16 des ersten elektrochemischen Zellenelements 10. Figur 2B ist eine Vergrößerung des in Figur 2A mit B markierten Ausschnitts der Explosionszeichnung. Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Interkonnektor 24 in einem mit den Funktionsschichten 26, 26a kongruenten bzw. überdeckten Abschnitt bzw. Flächenbereich eine Vielzahl von Erhebungen 16 auf. Beispielhaft sind die Erhebungen 16 an den Ecken eines gedachten quadratischen Gitters angeordnet, wobei die gedachten Gitterlinien des gedachten Gitters entlang einer Längserstreckungsrichtung des elektrochemischen Zellenelements 10 ausgerichtet sind. Die Erhebungen 16 erstrecken sich aus der Zellenebene bzw. aus der Ebene des Interkonnektors 24 in Richtung der Funktionsschichten 26a der benachbarten zweiten elektrochemischen Zelle 14a.

Beispielhaft weist das Zellsubstrat 22 eine Vielzahl von Öffnungen bzw. Perforierungen 28 auf. Die Perforierungen 28 sind insbesondere dazu vorgesehen, ein zwischen dem Interkonnektor 24 und dem Zellsubstrat 22 strömendes Fluid strömungstechnisch mit den Funktionsschichten 26 der ersten elektrochemischen Zelle 14 zu verbinden. Insbesondere kann auf diese Weise die dem Zellsubstrat 22 zugewandte Elektrodenschicht der Funktionsschichten 24 mit Fluiden versorgt werden und Abgase von ihr entsorgt werden. Beispielhaft sind die Perforierungen 28 an den Ecken eines gedachten quadratischen Gitters angeordnet, wobei die gedachten Gitterlinien des gedachten Gitters entlang einer Längserstreckungsrichtung der elektrochemischen Zelle 14 ausgerichtet sind.

Figur 3 zeigt eine Detailansicht von einem Schnitt durch eine Variante einer Erhebung 16a. Die Erhebung 16a erstreckt sich aus dem elektrochemischen R. 413598

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Zellenelement 10 bzw. dem Interkonnektor 24 in Richtung der anliegenden Funktionsschichten 26a der benachbarten elektrochemischen Zelle 14a und hat beispielhaft die Form einer abgeflachten Kuppel, wobei ein abgeflachter Abschnitt 16c der Erhebung 16a die anliegenden Funktionsschichten 26a der benachbarten elektrochemischen Zelle 14a kontaktiert. Beispielhaft wird auf diese Weise zwischen dem Interkonnektor 24 und der anliegenden Funktionsschichten 26a der benachbarten elektrochemischen Zelle 14a ein erster Zwischenraum 20a ausgebildet, welcher von einem ersten Fluid durchströmbar ist. Zwischen dem Interkonnektor 24 und dem Zellsubstrat ein zweiter Zwischenraum 20b ausgebildet, welcher von einem zweiten Fluid durchströmbar ist. Der Interkonnektor 24 trennt den ersten Zwischenraum 20a fluidisch vom zweiten Zwischenraum 20b.

Beispielhaft weist der Interkonnektor 24 zwischen den Erhebungen 16a in Richtung des benachbarten elektrochemischen Zellenelements auch Erhebungen 16b auf, welche sich aus dem Interkonnektor 24 in Richtung des Zellsubstrats 22 des elektrochemischen Zellenelements erstrecken und dieses mit einem kreisförmigen, flachen Abschnitt kontaktieren. Der Interkonnektor 24 ist an den Erhebungen 16b mit Mikroschweißverbindungen 34 am Zellsubstrat angeschweißt. Beispielhaft sind die Erhebungen 16b auf den Diagonalen des gedachten Gitters angeordnet, an dessen Ecken die Erhebungen 16a angeordnet sind, insbesondere auf den Mittelpunkten zwischen zwei auf der Diagonalen benachbarten Erhebungen 16a. Auf diese Weise ist jede Erhebung 16a von vier Erhebungen 16b unmittelbar umgeben und umgekehrt ist jede Erhebung 16b von vier Erhebungen 16a unmittelbar umgeben. Im in Figur 3 gezeigten blockförmigen, auf eine Erhebung 16a zentrierten Ausschnitt ist daher von jeder der vier benachbarten Senken 16b jeweils ein Viertel einer Erhebung 16b enthalten. In der Schnittdarstellung durch die Hälfte des Blocks in Figur 3 sind daher zwei der geviertelten Erhebungen 16b zu sehen. Beispielhaft weisen die Erhebungen 16a bzw. die kuppelförmigen Abschnitte auf der an der Funktionsschichten 26a der benachbarten elektrochemischen Zelle 14a anliegenden Seite eine erste Beschichtung 32 auf. Die erste Beschichtung 32 ist beispielhaft aus einem porösen Material ausgebildet. R. 413598

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Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine weitere Variante eines elektrochemischen Zellenelements 10. Das gezeigte Zellenelement 10 ist mit einem Verfahren 100 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt, das Zellsubstrat 22 ist mit Mikroschweißverbindungen 34 an den Interkonnektor 24 befestigt Die Funktionsschichten 26 weisen eine erste Elektrodenschicht 36, eine Elektrolytschicht 38 und eine zweite Elektrodenschicht 40 auf. Beispielhaft ist die erste Elektrodenschicht 36 auf dem Zellsubstrat 22 angeordnet. Vorteilhaft ist die erste Elektrodenschicht 36 eine Brenngaselektrodenschicht. Bevorzugt weist die erste Elektrodenschicht 36 eine Mischung von Ni oder NiO mit dotiertem Ceroxid, z.B. Gd-dotiertes Ceroxid (CGO) oder Sm-dotiertes Ceroxid (SDC) auf. Vorteilhaft weist die erste Elektrodenschicht ein Cer-Nickel Cermet auf. Insbesondere kann die erste Elektrodenschicht 36 eine suspensionsbasierte Schicht sein. Auf diese Weise lassen sich vorteilhafte Schichtdicken besonders einfach und zuverlässig realisieren. Beispielsweise kann die erste Elektrodenschicht 36 mittels Siebdruck abgeschieden werden. Aber auch andere Prozesse, wie Tiefdruck, Flexodruck, Tampondruck, ein Sprühprozess, Foliengießen oder slot-die-coating coating bzw. Schlitzdüsen-Beschichtung sind für das Aufbringen der ersten Elektodenschicht denkbar.

Beispielhaft überdeckt die Elektrolytschicht 38 die erste Elektrodenschicht 36. Beispielhaft weist die Elektrolytschicht 38 CGO auf. Die Elektrolytschicht kann durch einen Sputterprozess oder eine andere Dünnschichtmethode abgeschieden werden, es ist aber auch denkbar, dass die Elektrolytschicht mittels Siebdruck aufgebracht wird. Aber auch andere Prozesse, wie Tiefdruck, Flexodruck, Tampondruck, ein Sprühprozess, Foliengießen oder slot-die-coating coating bzw. Schlitzdüsen-Beschichtung sind denkbar.

Auf der Elektrolytschicht 38 ist beispielhaft die zweite Elektrodenschicht 40 angeordnet. Vorteilhaft ist die zweite Elektrodenschicht 40 die Luftelektrode. Vorteilhaft wird die zweite Elektrodenschicht 40 mit einem suspensionsbasierten Prozess abgeschieden, insbesondere mit einem Druckprozess, beispielsweise Siebdruck. Die zweite Elektrodenschicht 40 kann beispielsweise Oxide mit R. 413598

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Perowskitstruktur aufweisen, beispielsweise La-Sr-Co-Oxid (LSC), La-Sr-Co-Fe- Oxid (LSCF), La-Sr-Mn-Oxid (LSM).

Das Zellsubstrat 22 ist beispielhaft aus einem Edelstahl ausgebildet und weist Perforierungen 28 auf, welche beispielhaft durch Laserbohren hergestellt wurden.

Der Interkonnektor 24 ist beispielhaft aus einem Edelstahl ausgebildet. Der Interkonnektor 24 weist Erhebungen 16 auf, welche beispielhaft kanalförmig ausgebildet sind. Im in Figur 4 gezeigten Querschnitt ist deutlich zu erkennen, dass die kanalförmigen Erhebungen 16 bzw. einen weitgehend dreieckigen Querschnitt haben. Die kanalförmigen Erhebungen 16 erstrecken sich in die Bildebene hinein bzw. aus ihr heraus, der Querschnitt der Erhebungen 16 ist entlang ihrer Längserstreckungsrichtung weitgehend unverändert. Wie deutlich zu erkennen ist, bilden die Erhebungen 16 zwischen dem Interkonnektor 24 und dem Zellsubstrat 22 den zweiten Zwischenraum 20b aus.

Beispielhaft weist der Interkonnektor 24 auf seiner dem Zellsubstrat 22 zugewandten Seite eine zweite Beschichtung 42 auf. Die zweite Beschichtung 42 ist zur Kontaktierung des Zellsubstrats 22 vorgesehen. Es ist denkbar, dass die zweite Beschichtung 42 dazu ausgebildet ist, den Interkonnektor 24 bzw. seinen metallischen Kern vor dem Einfluss von im Betrieb durch den zweiten Zwischenraum 20b strömenden Fluiden zu schützen.

Beispielhaft weist der Interkonnektor 24 auf seiner dem Zellsubstrat 22 abgewandten Seite die erste Beschichtung 32 auf. Die erste Beschichtung 32 ist zur Kontaktierung der Funktionsschichten 26 des benachbarten Zellenelements 10 vorgesehen, in der gezeigten Variante zur Kontaktierung der zweiten Elektrodenschicht 40 des benachbarten Zellenelements 10. Die erste Beschichtung 32 ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass ein guter elektrischer Kontakt mit der zweiten Elektrodenschicht 40 herstellbar ist. Vorteilhaft ist die erste Beschichtung 32 chemisch kompatibel zur zweiten Elektrodenschicht 40 ausgebildet in dem Sinne, dass es zu keinen chemischen Reaktionen bzw. R. 413598

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Wechselwirkungen zwischen der ersten Beschichtung 32 und der zweiten Elektrodenschicht 40 kommt Es ist weiterhin denkbar, dass die erste Beschichtung 32 dazu ausgebildet ist, den Interkonnektor 24 bzw. seinen metallischen Kern vor dem Einfluss von im Betrieb durch den ersten Zwischenraum 20a strömenden Fluiden zu schützen.

Es ist auch denkbar, dass die erste Beschichtung 32 und/oder die zweite Beschichtung 42 dazu vorgesehen sind, einen Kontaktwiderstand zu verringern und/oder die Verdampfung von Chrom zu verhindern oder zu reduzieren.

Insbesondere ist es denkbar, dass die erste Beschichtung 32 und/oder die zweite Beschichtung 42 ein Chromgetter-Material aufweisen. Unter einem Chromgetter- Material soll insbesondere in solches Material verstanden werden, welches mit flüchtigen Chromverbindungen zu stabilen Chromverbindungen reagiert, beispielsweise Barium oder Strontium. Das Chrom wird durch seine Bindung an die Chromgetter-Materialien fixiert.

Figur 5 zeigt eine weitere Variante des Interkonnektors vor dem Verbinden mit dem Zellsubstrat 22. Figur 5 A zeigt einen Schnitt durch den Interkonnektor 24 entlang der Erhebungen 16, beispielhaft sind drei Erhebungen 16 abgebildet. Figur 5 B zeigt einen Schnitt durch den Interkonnektor 24 entlang einer der Erhebungen 16. Wie deutlich zu erkennen ist, sind die Erhebungen 16 hier kanalförmig ausgebildet. Die Erhebung 16 erstreckt sich entlang der Bildebene von Figur 5 B. In Figur 5 A erstrecken sich die Erhebungen in die Bildebene hinein bzw. aus ihr heraus.

Wie deutlich zu erkennen ist, ist an jeder der Erhebungen 16 jeweils eine Mehrzahl von zentraler Vorsprünge 44 angeordnet, welche beispielhaft regelmäßig entlang der Längserstreckung der jeweilgen Erhebung verteilt sind. Beispielhaft haben die zueinander nächstliegenden Vorsprünge 44 einer Erhebung 16 von 7 mm.

Die Vorsprünge 44 erheben sich aus der Erhebung 16 heraus. Die Vorsprünge 44 sind dazu vorgesehen, beim Verfahren 100 einen definierten elektrischen R. 413598

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Kontakt zwischen de Zellsubstrat 22 und dem Interkonnektor 24 herzustellen. Dazu werden Zellsubstrat 22 und Interkonnektor 24 aneinander geführt, so dass die Vorsprünge 44 das Zellsubstrat 22 kontaktieren. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kontakt über die Vorsprünge 44 hergestellt. Beim Widerstandsschweißen strömt ein Strom durch die Vorsprünge 44 und an der Stelle der Vorsprünge entstehen die Mikroschweißverbindungen.

Figur 6 zeigt ein Verfahren 100 zur Herstellung des elektrochemischen Zellenelements 10. In einem ersten Schritt Slwird eine Elektrolysezelle 14 mit den gängigen Verfahren der SOC-Herstellung produziert. Dazu wird zunächst ein Zellsubstrat 22 aus Edelstahl bereitgestellt und werden Durchlässe bzw.

Perforierungen 28 in das Zellsubstrat mittels Laserbohren gebohrt. Anschließend werden die Funktionsschichten 26 beispielsweise mit einem Druckverfahren als Slicker auf das Zellsubstrat 22 aufgebracht und anschließend wird der Verbund aus Zellssubstrat 22 und Funktionsschichten 26 gesintert.

In einem weiteren Schritt S2 wird aus einem Edelstahlblech der Interkonnektor 24 hergestellt. Die Erhebungen 16 werden zusammen mit den Vorsprüngen 44 durch einen Stempel aufgeprägt.

In Schritt S3 werden der Interkonnektor 24 und das Zellsubstrat 22 miteinander verschweißt. Dazu wird der Interkonnektor 24 mit seinem Erhebungen 16 an das Zellsubstrat 22 auf die Seite des Zellsubstrat 22, welche nicht die Funktionsschichten 26 aufweist, herangeführt, so dass die Erhebungen 16 mit den Vorsprüngen 44 das Zellsubstrat 22 kontaktieren. Anschließend werden der Interkonnektor 24 und das Zellsubstrat 22 durch Widerstandsschweißen miteinander verbunden. Der durch die Erhebungen 16 bzw. Vorsprünge 44 strömende Strom schmiltzt den Stahl des Zellsubstrats 22 und des Interkonnektors 24 an den Kontaktpunkten auf, es entstehen Schweißlinsen von etwa 30 pm bis 40 pm Durchmesser im Zellsubstrat 22 und im Interkonnektor 24, welche die Mikroschweißverbindungen 34 darstellen. R. 413598

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Figur 7 zeigt als Beispiel für eine elektrochemische Zellenvorrichtung 50 eine Elektrolysezellenvorrichtung 52 zur Gewinnung von Wasserstoff aus elektrischem Strom und Wasser. Die Elektrolysezellenvorrichtung 52 weist einen Elektrolysezellenstack 54 auf, welcher wiederum eine Mehrzahl von übereinandergeschichteten elektrochemischen Zellenelementen 10 aufweist. Die elektrochemischen Zellenelemente 10 weisen als elektrochemische Zelle 14 jeweils eine Elektrolysezelle 14 auf. Der Elektrolysezellenstack 54 ist ein Beispiel für eine elektrochemische Zelleneinheit 56. Beispielhaft sind die Elektrolysezellen 14 als Hochtemperatur-SOEC ausgebildet. Der Elektrolysezellenstack 54 wird über eine Wasserzuführung 58 mit Wasser versorgt und über eine Leistungselektronik 60 mit elektrischem Strom.

Figur 8 zeigt ein weiteres Beispiel für eine elektrochemische Zellenvorrichtung 50, eine Brennstoffzellenvorrichtung 62 zur Gewinnung von elektrischem Strom aus Wasserstoff und Luft. Die Brennstoffzellenvorrichtung 62 weist beispielhaft einen Brennstoffzellenstack 64 auf, welcher eine Vielzahl von übereinandergeschichteten elektrochemischen Zellenelementen 10 aufweist. Die elektrochemischen Zellenelemente 10 weisen als elektrochemische Zelle 14 jeweils eine Brennstoffzelle auf. Der Brennstoffzellenstack 64 ist ein weiteres Beispiel für eine elektrochemische Zelleneinheit 56. Beispielhaft sind die Brennstoffzellen als Hochtemperatur-SOFC ausgebildet. Der Brennstoffzellenstack 64 wird über eine Brennstoffzuführung 66 mit Wasserstoff und über eine Luftzuführung 68 mit Luft versorgt. Der Wasserstoff und die Luft werden dabei mittels einer Steuerelektronik 70 dosiert, welche dazu entsprechende Ventile und Gebläse ansteuert. Die von dem Brennstoffzellenstack 64 abgegriffene Spannung wird über eine Leistungselektronik 60 einem Bedarf entsprechend umgewandelt.

Claims

R. 413598 - 24 - Ansprüche

1 . Verfahren (100) zur Herstellung eines elektrochemischen Zellenelements (10), aufweisend eine elektrochemische Zelle (14), insbesondere Elektrolysezelle (14), sowie einen Interkonnektor (24), wobei die Elektrolysezelle (14) wenigstens drei Funktionsschichten (26) sowie ein metallisches Zellsubstrat (22) aufweist, wobei der Interkonnektor (24) Erhebungen (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (24) mit einer Mehrzahl von Mikroschweißverbindung (34) mit dem Zellsubstrat (22) verbunden wird, wobei eine Mikroschweißverbindung (34) jeweils an einer Erhebung (16) angeordnet wird.

2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschweißverbindung (34) jeweils einen Durchmesser zwischen 2% und 40% einer Dicke des Zellsubstrats (22) beträgt, bevorzugt zwischen 4% und 20%, besonders bevorzugt zwischen 6% und 10%.

3. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschweißverbindung (34) jeweils einen Durchmesser zwischen 10 pm und 300 pm aufweisen, bevorzugt zwischen 20 pm und 200 pm, besonders bevorzugt zwischen 50 pm und 100 pm.

4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Mikroschweißverbindungen (34) durch Widerstandsschweißen erfolgt.

5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschweißverbindungen (34) in einem Abstand von 1 mm bis 15 mm zueinander angeordnet sind, bevorzugt zwischen 2 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 mm und 5 mm.

6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroschweißverbindungen (34) linienförmig ausgebildet R. 413598

- 25 - sind.

7. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (16) kanalförmig ausgebildet sind.

8. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellsubstrat (22) und/oder der Interkonnektor (24 Vorsprünge (44) aufweist, die jeweils als definierte Kontaktstellen zur Herstellung der Mikroschweißverbindungen (34) vorgesehen sind.

9. Elektrochemisches Zellenelement (10), aufweisend eine elektrochemische Zelle (14), insbesondere Elektrolysezelle (14), sowie einen Interkonnektor (24), wobei die Elektrolysezelle (14) wenigstens drei Funktionsschichten (26) sowie ein metallisches Zellsubstrat (22) aufweist, wobei der Interkonnektor (24) Erhebungen (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Interkonnektor (24) mit einer Mehrzahl von Mikroschweißverbindung (34) mit dem Zellsubstrat (22) verbunden ist, wobei eine Mikroschweißverbindung (34) jeweils an einer Erhebung (16) angeordnet ist.

10. Elektrochemische Zellenvorrichtung (50, 52, 62) mit einem elektrochemischen Zelleneinheit (54, 56, 64) aufweisend wenigstens ein elektrochemisches Zellenelement (10) nach Anspruch 9.