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TW201843872A - 用於電化學模組的多孔塑模 - Google Patents

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TW201843872A
TW201843872A TW107107699A TW107107699A TW201843872A TW 201843872 A TW201843872 A TW 201843872A TW 107107699 A TW107107699 A TW 107107699A TW 107107699 A TW107107699 A TW 107107699A TW 201843872 A TW201843872 A TW 201843872A
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克里斯提安 班訥爾特
沃夫岡 沙夫寶華
馬可 布蘭德納
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奧地利商攀時歐洲公司
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Abstract

本案發明是有關一種用於一個電化學模組(20)的多孔塑模(10、10’；10”)。此電化學模組(20)具有至少一個電化學電池單元(21)，其具有一附有至少一層電化學活性層的層結構(23)，以及一個金屬性的、氣密的罩殼(24；25)，其形成一個附有該電化學電池單元之氣密的處理氣體空間(26)。該罩殼(24；25)延伸在至少一側上，超出該電化學電池單元(21)的區域，並形成一個開通至該電化學電池單元的處理氣體傳導空間(27)，以及在該處理氣體傳導空間(27)的區域中，具有至少一個用於該等處理氣體之供應及/或移除的氣體通道開口(28)。本案發明的該塑模(10、10’；10”)被設計成該電化學電池單元(21)的一個分開的組件，並且是適用於配置在該處理氣體傳導空間(27)的內部，且亦用於該罩殼在兩側上沿著該電化學模組的一堆疊方向(B)的支撐。

Description

用於電化學模組的多孔塑模
本案發明是有關一種如請求項1所述之用於配置在一個電化學模組中的多孔塑模，以及是有關一種如請求項13述之電化學模組。
本案發明的該多孔塑模被使用在一電化學模組中，除了別的之外，該電化學模組可被運用做為一高溫燃料電池或固態氧化物燃料電池(SOFC)，做為一固態氧化物電解電池(SOEC；固態氧化物電解器電池)，且亦可做為一可逆式固態氧化物燃料電池(R-SOFC)。在該基本的組構中，該電化學模組的一個電化學活性電池包括一個氣密的固態電解質，該固態電解質被配置在一可透氣的陽極及一可透氣的陰極之間。在本文中的該等電化學活性組件，例如是陽極、電解質及陰極，是經常被設計成相對薄的層。因此需要可藉由該等電化學活性層中的一層被提供的一機械性支撐功能，例如是藉由該電解質、該陽極或是該陰極，例如，在那種情況下該等各個都設計有相應的厚度(在這些情況中，該系統分別地被稱為一個被電解質、陽極或陰極支撐的電池)，或是藉由一和這些功能性層分開被設計的組件，例如是一陶瓷性或金屬性的支撐基板。在後一種方法的情況下，附有一分開被設計的金屬性的支撐基板，該系統被稱為一個被金屬基板支撐的電池(MSC；金屬所支撐的電池)。鑑於在一MSC的情況下的事實，當該厚度縮小且該溫度增高時其電阻值下降的該電解質，可被給 予一相對薄的設計(例如是具有一在從2至10μm之範圍的厚度)，MSCs可被操作在600℃至800℃左右之一相對較低的操作溫度(而例如是被電解質支撐的電池，在某些情況中是被操作在高達1000℃的操作溫度)。由於其等的具體優勢，MSCs特別是適用於移動式應用，例如是用於乘用車或商用車輛的電力供應(APU輔助動力單元)。
該等電化學活性電池習慣上被設計成平面狀的個別元件，其等被配置成彼此相疊和對應的(金屬性的)罩殼部件(例如是互連件、框架面板、氣體管線等等)連接，以形成一堆疊，並且被串聯式地電性連接。在該堆疊的該等個別的電池中，諸對應的罩殼部件，產生在各種情況下該等處理氣體彼此分別開的供應，在一燃料電池的情況下，該燃料至該陽極的供應以及該氧化劑至該陰極的供應彼此分別開，以及同樣的，在該陽極側及陰極側上，在該電化學反應中被形成之該等氣體的移除亦彼此分別開。
基於一個單一的電化學電池，在各種情況下，一處理氣體空間被形成在該堆疊內之該電解質的兩側。該堆疊可被架構在一個封閉式結構中，在結構中，在各種情況下藉由該電解質及對應的罩殼部件(互連件，選擇性地亦藉由一框架面板，或者在MSCs的情況下，藉由該支撐基板的該邊緣區域)所圍界出的該等二個處理氣體空間，以一氣密的方式被密封掉。為了該堆疊，其亦有可能實現一個開放式結構，在開放式結構的情況下，僅有處理氣體空間以一氣密的方式被密封掉，例如是該陽極側處理氣體空間，在一燃料電池的情況下，在該陽極側處理氣體空間中，該燃料被供給及/或該反應產物被取掉，同時例如該氧化劑(氧氣、空氣)自由地流通過該堆疊。諸氣體通道開口，例如是可被整合入該框架面板中、該互連件中，或是在MSCs的情況下，可被整合入該支撐基板的該邊緣區域中，在本文中作用於該等處理氣體分別地進入及離開該被密封掉的處理氣體空間的供應及移除。EP 1 278 259 B1藉由範例說明一用於 一MSC之於開放式結構中的堆疊配置。
為了該堆疊的功能，至關重要的是，各種處理氣體空間彼此被可靠地氣密式分離，且即使在機械式負載下，及在發生於操作中的週期性波動溫度下，此氣密式分離仍被保持住。特別是在一堆疊的製造期間，高壓力負載發生在該邊緣區域中，因為該等模組被彼此抵靠壓製，且這些負載會導致在焊縫處偏轉和開裂的情況，從而危害到該氣密的狀態。
對該電化學模組的該效率重要的分別是，該等處理氣體上到該等電化學活性層上之一均勻的流動，及被形成的該等反應氣體之一均勻的移除。該壓力下降較佳的是不超過一個小的壓降。雖然在該堆疊內之各種電化學模組是藉由對應的通道結構以該直立的方向被供給，但在一電化學模組內在該水平方向的供應則是藉由分配結構被完成，該分配結構通常是被整合入該互連件中。亦具有相鄰的電化學電池單元之電接觸的功能的諸互連件，在兩側上具有用於此目的之氣體傳導結構，且這些結構可具有，例如是一旋鈕形、肋條形或波浪形的設計。針對許多的應用，該互連件是藉由一適當形狀的金屬性的片部件而形成，類似於在該堆疊中其他的組件，為了重量最佳化的目的，該互連件有可能非常薄。在發生於該堆疊的接合或操作期間之類型的機械式應力的情況下，特別是在該邊緣區域處，此薄的組構可能容易地導致形變的情況，且可能因此在該必要的氣密的狀態方面是非常有害的。
因此，本案發明的目的在於一電化學模組的成本效益的提供，及一用於使用在一電化學模組的該處理氣體空間內之塑模的成本效益的提供，針對該目的，該電化學模組的該處理氣體空間的該氣密的狀態在長時間的服務期內被確保，且即使在機械式負載下及溫度波動下亦然。此外，藉由有利的氣 體引導特性，該電化學模組的進展要是顯著的；換言之，該目標是要達成在該處理氣體空間內之該等處理氣體的壓力中之一非常均勻的、小的下降，使得該等處理氣體在該整個平坦的電化學電池單元上的分佈是盡可能均勻的。此目的是藉由如請求項1所述之塑模、如請求項12所述之一塑模的使用、及一種如請求項13所述之電化學模組被達成。有利的改進細部被闡述在該等附屬請求項中。
本案發明的該塑模被使用於一電化學模組，該電化學模組可被施用為一高溫燃料電池或固態氧化物燃料電池(SOFC)，被施用為一固態氧化物電解電池(SOEC；固態氧化物電解器電池)，且亦可被施用為一可逆式固態氧化物燃料電池(R-SOFC)。此類型之一電化學模組的基本結構具有一電化學電池單元的特徵件，該電化學電池單元具有一附有至少一層電化學活性層的層結構，且亦可包括一支撐基板。電化學活性層在本文中被理解為是指一陽極、電解質或陰極層，且該層結構可選擇性地亦具有另外的層(例如是由介於電解質及陰極之間的鈰釓氧化物所做成的)。並非所有的該等電化學活性層必須存在於本文中；相反的，該層結構亦可僅具有一層電化學活性層(例如是該陽極)，較佳的是二層電化學活性層(例如是陽極及電解質)，且該等另外的層，特別是那些用於完成一個電化學電池單元的層，可能直到隨後才被施加。該電化學電池單元可被設計成一個被電解質支撐的電池、一個被陽極支撐的電池或是一個被陰極支撐的電池(賦予電池其名稱的層具有較厚的組構，並承擔機械式負載承載功能)。在被一金屬基板支撐的電池(MSC)的情況下，本案發明的一較佳的實施例，該層堆疊被配置在一多孔板片狀的金屬性的支撐基板上於一可透氣的中央區域，該支撐基板具有一較佳的厚度，一般是在從170μm至1.5mm的範圍，更特別的是從250μm至800μm的範圍。該支撐基板在此情況下形成該電化學電池單元的部件。針對一個電化學電池單元的整體層結構的實現，其亦有可能是針 對要被組合之這些方法的二個或多個，該層堆疊的該等層是以一已知的方式被施加，較佳的是藉由PVD(PVD：物理氣相沉積)被施加，例如是藉由濺鍍，及/或藉由例如是火焰噴塗或電漿噴塗的熱塗覆方法，及/或藉由例如是絲網印刷、濕粉末塗覆等等的濕化學方法。習慣上，該陽極是緊接著該支撐基板的該電化學活性層，而該陰極則被形成在該電解質遠離該支撐基板的該側上。但或者該二個電極的一個倒反的配置亦是可能的。
不僅(在一MSC的情況下，例如是由鎳及由和氧化釔完全穩定的二氧化鋯所組成的複合物所形成的)該陽極，(在一MSC的情況下，例如是由具有混合導電性之例如是(La,Sr)(Co,Fe)O3的鈣鈦礦所形成的)該陰極亦同樣具有一可透氣的設計。被形成介於陽極及陰極之間的是一氣密的固體的電解質，其包括有一由金屬氧化物(例如是和氧化釔完全穩定的二氧化鋯)所製成之實心的陶瓷性材料，其對氧離子是導電的，但對電子不是導電的。或者，該實心的電解質對質子亦可是導電的，以此涉及更新一代的SOFCs(例如是金屬氧化物之實心的電解質，更特別的是鋇鋯氧化物、鋇鈰氧化物、鑭鎢氧化物或是鑭鈮氧化物之實心的電解質)。
該電化學模組額外地具有至少一個金屬性的、氣密的罩殼，其形成一個附有該電化學電池單元之氣密的處理氣體空間。在該電化學電池單元的區域中，該處理氣體空間是藉由該氣密的電解質被圍界出的。在該相對側，該處理氣體空間習慣上是藉由該互連件被圍界出的，該互連件為了本案發明的目的，亦被認為是該罩殼的部件。該互連件是以氣密的方式被連接至該電化學電池單元的該氣密的元件，可選擇與額外的罩殼部件組合使用，更特別的是外接框架面板或類似者，該外接框架面板或類似者形成該處理氣體空間之界定的其餘部分。在MSCs的情況下，該互連件的該氣密式附接較佳的是經由額外的罩殼部件，藉由焊接連接及/或熔接連接被完成的，正在界限框架面板的範例， 接著是以一氣密的方式被連接至該支撐基板，並因此和該氣密的電解質一起形成一個氣密的處理氣體空間。在被電解質支撐的電池的情況下，該附接可藉由燒結連接或是藉由密封劑(例如是玻璃焊料)的應用發生。
和本案發明有關之”氣密的”特別是意指針對足夠氣密的狀態的洩漏率，按一標準基準為<10-3hPa*dm3/cm2s(hPa：百帕，dm3：立方公寸，cm2：平方公分，s：秒)(在空氣下，使用來自雷姆沙-伊德威斯納博士(Dr.Wiesner,Remscheid)的茵特嘉DDV儀器，藉由壓力增大的方法，在一壓力差dp=100hPa下被測量出)。
該罩殼延伸在該電化學電池單元至少一側上，超出該電化學電池單元的區域，並形成該處理氣體空間的一子區域，一開通至該電化學電池單元的處理氣體傳導空間。因此，該處理氣體空間(理論上)被細分為二個子區域，成為一直接在該電化學電池單元的該層結構下方的內部區域，及成為一圍繞該內部區域的處理氣體傳導空間。
在該處理氣體傳導空間的區域中，有做在該罩殼中的諸氣體通道開口，作用於該等處理氣體的供應及/或移除。該等氣體通道開口可例如是被整合入該互連件的該邊緣區域中，及被整合入例如是外接框架面板的諸罩殼部件中。
在該處理氣體空間的該內部區域中之該電化學電池單元的供應藉由分配結構發生，該分配結構較佳的是被整合入該互連件中。該互連件較佳的是藉由一適當形狀的金屬性的片部件所架構成的，其例如是具有一旋鈕形、肋條形或波浪形的設計。
在做為一SOFC之該電化學模組的操作中，經由該互連件的該氣體通道開口及分配結構，該陽極被供給有燃料(例如是氫氣或例如是選擇性地已預先被完全地或部分地重組過甲烷、天然氣、沼氣等等之常規的烴)，且此燃 料在那裡被催化氧化，放出電子。該等電子被引導離開該燃料電池，並經由電消耗器流至該陰極處。在該陰極處，一氧化劑(例如是氧氣或空氣)通過接受電子被減少。在一針對氧離子為導電的電解質的情況下，藉由經該電解質被形成在該陰極處之該氧離子至該陽極的流動，及在該等對應的界面處和該燃料的反應，該電路被閉合。
在做為一個固態氧化物電解電池(SOEC)之該電化學模組的操作中，一個例如是將水轉化為氫氣和氧氣的氧化還原反應被迫使用電流。該SOEC的該結構基本上對應於如上所述之一SOFC的結構，其中陰極及陽極的作用被切換。一可逆式固態氧化物燃料電池(R-SOFC)可被被操作為一SOEC或是一SOFC。
依據本案發明被提供的是一種被設計成一個和該電化學電池單元及該罩殼分開之組件的塑模。該塑模是藉由粉末冶金被生產出的，且因此如果例如是在該邊緣處及/或在該表面上藉由壓製或局部熔融被後處理，則是多孔的，或是至少分段多孔的。通過一多孔塑模的使用，其有可能做出相對一個實心的部件之決定性的重量節省，同時獲得可比較的機械式特性。該塑模較佳的是平坦的，且具有一個具有一平面的主延伸範圍之平坦的本體。依據本案發明，該塑模適用於配置在該處理氣體傳導空間的內部；換言之，其形狀是適用於該處理氣體傳導空間的內部。在該電化學模組的操作中，該塑模被配置在該處理氣體傳導空間內，有利的是完全地被配置在該處理氣體傳導空間內，亦即完全地被配置在該電化學電池單元的該層結構正下方之區域外面的該處理氣體空間內。
該塑模有利的是以其頂側頂靠於該處理氣體傳導空間的一上罩殼部件，及以其底側頂靠於該處理氣體傳導空間的一下罩殼部件。因此在本文中，該塑模的厚度相當該處理氣體傳導空間的該空間內部高度。該等上及下罩 殼壁部因此沿著該堆疊方向被支撐在該處理氣體傳導空間的區域中。
用於電化學模組之此塑模的使用在很多方面是有利的。
作為一項重要任務，該塑模滿足一機械性支撐功能。如同先前已被指出的，該平坦的塑模為一個分隔件，並作用為一個支撐元件，防止該罩殼的該邊緣區域在一壓製壓力的施加下被壓擠。因此，該塑模是能夠容納在該直立的方向(在該等電化學模組的該堆疊方向)的機械式負載，其為發生在該等個別的模組的該堆疊及隨後之壓製期間以形成一堆疊之類型的負載，且是能夠將這些負載傳遞至一相鄰的模組。
此外，該塑模產生該電化學模組的該邊緣區域之機械式補強。鑒於該塑模的該平坦的設計，該罩殼邊緣區域的撓曲及扭轉剛性被顯著地增大，且因此該罩殼邊緣區域被保護免於偏轉或其他形變的情況。在該模組的該邊緣區域中，其因此有可能避免介於該等個別的罩殼部件及/或該電化學電池單元之間，在該等熔接縫上或是在其他的連接點上，例如是焊接或是燒結連接點上之額外的應力，其在實務上經常代表在該氣密的狀態上的薄弱點。
除了這些機械式功用之外，在有利的發展中，該塑模作用於改進在該處理氣體傳導空間內之氣體的引導。為了最佳化氣體的引導，可有被設計在該塑模中的氣體引導結構，來將通過該等氣體通道開口流進入該處理氣體空間的該內部區域的氣體，運送至該互連件的該氣體引導結構，且分別地引導從該處理氣體空間的該內部區域流至導出氣流的該等氣體通道開口之外流的氣體。在本文中的該氣體引導結構，在設計上是可以根據該塑模是要完成一氣體分配器功能，或是要完成一氣體收集器功能，而有所不同。
在一較佳的實施例中，連續的氣體通道開口是被整合入該塑模。該塑模在本文中以此種方式被定向在該電化學模組內，該方式為，該塑模的該等氣體通道開口外開通進入該處理氣體傳導空間(罩殼)的該等氣體通道開 口，及一直立連續的氣體通道被形成在該堆疊內。為使氣體能流至該電化學電池單元，至少於該主要範圍的平面之一方向上，從該氣體通道開口直到一面向該內部處理氣體空間的側邊緣，該塑模是可透氣的。為了此目的，通常或至少在此方向上，該塑模可具有一開通的、連續的孔隙度。為了最佳化該氣體流，在本文中之該塑模的該透氣性(孔隙度)可隨空間變化，且因此可例如是藉由在孔隙度上的漸變，或是藉由在該塑模的壓縮中的局部差異(例如是為非均勻的壓制的結果)被調整。
或者或是額外地，該塑模可具有至少一條沿著該主要範圍的平面的通道，從而允許氣體之一更有針對性的轉向，及一較高的氣體通量率。為了有較佳的氣體分佈及一較高的氣體通量率，有利的是多條通道被提供。該通道或該等通道較佳的是被表面化地形成，且可藉由例如是和對應的結構之銑製、壓製或軋製，被合併入該塑模的該表面。為了本說明書的目的，一具有一個封閉的孔隙度的多孔塑模，及一從該氣體通道開口行進直到一側邊緣的表面的通道結構，亦被考慮為從該氣體通道開口直到該側邊緣是可透氣的。該通道或該等通道至少分段地延伸在該塑模的整個厚度上，且因此該等通道並不只是被表面化地形成，亦是可想像到的。在此實施例的情況下，高的氣體通量率是有利的，但必須要銘記在心的是，該塑模仍然是一個單一的部件，且不會散落開。為了防止此點，延伸在整個厚度上的該等通道可能在其過程中發生轉變，進入該表面化的通道結構或多孔結構。
為了改進流動特性，該等通道的形狀可藉由各種方法被最佳化：在一較佳的實施例中，該通道或該等通道從該氣體通道開口連續地延伸直到該塑模面向該內部處理氣體空間的該側邊緣。以此方式，高的氣體通量率及低的壓力下降可被達成。
根據一進一步的實施例，在該氣體通道開口的區域中定有規 定，該通道或該等通道從該氣體通道開口徑向地或基本上徑向地朝外延伸。在本文中徑向地意指該通道的局部切線在該通道的該開口的區域中行進入通過該氣體通道開口的中心點(在非圓形的氣體通道開口的情況下的幾何中點)的該氣體通道開口。基本上徑向地意指和精確的徑向偏差的最大值是+/- 15°。
為了在該處理氣體空間的內部中得到去到或遠離該互連件的該等分配結構之均勻的流動，在面向該內部處理氣體空間的該側邊緣中，該等通道可彼此平行或基本上平行地開通出。彼此平行意指在該側邊緣處，各種通道的局部切線彼此平行地行進，或如果其等是基本上彼此平行，則有不大於+/- 10°之角度的差異。在該側邊緣處，該等個別的通道較佳的是彼此等距的，且在該整個側邊緣上被均勻地分佈。
在一有利的實施例中，作為針對該等處理氣體之均勻的分佈及/或移除之進一步的方案，在有多條通道的情況下規定，一通道的橫截面面積和該通道長度成比例地增大。因此，藉由該通道之一較大的橫截面面積，在更長的通道長度上之該較大的壓力下降被補償。
根據一有利的流體最佳化發展，多條通道以一星形延伸遠離該氣體通道開口，及外開通入面向該內部處理氣體空間的該側邊緣。從原本是在面向遠離該內部處理氣體空間的方向的該氣體通道開口分叉開的該等通道，在此情況下，以弧形重新引導至指向內部處理氣體空間的該側邊緣。
有利的是，該塑模具有多個氣體通道開口，在各種情況下氣體引導結構從該等氣體通道開口分叉開至該塑模的該側邊緣，面向該內部處理氣體空間的該邊緣。此可實現對該內部處理氣體空間之高效且均勻的供應。
該多孔塑模可以氣密的方式被壓製抵靠其餘的側邊緣區域，其在該電化學電池的該配置中，不是面向該內部處理氣體空間，因為在該電化學模組的操作中，不需要在這些方向的氣體流。
本案發明的該塑模是和該電化學模組的其餘組件分開地被生產出的，且較佳的是藉由粉末冶金被生產出的。在設計上，該塑模較佳的是單片式的，亦即由單一件所製成的，此意指其不包括多件甚至可能是藉由一融合連結(例如是焊接、熔接等等)被連接至彼此的組件。藉由粉末冶金之一件式的生產從該塑模的微觀結構是顯而易見的。作為用於該塑模之生產的起始材料是一種含有金屬的粉末，較佳的是一種腐蝕穩定之合金的粉末，例如是基於Cr(鉻)及/或Fe(鐵)之材料組合的粉末，意指該Cr及Fe部分總計為至少50重量百分比%，較佳的是總計為至少80重量百分比%，更佳的是至少90重量百分比%。在此情況下，該塑模是由一鐵素體合金組成的。該塑模較佳的是藉由粉末冶金被生產出的，以一種藉由該起始粉末的壓製之已知的方式，選擇性地加入有機粘合劑，以及一隨後的燒結操作。
如果該塑模被使用在一MSC中，該塑模較佳的是由和該MSC的該支撐基板相同的材料所組成的。此是有利的，因為在此情況下，該熱膨脹是相同的，且沒有溫度引發的應力。
該分開的架構及因此該塑模和該電化學電池單元之其他的活性元件(包括在一MSC的情況下的該金屬基板)之分開的製造，在很多方面具有優點。首先，其提供了彈性，且為了例如是藉由不同孔隙度的建立之特別的需求，該等各別的組件可彼此獨立地被最佳化。其次，該電化學電池單元的生產被簡化並且更加經濟，因為該單元較不複雜，亦不需考慮在該邊緣處的氣體分配結構。第三，其亦帶來了在該塑模生產中的優點，因為不像一MSC的金屬基板在該燒結操作之後額外地被塗覆有該等電化學活性層，該塑模不再需要進行熱後處理。該塑模因此被製造成具有高端輪廓精度。
如同已被提起過的，本案發明的該塑模被發現使用在一電化學模組中，特別是被使用在一如同例如是在EP 2174371 B1中被說明過的MSC中。 在一較佳的實施例中，該電化學模組具有各針對該等處理氣體的供應及移除被不同地設計的塑模。在此情況下，該等塑模可在被使用的材料、其等的形狀、孔隙度、例如是該等通道結構之該等被形成之氣體引導結構的形狀等等上有所不同。例如是，為了防止向後的擴散，被使用於移除氣體之該塑模的孔隙度可較低於被使用於供應氣體之該塑模的孔隙度。
該塑模較佳的是藉由一融合連接被固定在該電化學模組中，例如是藉由被點焊在該罩殼上。可被注意到的是，即使在此情況下，當該塑模在被裝設入模組時，被融合式地連結到該電化學電池的另一組件，為了本案發明的目的，其被認為是構成一和該電化學電池分開地被形成的組件。
在先前被指出的該等變化的實施例中，該多孔塑模具有一機械性支撐功能，並作用於改進在該處理氣體傳導空間中之氣體的流動。在一有利的發展中，為了針對該等處理氣體的操作改進其催化及/或反應特性，該多孔塑模額外地被官能化於其表面上；換言之，通過該等表面之適當的功能化，其有可能產生該等處理氣體的操作(該等處理氣體在該反應物側上的處理及/或在該產物側上的後處理)。在帶有催化及/或反應特性之功能化的情況下，一多孔塑模的使用是有利的，因為相較於一實心的組件，在一多孔組件的情況下，在該處理氣體流過時和該處理氣體接觸的該表面顯然是較大的，且對應地，更佳準備好做出反應。
在例如是一SOFC的使用中，該處理氣體可藉由該官能化塑模，額外地被重組在該反應物側上(意指該含碳的燃料氣體被轉換成包括一氧化碳和氫氣的混合物的合成氣體)，及/或可被清理來移除例如是硫或氯的雜質。在該產物側上的，一被適當地官能化的塑模可例如是有助於清理，以移除揮發性鉻。
該多孔塑模的功能化，可以藉由將一物質引入該塑模的材料， 及/或施加為一表面塗層而被完成，該物質和該處理氣體催化式地及/或反應式地作用。該催化性及/或反應性物質可因此被混合至該真實的起始粉末，用於該燒結的塑模("合金化")的生產，及/或在該燒結操作之後，可藉由一塗覆程序，被施加至該塑模附有該等開孔的該表面。此塗覆程序可藉由熟習相關技術者已知的習用方法發生，例如是藉由各種來自氣相的沉積方法(物理氣相沈積法、化學氣相沈積法)，藉由浸沾式塗覆(其中，該組件用一包括該對應的功能性材料的熔體浸漬或滲透)，或是藉由用於懸浮液或糊劑之應用(特別是針對陶瓷性材料)的方法。為了表面擴大的目的，如果該多孔表面結構在該塗覆程序期間被保留，亦即該多孔表面不被疊覆有一頂層，但主要是僅有該多孔結構的內表面將要被塗覆，是有利的。
當使用一藉由來自一基於鐵及/或鉻之合金的粉末冶金被生產出的塑模時，帶有以下之材料的功能化已被發現是適當的：被使用在該反應物側上用於處理該處理氣體如下：用於該燃料氣體的催化重組：鎳、鉑、鈀、及例如是NiO之這些金屬的氧化物；用於清理該反應物氣體，以移除硫及/或氯：鎳、鈷、鉻、鈧及/或鈰；用於就氧氣方面淨化該反應物氣體：鉻、銅及/或鈦，與鈦同時也具有相對於碳的保持效應。
被使用在該產物側上用於該處理氣體的後處理如下：用於相對揮發性鉻離子淨化的吸氣結構：氧化陶瓷Cu-Ni-Mn尖晶石；用於就氧氣方面淨化該產物氣體及防止向後擴散：鈦、銅或亞化學計量的尖晶石化合物。
從參考該等隨附圖式的範例實施例之以下的說明，本案發明的進一步優點會變得顯而易見，於該說明中，為了說明本案發明的目的，該等大小比例並非總是正確地按照比例給出。在各種圖式中，相同的參考符號被用於匹配的組件。
在該等圖式中：圖1a：以立體視圖顯示一用於使用在一電化學模組中之塑模的一第一實施例；圖1b：以平面視圖顯示圖1a的該塑模；及圖1c：以一側視圖顯示圖1a的該塑模；圖2a：以橫截面顯示根據習知技術之並無進步性的附有三個塑模電化學模組的一堆疊；圖2b：以橫截面顯示附有三個各具有一按照圖1a之塑模之電化學模組的一堆疊；圖2c：以一展開視圖顯示一來自圖2b之具有一按照圖1a之塑模的電化學模組(於此應該銘記在心的是，相較於在圖2a及圖2b中的該等模組，為了該等通道之更好的可視性，在圖2c中的該電化學模組被轉過頭來顯示)；圖3a：以立體視圖顯示一用於使用在一電化學模組中之塑模的一第二實施例；及圖3b：以平面視圖顯示圖3a的該塑模。
圖1a以立體視圖顯示用於使用在一電化學模組(20)中之該塑模(10)的一第一實施例。在該電化學模組(20)中之該塑模(10)的該配置被顯示在圖2b及圖2c中。圖1b以平面視圖顯示該塑模(10)，且其以從該側面(A)的一側視圖被顯示在圖1c中，其在該電化學模組(20)中的該配置中是面對該處理氣體空間的內部。該塑模(10)已藉由粉末冶金被生產出，並因此是多孔的。該塑模是平坦的，且具有一個帶有一平面的主延伸範圍之平坦的本體。其具有多個氣體通 道開口(11)，在所描繪的變化中，為三個中央氣體通道開口(11)，在該電化學模組的操作中，該處理氣體分別地通過該等氣體通道開口被供給及被移除。諸通道(12)以一星形從各該等氣體通道開口延伸直到該塑模的該側邊緣(A)，其在該電化學模組中的該配置中，是面向該電化學模組的該內部處理氣體空間。從原本是在遠離該內部處理氣體空間的方向的該氣體通道開口(11)分叉開的諸通道，在本文中是於內部處理氣體空間的方向，以一圓弧的形狀被重新引導至該側邊緣(A)。該等個別的通道(12)連續地從該氣體通道開口延伸至該側邊緣(A)，藉此在處理氣體傳導空間內達成有效的氣體轉向和一低的壓力下降。
此外，從在該側邊緣(A)之方向的該氣體通道開口(11)，該塑模(10)具有一可透氣的、開孔式的結構(換言之，介於個別相鄰的孔洞之間的氣體交換是可能的)。在其他的側邊緣，該塑模被壓製在一起(13)，且因此在這些方向對氣體是不可滲透的。
在該電化學模組的操作中，該處理氣體從該等氣體通道開口(11)流通過該等通道(12)及該等孔洞至該塑模的該側邊緣(A)，該處理氣體從該側邊緣(A)流進入該內部的處理氣體空間。氣體的該流動亦可以相反的方向。
該等通道的數量及幾何形狀被最佳化，以最大化供應至該內部處理氣體空間的均勻度。為了此目的，在該側邊緣(A)處，介於相鄰的通道之間的距離是大致相等，且因此在它們展開時，該等通道被均勻地分佈在該整個側邊緣上。此外，在本範例式實施例中，在該側邊緣(A)的該等通道大致以直角展開；因此，在此區域中，該等通道基本上局部地平行彼此運行。
如可從圖1c中被看到的，該等通道是做在表面上的，且在其等的橫截面面積上有所不同。一通道的橫截面面積在其整個長度上基本上是固定的，但被選擇為與從該氣體通道開口(11)直到該側邊緣(A)之該通道的長度一致更大。此也是一種用於達成流至在該處理氣體空間的內部中之該互連件的該等 分配結構及自其等移除之最大的均勻度的手段。
圖2a顯示根據習知技術沒有該創造性的塑模之附有三個電化學模組的一堆疊。在一電化學模組(20)中之該塑模的該配置被顯示在圖2b及圖2c中。圖2a及圖2b各以一概略視圖顯示，通過附有三個被彼此堆疊的電化學模組(20)之一堆疊(30)的一橫截面。該等電化學模組(20)各具有一個電化學電池單元(21)，其是由一多孔金屬性的支撐基板(22)所組成，該支撐基板(22)已藉由粉末冶金被生產出，具有一層結構(23)附有至少一層被施加在此基板(22)上在一可透氣的區域中之電化學活性層。附有該層結構(23)的該支撐基板(22)以一氣密的方式在該邊緣被壓製在一起，並具有一板片形狀的基底結構，其在變化的實施例中，為了表面區域的擴大，亦可具有在較小的長度範圍內之例如是一波浪形狀設計之局部的曲度。位於與該層結構相對的該支撐基底(22)的側面上，分別有互連件(24)，在該互連件(24)承抵住該支撐基板(22)的該區域中具有一肋結構(24a)。該肋結構的該縱行方向在本文中行進在圖2a及圖2b的該橫截面平面中。該互連件(24)延伸超出該電化學電池單元(21)的區域，並在其外邊緣承抵住一外接該電化學電池單元的框架面板(25)。該外接的框架面板(25)在該內邊緣以氣密的方式被連結至該電化學電池單元(21)，並經由一外接的熔接連接在該外邊緣以氣密的方式被連結至該互連件(24)。該框架面板(25)及該互連件(24)因此形成一個金屬性的、氣密的罩殼的一組成部分，其和該電化學電池單元(21)，一起界定出一個氣密的處理氣體空間(26)。該處理氣體傳導空間(27)為該處理氣體空間(26)的一子空間，並延伸在該電化學電池單元(21)的區域外面的區域上，及在該電化學電池單元(21)的方向敞開。在該處理氣體傳導空間的區域中有氣體通道開口(28)被形成在該罩殼(框架面板及互連件)中，用於該等處理氣體的供應及/或移除(未被顯示在圖2a及圖2b中，因為該斷面是取在該等氣體通道開口的側邊)。在該罩殼(28)中的該等氣體通道開口及在該塑模中的該等氣體通道開口 (11)彼此對齊。藉由諸對應的通道結構，氣體在該堆疊內之傳導發生在一直立的方向(該堆疊(B)的堆疊方向)，該等對應的通道結構習慣上是藉由諸分開的插入件(29)、密封、以及亦藉由受控之密封劑(例如是玻璃焊料)的應用，被形成在該等氣體通道開口的區域中。因此，該等通道結以一直立的方向，構密封連接相鄰的電化學模組的該等處理氣體傳導空間。
而圖2a圖示說明沒有塑模的現有技術的狀態，圖2b及圖2c顯示根據圖1a在該電化學模組(20)的該處理氣體傳導空間(27)內之該塑模的該配置。應該銘記在心的是，相較於在圖2a及圖2b中的該等模組，在圖2c中，為了用於該等通道(12)之更好的可視性，該電化學模組被轉過頭來顯示。該塑模的形狀適用於該處理氣體傳導空間的內部。該塑模藉由其頂側承抵住該框架面板(25)，該處理氣體傳導空間的該上邊界，及藉由其底側承抵住該互連件(24)，該處理氣體傳導空間的該下邊界。一個平坦的接觸有利的是在各種情況下，在其頂側及/或在其底側。因此，其厚度相當該處理氣體傳導空間(27)的該空間內部高度。該等被表面形成的通道(12)是位在該塑模(10)的下面(在圖2c中，該塑模被轉過頭來顯示)。除了在該處理氣體傳導空間中的該氣體引導功能，該塑模還具有一重要的機械功能。其作用於沿著該堆疊(B)的該堆疊方向支撐該罩殼，使得當一壓製壓力被施加時，該罩殼邊緣區域的壓擠被防止。此外，由於該塑模之平坦的架構，由一薄的框架面板(25)及一薄的互連件(24)所組成之該罩殼邊緣區域的撓曲及扭轉剛性，被明確地增大，且因此在機械負載下於焊縫開裂的風險降低。在一有利的變化實施例中，該塑模被點焊在該罩殼上，並因此被固定。被使用於供應及被使用於移除該等處理氣體之該等塑模(10、10’)較佳的是不同的。其等的特性(該等通道結構的材料、形狀、孔隙度、幾何形狀等等)可針對其等預期的用途，被彼此獨立開地最佳化。
圖3a概略地顯示該塑模之一進一步變化的實施例的一立體視 圖，及圖3b概略地顯示該塑模之該進一步變化的實施例的該平面視圖。在此變化的實施例中，該塑模之該等個別的氣體通道開口(11)係通過額外的通道彼此相連通。此通道結構有助於增加氣體均衡。

Claims (15)

  1. 一種用於電化學模組(20)的多孔或至少分段多孔塑模(10、10’；10”)，其中，該電化學模組(20)具有至少一個電化學電池單元(21)，其具有一附有至少一層電化學活性層的層結構(23)，及一金屬性的、氣密的罩殼(24；25)，其形成一個附有該電化學電池單元之氣密的處理氣體空間(26)，其中，在至少一側上，該罩殼(24；25)延伸超出該電化學電池單元(21)的區域，並形成一個開通至該電化學電池單元的處理氣體傳導空間(27)，以及在該處理氣體傳導空間(27)的區域中，具有至少一個用於該等處理氣體之供應及/或移除的氣體通道開口(28)，其特徵在於，該塑模(10、10’；10”)被設計成該電化學電池單元(21)的一個分開的組件，並適用於配置在該處理氣體傳導空間(27)的內部，且亦用於該罩殼在兩側上沿著該電化學模組的一堆疊方向(B)的支撐。
  2. 如請求項1所述之塑模，其特徵在於，該塑模(10、10’；10”)具有至少一個氣體通道開口(11)。
  3. 如請求項2所述之塑模，其特徵在於，該塑模(10、10’；10”)在從該氣體通道開口(11)直到該塑模的一側邊緣的主要範圍的平面內至少在一方向上是可透氣的。
  4. 如請求項3所述之塑模，其特徵在於，該可透氣性是藉由該塑模的一開通孔結構被產生的。
  5. 如請求項2至4中任一項所述之塑模，其特徵在於，該塑模(10、10’；10”)具有至少一條沿著該主要範圍的平面的通道(12)。
  6. 如請求項5所述之塑模，其特徵在於，該通道或該等通道(12)從該氣體通道開口(11)連續地延伸直到該側邊緣。
  7. 如請求項5或6所述之塑模，其特徵在於，該通道或該等通道(12)從在該氣體通道開口的區域中的該氣體通道開口徑向地或基本上徑向地朝外延伸。
  8. 如請求項5至7中任一項所述之塑模，其特徵在於，該等通道(12)通向彼此平行或基本上彼此平行的該側邊緣。
  9. 如請求項5至8中任一項所述之塑模，其特徵在於，在多條通道的情況下，該通道或該等通道的橫截面面積和該通道長度成比例地增大。
  10. 如請求項5至9中任一項所述之塑模，其特徵在於，該通道或該等通道(12)在該塑模的整個厚度上至少分段地延伸。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之塑模，其特徵在於，塑模(10、10’；10”)是由一種藉由粉末冶金被生產出且是基於鐵及/或鉻的鐵質合金所形成的。
  12. 一種在電化學模組(20)中之如請求項1至11中任一項所述之塑模的使用，其中，該塑模是被配置在該處理氣體傳導空間(27)內。
  13. 一種電化學模組(20)，其具有：一基本上為板片形狀的電化學電池單元(21)，其具有一附有至少一層電化學活性層的層結構(23)，及一金屬性的、氣密的罩殼(24；25)，其形成一個附有該電化學電池單元(21)之氣密的處理氣體空間(26)，其中，該罩殼(24；25)在至少一側上延伸超出該電化學電池單元(21)的區域，該罩殼(24；25)在此情況下形成一個開通至該電化學電池單元的處理氣體傳導空間(27)，並且具有至少一個在該處理氣體傳導空間(27)的區域中用於該等處理氣體的供應及/或移除的氣體通道開口(28)， 其特徵在於，至少一個如請求項1至11中任一項所述之塑模被配置在該處理氣體傳導空間(27)內，於該氣體通道開口的區域中，該塑模作用於沿著該電化學模組(20)的該堆疊方向(B)支撐該罩殼。
  14. 如請求項13所述之電化學模組，其特徵在於，該層結構(23)被配置在一基本上為板片形狀的、金屬性的支撐基板(22)之背離該處理氣體空間的一第一側上，該支撐基板(22)至少在該層結構的區域中為多孔的。
  15. 如請求項14所述之電化學模組，其特徵在於，該氣密的罩殼(24；25)是由至少一個外接該支撐基板的框架面板(25)及一個互連件(24)所形成的，其中，該外接的框架面板(25)在其內邊緣被氣密式地連結至該電化學電池單元(21)，並在外邊緣經由一外接的熔接連接被氣密式地連結至該互連件(24)。
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