DE102009003074A1 - Electrochemical cell for obtaining electrical energy - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektrochemische Zelle (10) zur Gewinnung elektrischer Energie, insbesondere eine Brennstoffzelle, beschrieben, die eine als Anode fungierende erste Elektrode (14) sowie eine als Kathode fungierende zweite Elektrode (16) umfasst sowie eine insbesondere flächig ausgeführte Festelektrolytschicht (12), wobei die erste und die zweite Elektrode (14, 16) über die Festelektrolytschicht (12) in ionenleitendem Kontakt steht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Festelektrolytschicht (12) als Tragstruktur der elektrochemischen Zelle (10) ausgebildet ist.An electrochemical cell (10) for obtaining electrical energy, in particular a fuel cell, is described which comprises a first electrode (14) acting as an anode and a second electrode (16) functioning as a cathode, and a solid electrolyte layer (12), in particular flat, wherein the first and second electrodes (14, 16) are in ion-conducting contact via the solid electrolyte layer (12). According to the invention, it is provided that the solid electrolyte layer (12) is designed as a supporting structure of the electrochemical cell (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle zur Gewinnung elektrischer Energie, insbesondere Brennstoffzelle, eine Verbundanordnung diese enthaltend sowie ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The The present invention relates to an electrochemical cell for recovery electrical energy, in particular fuel cell, a composite arrangement containing them and a process for their preparation according to the Preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Die Anwendung von Brennstoffzellen ermöglicht die Transformation chemischer Energie in elektrische Energie. Dabei werden insbesondere gasförmige Ausgangssubstanzen wie beispielsweise Wasserstoff bzw. Sauerstoff inneren Gasräumen einer elektrochemischen Zelle zugeführt und dort elektrochemisch zu Endprodukten unter Gewinnung elektrischer Energie umgesetzt. Dabei ist auf eine sorgfältige Trennung beider Gasräume zu achten, da es sonst unerwünschterweise zu einer direkten chemischen Reaktion der Ausgangssubstanzen kommen kann. Während diese Abdichtungsproblematik im Bereich von Brennstoffzellen, die mit einer Betriebstemperatur von bis zu 200°C betrieben werden, weitgehend gelöst ist, stellt die Abdichtung der Gasräume bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie beispielsweise der sogenannten solid oxide fuel cell (SOFC) nach wie vor ein Problem dar.The Application of fuel cells allows the transformation chemical energy into electrical energy. In doing so, in particular gaseous starting substances such as hydrogen or oxygen internal gas spaces of an electrochemical Cell supplied and there electrochemically to end products implemented with recovery of electrical energy. It is on one careful separation of both gas chambers, otherwise it is undesirably a direct chemical Reaction of the starting materials can come. While these Sealing problem in the field of fuel cells with operate at an operating temperature of up to 200 ° C, is largely solved, the sealing of the gas chambers High temperature fuel cells, such as the so-called solid oxide fuel cell (SOFC) is still a problem.

Zur Lösung dieses Problems sind in der Vergangenheit beispielsweise in der DE 10 2004 026 714 A1 tubulare Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzellen vorgeschlagen worden, bei denen einzelne in Röhrenform ausgeführte Brennstoffzellen elektrisch hintereinander und/oder gruppenweise parallel geschaltet sind. Als Tragstruktur dieser röhrenförmigen Brennstoffzellen anordnungen ist eine der Elektroden so dimensioniert, dass sie die Tragstruktur der tubularen Brennstoffzelle bildet.To solve this problem in the past, for example, in the DE 10 2004 026 714 A1 tubular high-temperature solid electrolyte fuel cells have been proposed in which individual tubular fuel cells are electrically connected in series and / or in groups in parallel. As a support structure of these tubular fuel cell assemblies, one of the electrodes is dimensioned to form the supporting structure of the tubular fuel cell.

Da sich an den Oberflächen der betreffenden Elektroden jedoch im Betrieb laufend Redoxvorgänge abspielen, kommt es im Lauf der Zeit zu einer chemischen Veränderung des Elektrodenmaterials und somit auch zu einer Volumenänderung. Diese Volumenänderung kann bei Systemen gemäß Stand der Technik zu Rissen und Brüchen im Bereich des Festelektrolyten führen.There However, on the surfaces of the respective electrodes During operation redox processes play, it comes in Passing the time to a chemical change of the electrode material and thus also to a volume change. This volume change can crack in systems of the prior art and fractures in the solid electrolyte lead.

Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrochemische Zelle zur Gewinnung elektrischer Energie bereitzustellen, die einen Langzeitbetrieb ermöglicht, ohne dass betriebsbedingte mechanische Schädigungen zu befürchten sind.task The present invention is an electrochemical cell for Provide electrical energy, which is a long-term operation allows without any operational mechanical damage to be feared.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch eine elektrochemische Zelle bzw. eine Verbundanordnung diese enthaltend sowie ein Verfahren zu deren Herstellung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.The The problem underlying the invention is advantageously by an electrochemical cell or a composite arrangement this containing and a process for their preparation with the characterizing Features of the independent claims in an advantageous Way solved.

Dies beruht insbesondere darauf, dass als Tragstruktur der elektrochemischen Zelle ein Festelektrolytmaterial herangezogen wird, auf dessen Oberfläche sich die Elektroden der elektrochemischen Zelle befinden. Zwar kann es im Langzeitbetrieb zu einer Alterung der Elektroden kommen, die im Wesentlichen auf Schockwechselbeanspruchungen sowie auf Redoxvorgänge an der Elektrodenoberfläche zurückzuführen ist; jedoch besteht bei einer elektrochemischen Zelle, deren Tragstruktur durch einen Festelektrolyt gebildet ist, die Möglichkeit, auf Materialien zurückzugreifen, die auch im Langzeitbetrieb dauerbeständig sind.This is based in particular on the fact that as a supporting structure of the electrochemical Cell is a solid electrolyte material is used, on its surface the electrodes of the electrochemical cell are located. Although can In the long - term operation, aging of the electrodes occurs in the Mainly on shock cycling and redox processes attributed to the electrode surface is; However, there is an electrochemical cell whose support structure through a solid electrolyte is formed, the possibility of Materials that are also used in long-term operation are durable.

Auf diese Weise können mechanische Beschädigungen der Tragstruktur vermieden werden. Da Risse in der Tragstruktur neben dem Risiko einer Schwächung der Tragstruktur zusätzlich einen Durchtritt gasförmiger Ausgangsverbindungen ermöglichen können, stellt eine auch im Dauerbetrieb stabile Tragstruktur darüber hinaus auch ein mögliches Sicherheitsmerkmal der erfindungsgemäß ausgeführten elektrochemischen Zelle dar.On This way can cause mechanical damage the support structure can be avoided. Because cracks in the support structure in addition to the risk of weakening the support structure in addition allow passage of gaseous starting compounds can provide, even in continuous operation stable support structure beyond that also a possible security feature the electrochemical designed according to the invention Cell.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn die die Tragstruktur bildende Festelektrolytschicht eine gegenüber einer rein planaren bzw. ebenen Ausführungsform mit einer oberflächenvergrößernden Formgebung ausgeführt ist. Dabei kann die Festelektrolytschicht insbesondere eine gefaltete oder wellenförmige Struktur aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass mehrere Festelektrolytschichten so übereinander angeordnet werden können, dass in den Zwischenräumen festelektrolytbegrenzte Gasräume gebildet werden. Diese werden vorzugsweise über sogenannte Interkonnektoren elektrisch kontaktiert und miteinander verbunden. Dabei wird unter einem Interkonnektor eine Schicht oder Beschichtung eines zwei Festelektrolytschichten formstabil und elektrische leitend miteinander verbindenden Materials verstanden. Auf diese Weise kann auf einfachem Wege eine tubulare Struktur mehrerer elektrochemischer Zellen erzeugt werden, die zusammen eine Verbundanordnung bilden.So it is advantageous if the solid electrolyte layer forming the support structure one opposite to a purely planar or planar embodiment with a surface enlarging shape is executed. In this case, the solid electrolyte layer in particular have a folded or wavy structure. These Embodiment allows multiple solid electrolyte layers can be arranged one above the other, that in the interstices solid electrolyte limited gas spaces be formed. These are preferably via so-called interconnectors electrically contacted and connected together. It is under an interconnector a layer or coating of a two solid electrolyte layers dimensionally stable and electrically conductively interconnecting material Understood. In this way, a tubular structure can be easily achieved several electrochemical cells are generated, which together Form composite arrangement.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn als Festelektrolytmaterial der Festelektrolytschicht je nach Anwendungstemperatur ein Polymerelektrolytmaterial für Niedertemperaturanwendungen bei Temeperaturen von bspw. 80–100°C oder ein keramisches Material beispielsweise für Hochtemperaturanwendungen bei Temperaturen von bspw. 700–950°C gewählt wird. Die genannten Materialien zeichnen sich insbesondere auch bei Temperaturwechselbeanspruchung durch eine hohe mechanische Beständigkeit aus.It is also advantageous if, as solid electrolyte material, the solid electrolyte layer, depending on the application temperature, is a polymer electrolyte material for low-temperature applications at temperatures of, for example, 80-100 ° C. or a ceramic material, for example for high-temperature applications at temperatures of, for example, 700-950 ° C is selected. The materials mentioned are characterized in particular by thermal cycling by high mechanical resistance.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verbundanordnung mindestens zweier elektrochemischer Zellen hergestellt, in der eine erste und eine zweite jeweils mit Elektroden versehene Festelektrolytschicht mittels Interkonnektoren miteinander verbunden werden, wobei die erste Festelektrolytschicht mit ihrer eine erste Elektrode erster Polarität aufweisenden Seite mit einer eine erste Elektrode gleicher Polarität aufweisenden Seite der zweiten Festelektrolytschicht in Kontakt gebracht und verbunden wird. Auf diese Weise entstehen beim Verbinden beider Festelektrolytschichten innere Gasräume, die ausschließlich in Kontakt mit Elektroden gleicher Polarität stehen. Wird dabei eine Vielzahl von inneren Gasräumen erzeugt, so kann auf diese Weise ein tubularer Verbund von Einzelbrennstoffzellen bzw. elektrochemischen Zellen erzeugt werden.According to one particularly advantageous embodiment of the present invention Invention is a composite arrangement of at least two electrochemical Cells are produced in which a first and a second respectively with Electrode provided solid electrolyte layer by means of interconnectors connected to each other, wherein the first solid electrolyte layer with their first electrode having a first polarity Side with a first electrode of the same polarity Side of the second solid electrolyte layer brought into contact and is connected. In this way arise when connecting both solid electrolyte layers inner gas chambers, which are exclusively in contact stand with electrodes of the same polarity. Is doing a Generated variety of internal gas spaces, so can on this Weise a tubular composite of individual fuel cells or electrochemical Cells are generated.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden, darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:The Invention will be with reference to the drawing and the subsequent thereto Description closer explained. It shows:

1 einen schematischen Querschnitt einer elektrochemischer Zelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 1 a schematic cross section of an electrochemical cell according to a first embodiment of the present invention,

2 die schematische Aufsicht auf eine erste Großfläche einer der elektrochemischen Zelle gemäß 1 zugrundeliegenden Festelektrolytschicht, 2 the schematic plan view of a first large area of the electrochemical cell according to 1 underlying solid electrolyte layer,

3 eine schematische Aufsicht auf eine zweite Großfläche einer der elektrochemischen Zelle gemäß 1 zugrundeliegenden Festelektrolytschicht, 3 a schematic plan view of a second large area of the electrochemical cell according to 1 underlying solid electrolyte layer,

4 die schematische Darstellung einer möglichen Anbindung einer elektrochemischen Zelle gemäß 1 an eine Gehäusewand bspw. eines Brennstoffzellenstacks, 4 the schematic representation of a possible connection of an electrochemical cell according to 1 to a housing wall, for example, of a fuel cell stack,

5 die schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks tubularer Bauart, ausgeführt aus einer Mehrzahl von Verbundanordnungen gemäß 1, 5 the schematic representation of a fuel cell stack tubularer type, executed from a plurality of composite arrangements according to 1 .

6 einen schematischen Querschnitt einer elektrochemischen Zelle mit treppenförmiger Struktur gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und 6 a schematic cross section of an electrochemical cell with a staircase-shaped structure according to a second embodiment of the present invention and

7 einen schematischen Querschnitt einer elektrochemischen Zelle mit gefalteter Struktur gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 7 a schematic cross section of a folded structure electrochemical cell according to a third embodiment of the present invention.

Die in den 1 bis 5 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, stets funktionsgleiche Bau- bzw. Systemkomponenten.The in the 1 to 5 Unless stated otherwise, reference symbols used always refer to functionally identical structural or system components.

In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer ersten Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 10 zur Gewinnung elektrischer Energie dargestellt. Dabei ist die elektrochemische Zelle in diesem Beispiel als Brennstoffzelle ausgeführt, die auf einer elektrochemischen Umsetzung von chemischen Recktanten beruht. Dabei umfasst die elektrochemische Zelle 10 eine in Form eines Tubus ausgeführte Elektrolytmembran 12, die bspw. aus einem Polymerelektrolytmaterial ausgeführt sein kann oder aus einem entsprechenden keramischen Material, das wie beispielsweise teil- oder vollstabilisiertes Zirkondioxid für die Verwendung in Hochtemperaturbrennstoffzellen bzw. solid oxide fuel cells (SOFC) geeignet ist.In 1 is a basic structure of a first embodiment of an electrochemical cell 10 represented for the production of electrical energy. In this case, the electrochemical cell is designed in this example as a fuel cell, which is based on an electrochemical conversion of chemical reactants. In this case, the electrochemical cell comprises 10 an executed in the form of a tube electrolyte membrane 12 which may, for example, be made of a polymer electrolyte material or of a corresponding ceramic material suitable for use in high temperature fuel cells (SOFC), such as partially or fully stabilized zirconia.

Die Elektrolytmembran 12 ist zumindest bereichsweise auf einer ersten Großfläche, die beispielsweise die Innenseite des durch die Elektrolytmembran 12 gebildeten Tubus bildet, mit einer als Anode fungierenden, vorzugsweise flächigen ersten Elektrode 14 beschichtet. Weiterhin ist die Elektrolytmembran 12 vorzugsweise auf ihrer der ersten Großfläche gegenüberliegenden zweiten Großfläche, die beispielsweise durch die Außenseite der in Form eines Tubus ausgeführten Elektrolytmembran 12 gebildet ist, mit einer als Kathode fungierenden zweiten Elektrode 16 zumindest bereichsweise beschichtet.The electrolyte membrane 12 is at least partially on a first large area, for example, the inside of the through the electrolyte membrane 12 forms formed tube, with a functioning as an anode, preferably flat first electrode 14 coated. Furthermore, the electrolyte membrane 12 preferably on its first large area opposite the second large area, for example, through the outside of the running in the form of a tube electrolyte membrane 12 is formed, with a cathode acting as a second electrode 16 at least partially coated.

Dabei bildet die Elektrolytmembran 12 die Tragstruktur der elektrochemischen Zelle 10. Da die Elektrolytmembran 12 weiterhin in ihrer Form vorzugsweise zumindest bereichsweise wellenförmig ausgeführt ist, besteht die Möglichkeit, beispielweise mittels geeigneter Interkonnektoren 20 jeweils die in das Innere des durch die Elektrolytmembran 12 gebildeten Tubus weisenden Bereiche der Elektrolytmembran 12 mit weiteren, diesen nach innen weisenden Bereichen gegenüberliegenden, ebenfalls nach innen weisenden weiteren Bereichen der Elektrolytmembran 12 so zu verbinden, dass der aus der Elektrolytmembran 12 gebildete Tubus in weitere, voneinander räumlich separierte Untereinheiten untergliedert wird, die ihrerseits jeweils einen abgeschlossenen Gasraum 18a, 18b, 18c, 18d in Form eines Tubus bilden. Alternativ kann anstatt einer wellenförmigen Grundstruktur der Elektrolytmembran 12 auch eine wabenförmige Grundstruktur gewählt werden.In this case, the electrolyte membrane forms 12 the supporting structure of the electrochemical cell 10 , As the electrolyte membrane 12 Furthermore, it is preferably wavy in shape at least in regions, it is possible, for example by means of suitable interconnectors 20 each in the interior of the through the electrolyte membrane 12 formed tubus facing portions of the electrolyte membrane 12 with further, these inwardly facing areas opposite, also inwardly facing other areas of the electrolyte membrane 12 so connect that out of the electrolyte membrane 12 formed tube is subdivided into further, spatially separated subunits, which in turn each a closed gas space 18a . 18b . 18c . 18d form in the form of a tube. Alternatively, instead of a wavelike basic structure of the electrolyte membrane 12 also a honeycomb basic structure can be selected.

Dabei können die Interkonnektoren 20 bspw. im Falle einer aus einem keramischen Material ausgeführten Elektrolytmembran 12 beispielsweise in Form einer Beschichtung aus einem geeigneten, elektrisch leitfähigen, keramischen Material, wie ausgeführt werden, das beispielsweise bei Erwärmung zwei gegenüberliegende Bereiche der Elektrolytmembran 12 elektrisch leitend miteinander verbindet.The interconnectors can do this 20 For example, in the case of a ceramic material guided electrolyte membrane 12 for example, in the form of a coating of a suitable, electrically conductive, ceramic material, as stated, for example, when heated, two opposite regions of the electrolyte membrane 12 connects electrically conductive with each other.

Ist die Elektrolytmembran 12 beispielsweise aus einem Polymerelektrolytmaterial ausgeführt, so können zur Verbindung zweier gegenüberliegender Bereiche dieser Elektrolytmembran 12 beispielsweise Interkonnektoren auf Basis eines geeigneten härtbaren Polymermaterials, wie bspw. Graphit, Carbon oder eine elektrisch leitfähige Edelmetallschicht verwendet werden.Is the electrolyte membrane 12 For example, made of a polymer electrolyte material, so can for connecting two opposite areas of this electrolyte membrane 12 For example, interconnectors based on a suitable curable polymer material, such as, for example, graphite, carbon or an electrically conductive noble metal layer can be used.

Weiterhin besteht die Möglichkeit beim Verbund zweier Elektrolytmembranen 12 mittels Interkonnektoren 20 zwischen die Interkonnektorschichten der miteinander zu verbindenden Elektrolytmembranen eine Schicht eines weiteren, elektrisch leitfähigen Materials vorzusehen.Furthermore, it is possible to combine two electrolyte membranes 12 by means of interconnectors 20 to provide a layer of another, electrically conductive material between the interconnector layers of the electrolyte membranes to be interconnected.

Auf diese Weise wird ein Verbund mehrerer Gasräume 18a, 18b, 18c, 18d erzeugt, deren Inneres in Kontakt mit einer als gemeinsame Anode fungierenden ersten Elektrode 14 steht. Im Betrieb werden beispielsweise die inneren Gasräume 18a, 18b, 18c, 18d mit einem oxidierbaren, vorzugsweise gasförmigen Fluid wie beispielsweise Wasserstoff, Methan oder gasförmigem Methanol beschickt. Gleichzeitig wird beispielsweise die Außenfläche der mit der zweiten, als Kathode fungierenden Elektrode 16 versehene Elektrolytmembran 12 mit einem vorzugsweise gasförmigen Oxidationsmittel wie beispielsweise Luft oder reinem Sauerstoff in Kontakt gebracht. Dabei kommt es zu einer elektrochemischen Umsetzung des in den inneren Gasräumen 18a, 18b, 18c, 18d geführten oxidierbaren Fluids unter Freisetzung eines elektrischen Stromflusses zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 14, 16, der durch eine geeignete externe Peripherie abgegriffen und genutzt werden kann.In this way, a composite of several gas chambers 18a . 18b . 18c . 18d whose interior is in contact with a first anode functioning as a common anode 14 stands. In operation, for example, the inner gas spaces 18a . 18b . 18c . 18d with an oxidizable, preferably gaseous fluid such as hydrogen, methane or gaseous methanol. At the same time, for example, the outer surface of the second, acting as a cathode electrode 16 provided electrolyte membrane 12 contacted with a preferably gaseous oxidizing agent such as air or pure oxygen. This results in an electrochemical conversion of the in the inner gas spaces 18a . 18b . 18c . 18d guided oxidizable fluid with the release of an electric current flow between the first and the second electrode 14 . 16 which can be tapped and used by suitable external peripherals.

2 zeigt eine Aufsicht auf eine erste Großfläche einer Elektrolytmembran 12. Erkennbar sind die in dieser Ausführungsform beispielhaft in Form von Streifen ausgeführten Interkonnektoren 20. 2 shows a plan view of a first large area of an electrolyte membrane 12 , Visible are the interconnectors exemplified in this embodiment in the form of strips 20 ,

In 3 ist eine Aufsicht auf eine Innenseite der Elektrolytmembran 12 dargestellt. Erkennbar sind die ebenfalls streifenförmig ausgeführten Interkonnektoren 20, die beispielsweise phasenversetzt zu den in 2 vorgesehenen Interkonnektoren 20 positioniert sind.In 3 is a plan view of an inner side of the electrolyte membrane 12 shown. Visible are also the stripe-shaped interconnects 20 , for example, out of phase with those in 2 provided interconnects 20 are positioned.

4 zeigt die Anbindung einer Elektrolytmembran 12 an eine Randbegrenzung eines Brennstoffzellenstacks bzw. an eine Gehäusewand 22. Dabei wird die Elektrolytmembran 12 beispielsweise über geeignet positionierte Interkonnektoren 20 direkt mit einer Wandung des Brennstoffzellenstacks bzw. mit der Gehäusewand 22 verbunden. In diesem Fall entstehen neben den inneren Gasräumen 18a, 18b, 18c, 18d, die mit einem ersten oxidierbaren bzw. reduzierend wirkenden Fluid belegt werden, im Betrieb zweite innere Gasräume 24a, 24b, 24c, die mit einem als Oxidationsmittel wirkenden zweiten Fluid im Betrieb belegt sind. Auf diese Weise wird sowohl das oxidierbare erste Fluid als auch das als Oxidationsmittel wirkende zweite Fluid jeweils in inneren Gasräumen der elektrochemischen Zelle geführt. 4 shows the connection of an electrolyte membrane 12 to a boundary of a fuel cell stack or to a housing wall 22 , In this case, the electrolyte membrane 12 for example via suitably positioned interconnectors 20 directly with a wall of the fuel cell stack or with the housing wall 22 connected. In this case arise next to the inner gas chambers 18a . 18b . 18c . 18d , which are covered with a first oxidizable or reducing fluid, in operation second inner gas spaces 24a . 24b . 24c , which are occupied with a second fluid acting as an oxidizing agent in operation. In this way, both the oxidizable first fluid and the second fluid acting as the oxidizing agent are each guided in internal gas spaces of the electrochemical cell.

In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei bildet eine Mehrzahl von Elektrolytmembranen 12a, 12b, 12c eine übergeordnete Verbundanordnung elektrochemischer Zellen. Dabei sind die Elektrolytmembranen 12a, 12b, 12c jeweils über geeignete Interkonnektoren 20 miteinander so verbunden, dass vorzugsweise eine im Querschnitt netzförmige Grundstruktur innerer Gasräume entsteht. Dabei befinden sich, bezogen auf die Zeichnungsebene, in horizontaler und in vertikaler Richtung jeweils Gasräume, die mit einem gleichartigen Fluidstrom, hier beispielhaft Sauerstoff O2 bzw. H2, belegt sind, während hingegen entlang den bezogen auf die Zeichnungsebene verlaufenden Diagonalen eine Abfolge von Gasräumen entsteht, die jeweils alternierend mit einem ersten bzw. mit einem zweiten Fluidstrom belegt sind. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, ein Netzwerk von Gasräumen beliebiger Ausdehnung ohne Raumverluste zu realisieren. Gleichzeitig zeigt eine auf diese Weise übergeordnet ausgebildete Verbundanordnung elektrochemischer Zellen eine hohe mechanische und thermische Stabilität.In 5 another embodiment of the present invention is shown. In this case forms a plurality of electrolyte membranes 12a . 12b . 12c a superordinate composite arrangement of electrochemical cells. Here are the electrolyte membranes 12a . 12b . 12c in each case via suitable interconnectors 20 connected to each other so that preferably a cross-sectional reticular structure of internal gas chambers is formed. In this case, based on the plane of the drawing, in the horizontal and in the vertical direction, there are gas spaces which are occupied by a similar fluid flow, in this case oxygen O 2 or H 2 , while, on the other hand, a sequence of flows along the diagonals running in relation to the plane of the drawing Gas spaces arises, which are each occupied alternately with a first or with a second fluid flow. In this way it is possible to realize a network of gas chambers of any size without loss of space. At the same time, a composite arrangement of electrochemical cells having a superordinate design in this way exhibits high mechanical and thermal stability.

Alternativ ist es möglich, für die Ausführung der Elektrolytmembran 12 anstelle einer wellenförmigen Struktur eine treppenförmige oder eine gefaltete Struktur vorzusehen. Entsprechende Darstellungen dieser Ausführungsformen sind den 6 und 7 zu entnehmen.Alternatively, it is possible for the design of the electrolyte membrane 12 instead of a wave-shaped structure to provide a stepped or a folded structure. Corresponding representations of these embodiments are the 6 and 7 refer to.

Um zu erreichen, dass die Elektrolytmembran 12 als Tragstruktur der elektrochemischen Zelle 10 dient, weist diese beispielsweise eine Wandstärke auf, die um ein 1,1- bis 100faches, vorzugsweise ein Fünf- bis Fünfundzwanzigfaches und insbesondere ein Zehn- bis Zwanzigfaches der Schichtdicke der ersten und/oder zweiten Elektrode beträgt.To achieve that the electrolyte membrane 12 as a supporting structure of the electrochemical cell 10 serves, it has, for example, a wall thickness which amounts to a 1.1 to 100 times, preferably a five to twenty-five times and in particular a ten to twenty times the layer thickness of the first and / or second electrode.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle 10 tubularer Bauart eignet sich beispielsweise zum Einsatz in mobilen oder stationären Brennstoffzellensystemen, die auf Basis einer PEMFC oder einer SOFC aufgebaut sind. Weiterhin eignet sich die elektrochemische Zelle 10 zum Aufbau von Akkumulatoren, wobei in diesem Fall alle inneren Räume 18a bis 18d bzw. 20a bis 20d insbesondere mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt sind. In diesem Fall lassen sich besonders platzsparende Akkumulatoren wie beispielsweise Lithiumakkumulatoren darstellen.The electrochemical cell according to the invention 10 tubular design is suitable, for example, for use in mobile or stationary fuel cell systems, which are based on a PEMFC or a SOFC. Furthermore, the electrochemical cell is suitable 10 for the construction of accumulators, in which case all internal spaces 18a to 18d respectively. 20a to 20d especially with a liquid electrolyte are filled. In this case, can be particularly space-saving accumulators such as lithium batteries represent.

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Claims (16)

Elektrochemische Zelle zur Gewinnung elektrischer Energie, insbesondere Brennstoffzelle, die eine als Anode fungierende erste Elektrode sowie eine als Kathode fungierende zweite Elektrode umfasst sowie eine insbesondere flächig ausgeführte Festelektrolytschicht, wobei die erste und die zweite Elektrode über die Festelektrolytschicht in ionenleitendem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) als Tragstruktur der elektrochemischen Zelle (10) ausgebildet ist.Electrochemical cell for obtaining electrical energy, in particular a fuel cell, which comprises a first electrode functioning as an anode and a second electrode functioning as a cathode, and a solid electrolyte layer, in particular flat, the first and second electrodes being in ion-conducting contact via the solid electrolyte layer, characterized that the solid electrolyte layer ( 12 ) as a supporting structure of the electrochemical cell ( 10 ) is trained. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (14) auf einer ersten Großfläche der Festelektrolytschicht (12) positioniert ist und die zweite Elektrode (16) auf einer gegenüberliegenden zweiten Großfläche der Festelektrolytschicht (12).Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the first electrode ( 14 ) on a first large area of the solid electrolyte layer ( 12 ) and the second electrode ( 16 ) on an opposite second large area of the solid electrolyte layer ( 12 ). Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) eine gegenüber einer rein planaren Ausführungsform oberflächenvergrößernde Formgebung aufweist.Electrochemical cell according to claim 1 or 2, characterized in that the solid electrolyte layer ( 12 ) has a comparison with a purely planar embodiment oberflächenvergrößernde shape. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht eine gefaltete, treppenförmige, wabenförmige oder wellenförmige Struktur aufweist.Electrochemical cell according to Claim 3, characterized that the solid electrolyte layer has a folded, stepped, honeycomb or wavy structure has. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) eine höhere Schichtdicke aufweist als die erste und/oder zweite Elektrode (14, 16).Electrochemical cell according to one of claims 1 to 4, characterized in that the solid electrolyte layer ( 12 ) has a higher layer thickness than the first and / or second electrode ( 14 . 16 ). Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) eine 1,1- bis 100fach höhere Schichtdicke aufweist als die erste und/oder zweite Elektrode (14, 16).Electrochemical cell according to claim 5, characterized in that the solid electrolyte layer ( 12 ) has a 1.1 to 100 times higher layer thickness than the first and / or second electrode ( 14 . 16 ). Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) ein Polymerelektrolytmaterial oder ein keramisches Material enthält.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that the solid electrolyte layer ( 12 ) contains a polymer electrolyte material or a ceramic material. Elektrochemische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Festelektrolytschicht (12) mindestens ein Interkonnektor (20) zur strukturellen Anbindung der Festelektrolytschicht (12) an weitere Komponenten der elektrochemischen Zelle (10) vorgesehen sind.Electrochemical cell according to one of the preceding claims, characterized in that on the surface of the solid electrolyte layer ( 12 ) at least one interconnector ( 20 ) for the structural connection of the solid electrolyte layer ( 12 ) to further components of the electrochemical cell ( 10 ) are provided. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Interkonnektor (20) auf Bereiche der Festelektrolytschicht (12) aufgebracht ist, die in ihrer räumlichen Ausrichtung zumindest tangential parallel zur Ausrichtung der Festelektrolytschicht (12) als Ganzes orientiert sind.Electrochemical cell according to claim 8, characterized in that the at least one interconnector ( 20 ) on areas of the solid electrolyte layer ( 12 ) is applied, which in their spatial orientation at least tangentially parallel to the orientation of the solid electrolyte layer ( 12 ) are oriented as a whole. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen durch mindestens zwei mittels Interkonnektoren (20) miteinander verbundene Festelektrolytschichten (12a, 12b, 12c) gebildeten Gasraum (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst.Electrochemical cell according to one of claims 8 or 9, characterized in that it comprises one by at least two by means of interconnectors ( 20 ) interconnected solid electrolyte layers ( 12a . 12b . 12c ) formed gas space ( 18a . 18b . 18c . 18d ). Verbundanordnung mindestens zweier elektrochemischer Zellen, insbesondere Brennstoffzellenstack, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemischen Zellen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.Composite arrangement of at least two electrochemical cells, in particular fuel cell stack, characterized in that the electrochemical cells ( 10 ) are formed according to one of the preceding claims. Verbundanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und eine zweite jeweils mit Elektroden (14, 16) versehene Festelektrolytschicht (12a, 12b, 12c) mittels Interkonnektoren (20) miteinander verbunden werden, wobei die erste Festelektrolytschicht (12a) mit ihrer eine erste Elektrode (14) erster Polarität aufweisenden Seite mit einer eine erste Elektrode (14) gleicher Polarität aufweisenden Seite der zweiten Festelektrolytschicht (12b) in Kontakt gebracht und verbunden wird.Composite arrangement according to claim 11, characterized in that a first and a second each with electrodes ( 14 . 16 ) provided solid electrolyte layer ( 12a . 12b . 12c ) by means of interconnectors ( 20 ), wherein the first solid electrolyte layer ( 12a ) with a first electrode ( 14 ) having a first polarity side with a first electrode ( 14 ) having the same polarity side of the second solid electrolyte layer ( 12b ) and connected. Verwendung einer elektrochemischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Verbundanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 12 zur Herstellung von tubularen festelektrolytgeträgerten Brennstoffzellen.Use of an electrochemical cell after a of claims 1 to 10 or a composite arrangement according to one of claims 11 to 12 for the production of tubular solid electrolyte-supported fuel cells. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, wobei zunächst eine Festelektrolytschicht (12) in Form einer Tragstruktur erzeugt wird und diese mit einer als Anode fungierenden ersten Elektrode (14) sowie einer als Kathode fungierenden zweiten Elektrode (16) versehen wird, sodass die erste und die zweite Elektrode (14, 16) über die Festelektrolytschicht (12) in ionenleitendem Kontakt stehen.Method for producing an electrochemical cell, in particular a fuel cell, wherein initially a solid electrolyte layer ( 12 ) is produced in the form of a support structure and this with a first electrode acting as an anode ( 14 ) and a cathode acting as a second electrode ( 16 ), so that the first and second electrodes ( 14 . 16 ) over the solid electrolyte layer ( 12 ) are in ionic contact. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (12) mit einer gefalteten, treppenförmigen, wabenförmigen oder wellenförmigen Struktur versehen wird.A method according to claim 14, characterized in that the solid electrolyte layer ( 12 ) is provided with a folded, stepped, honeycomb or wavy structure. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Festelektrolytschicht (12) mindestens ein Interkonnektor (20) zur strukturellen Anbindung der Festelektrolytschicht (12) an weitere Vorrichtungskomponenten (22) aufgebracht wird, und dass mindestens zwei mit Interkonnektoren (20) versehene Festelektrolytschichten (12a, 12b, 12c) zu einer Verbundanordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zusammengefügt werden.A method according to claim 14 or 15, characterized in that on the surface of the solid electrolyte layer ( 12 ) at least one interconnector ( 20 ) for the structural connection of the solid electrolyte layer ( 12 ) to other device components ( 22 ) and at least two with interconnectors ( 20 ) provided solid electrolyte layers ( 12a . 12b . 12c ) are combined to form a composite arrangement, in particular according to one of claims 11 or 12.
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