DE102023201569A1

DE102023201569A1 - Wärmetauschervorrichtung, Elektrochemisches System und Verfahren zur Herstellung oder zum Betrieb der Wärmetauschervorrichtung

Info

Publication number: DE102023201569A1
Application number: DE102023201569.2A
Authority: DE
Inventors: Andrea Di Benedetto; Tilman Miehle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-02-22
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2024-08-22

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Wärmetauschervorrichtung für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit, mit zumindest einem Wärmetauscherelement, welches zumindest eine Oberflächenschicht aufweist.Es wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenschicht in zumindest einem Betriebszustand Aluminiumoxid umfasst.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Wärmetauschervorrichtung für Brennstoffzellen bekannt, mit zumindest einem Wärmetauscherelement, welches zumindest eine Oberflächenschicht in Form einer Chromoxid-Passivierungsschicht aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Wärmetauschervorrichtung für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit, mit zumindest einem Wärmetauscherelement, welches zumindest eine Oberflächenschicht aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenschicht in zumindest einem Betriebszustand Aluminiumoxid umfasst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wärmetauschervorrichtung kann eine erhöhte Lebensdauer der Wärmetauschervorrichtung und/oder der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit erreicht werden. Insbesondere kann eine Chromabdampfung an dem Wärmetauscherelement selbst bei hohen Betriebstemperaturen der Wärmetauschervorrichtung vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden. Hierdurch kann eine Chromvergiftung der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden.
Weiterhin kann eine Resistenz des Wärmetauscherelements gegenüber Korrosion, insbesondere bezüglich einer vorliegenden Gaszusammensetzung, welche in einem Betrieb in der Wärmetauschervorrichtung vorliegt, gesteigert werden.
Die Wärmetauschervorrichtung ist insbesondere Teil eines elektrochemischen Systems. Es ist denkbar, dass das elektrochemische System als Hochtemperatur-Elektrolysesystem ausgebildet ist, welches zumindest eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit mit zumindest einem Elektrolyseur aufweist. Vorzugsweise ist das elektrochemische System jedoch als Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem ausgebildet, welches zumindest eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit aufweist. Bei dem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem handelt es sich vorzugsweise um ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest der Brennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise weist das Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem neben der Wärmetauschervorrichtung und der Brennstoffzelleneinheit weitere Komponenten auf, wie beispielsweise zumindest einen Reformer und/oder zumindest einen Nachbrenner und/oder zumindest eine weitere Wärmetauschervorrichtung und/oder zumindest einen Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter und/oder zumindest eine Elektronikeinheit und/oder zumindest eine Steuerungseinheit.
Bei der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Energie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten Brenngases, und zumindest eines Oxidationsmittels, in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle weist vorzugsweise zumindest zwei Elektroden umfassend zumindest eine Kathode und zumindest eine Anode, eine Verbindung zumindest zwischen der Kathode und der Anode zur Leitung des elektrischen Stroms, sowie zumindest einen Elektrolyten auf. Die Brennstoffzelle kann weitere dem Fachmann sinnvoll erscheinende Bestandteile aufweisen. Vorzugsweise wird das Oxidationsmittel in einem Betriebszustand der Brennstoffzelle der Kathode zugeführt. Ferner wird das Brenngas in dem Betriebszustand vorzugsweise der Anode zugeführt.
Die Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Hochtemperatur-Brennstoffzelle ausgebildet. In der Brennstoffzelle liegen zumindest in dem Betriebszustand insbesondere Temperaturen von zumindest 350°C, vorzugsweise zumindest 400°C und bevorzugt zumindest 500°C vor. In der Brennstoffzelle liegen in zumindest dem Betriebszustand insbesondere Temperaturen von höchstens 850°C, vorzugsweise höchstens 750°C und bevorzugt höchstens 700°C vor. Hierdurch kann ein besonders effizienter Betrieb und/oder eine vorteilhafte Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht werden.
Es wäre denkbar, dass die Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit lediglich eine Brennstoffzelle aufweist. Vorteilhaft ist jedoch eine Ausbildung der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit zumindest zwei Brennstoffzellen und bevorzugt mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Hierdurch kann eine Leistung des elektrochemischen Systems vorteilhaft erhöht werden.
Das elektrochemische System, und zwar insbesondere das Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, ist vorzugsweise als Festoxidbrennstoffzellsystem mit zumindest einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildet. Die Festoxidbrennstoffzelleneinheit weist vorzugsweise zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle auf.
Bei der Wärmetauschervorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zu einem Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Medien. Vorzugsweise gibt ein zweites wärmeres Medium bei dem Wärmetausch durch die Wärmetauschervorrichtung Wärme an ein erstes kälteres Medium ab. Vorzugsweise kann eine Temperatur des zweiten Mediums in der Wärmetauschervorrichtung reduziert und eine Temperatur des ersten Mediums erhöht werden, wobei das zweite Medium vor dem Wärmetausch eine höhere Temperatur als das erste Medium aufweist. Bei den Medien handelt es sich vorzugsweise um Fluide.
Die Wärmetauschervorrichtung ist in dem elektrochemischen System vorzugsweise der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolyseeinheit vorgeschaltet und erwärmt ein der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolyseeinheit zugeführtes erstes Fluid. Vorzugsweise erwärmt die Wärmetauschervorrichtung das erste Fluid, insbesondere ein Oxidationsmittel, welches nach der Erwärmung in der Wärmetauschervorrichtung der Kathode der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Hierdurch kann eine Degradation und Hemmung der elektrochemischen Prozesse an der Kathode, insbesondere durch Chromvergiftung, vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden. Vorzugsweise erwärmt die Wärmetauschervorrichtung das erste Fluid auf eine Temperatur, welche in den oben genannten Temperaturbereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle fällt. Die Wärmetauschervorrichtung erwärmt das erste Fluid bevorzugt auf eine Temperatur von zumindest 500°C. Ferner erwärmt die Wärmetauschervorrichtung das erste Fluid bevorzugt auf eine Temperatur von höchstens 750°C. Weiterhin kühlt die Wärmetauschervorrichtung ein zweites Fluid, welches in der Wärmetauschervorrichtung Wärme an das erste Fluid abgibt. Es wäre denkbar, dass das zweite Fluid nicht mit der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolyseeinheit interagiert und beispielsweise extern von dem elektrochemischen System erwärmt wird. Bevorzugt ist die Wärmetauschervorrichtung in dem elektrochemischen System jedoch der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolyseeinheit zudem nachgeschaltet und kühlt ein von der Brennstoffzelleneinheit oder der Elektrolyseeinheit abgeführtes zweites Fluid. Die Wärmetauschervorrichtung kühlt vorzugsweise das zweite Fluid, insbesondere das in der Brennstoffzelleneinheit umgesetzte Oxidationsmittel, welches von der Kathode abgeführt wird und welches insbesondere als Kathodenabgas ausgebildet ist. Hierdurch kann ein besonders effizienter Wärmekreislauf des elektrochemischen Systems erreicht werden. Unter „vorgeschaltet“ und „nachgeschaltet“ soll insbesondere eine Anordnung der Bestandteile des elektrochemischen Systems entlang einer Transportrichtung des Fluids in einem Betriebszustand des elektrochemischen Systems, insbesondere in dem zuvor genannten Betriebszustand, verstanden werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Wärmetauschervorrichtung oder eine weitere Wärmetauschervorrichtung das erste Fluid, insbesondere das Brenngas, erwärmt, welches nach der Erwärmung in der Wärmetauschervorrichtung oder der weiteren Wärmetauschervorrichtung der Anode der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Hierdurch kann insbesondere eine Degradation der Anode, insbesondere durch Korrosion durch das Brenngas, vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden. Die Wärmetauschervorrichtung oder die weitere Wärmetauschervorrichtung kühlt vorzugsweise das zweite Fluid, insbesondere das Anodenabgas, welches von der Anode abgeführt wird. Insbesondere kann das elektrochemische System zumindest eine weitere Wärmetauschervorrichtung aufweisen. Diese kann beispielsweise einen Wärmeübertrag zwischen einem der Anode zugeführten und einem der Kathode abgeführten Fluid vermitteln.
Es wäre denkbar, dass die Wärmetauschervorrichtung eine direkte oder halbindirekte Wärmeübertragung bereitstellt. Vorzugsweise stellt das Wärmetauscherelement jedoch eine indirekte Wärmeübertragung bereit, wodurch Verunreinigungen, insbesondere des der Brennstoffzelleneinheit zugeführten ersten Fluids, reduziert werden können. Die Wärmetauschervorrichtung ist vorzugsweise als Kreuzstromwärmetauscher und/oder Gegenstromwärmetauscher ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders effektive Wärmeübertragung erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich wäre eine dem Fachmann sinnvoll erscheinende andersartige geometrische Führung der Fluide in der Wärmetauschervorrichtung denkbar. Die Wärmetauschervorrichtung ist vorzugsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Alternativ wären auch andere dem Fachmann sinnvoll erscheinende Bauformen, insbesondere von Rekuperatoren, der Wärmetauschervorrichtung möglich.
Das zumindest eine Wärmetauscherelement ist vorzugsweise als plattenartiges Bauelement ausgebildet. Darunter, dass ein Objekt „plattenartig“ ausgestaltet ist, soll verstanden werden, dass ein gedachter, das Objekt gerade noch umschließender, minimaler Quader existiert, dessen kürzeste Kantenlänge höchstens 30 %, insbesondere maximal 20 %, vorzugsweise höchstens 10 % und besonders bevorzugt maximal 5 % einer längsten Kantenlänge des Quaders beträgt. Besonders bevorzugt weist das Objekt zumindest eine unrunde Querschnittsfläche und vorteilhaft eine gleichbleibende Materialstärke auf. Es wäre denkbar, dass das plattenartige Element zumindest eine, vorzugsweise zumindest zwei, insbesondere einander gegenüberliegende, Seiten aufweist, die eine ebene, insbesondere glatte Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise sind/ist das Wärmetauscherelement und/oder die Oberfläche des Wärmetauscherelements gewellt ausgebildet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Stabilität des Wärmetauscherelements erreicht werden, insbesondere auch bei den oben genannten Betriebstemperaturen der Wärmetauschervorrichtung. Weiterhin kann ein Fluidtranssport und eine Effizienz des Wärmeaustauschs vorteilhaft verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass das Wärmetauscherelement als ein inneres Gehäuse der Wärmetauschervorrichtung und/oder rohrförmig ausgebildet ist.
Das Wärmetauscherelement, insbesondere ein Grundkörper des Wärmetauscherelements, ist vorzugsweise zumindest zu einem Großteil aus rostfreiem Stahl ausgebildet, welcher einen Chrom-Legierungsanteil aufweist. Hierdurch kann das Wärmetauscherelement eine Chromoxid-Passivschicht zu einem Schutz vor Korrosion ausbilden und/oder aufweisen. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ sollen dabei insbesondere zu zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % eines Masseanteils und/oder Volumenanteils verstanden werden.
Das Wärmetauscherelement weist vorzugsweise einen Randbereich auf, in und/oder auf welchem die Oberflächenschicht ausgebildet ist. Die Oberflächenschicht ist vorzugsweise auf dem Grundkörper des Wärmetauscherelements angeordnet. Es ist denkbar, dass das Wärmetauscherelement in jedem Betriebszustand eine Oberflächenschicht aufweist, welche Aluminiumoxid umfasst. Vorzugsweise beginnt eine Ausbildung der Oberflächenschicht des Wärmetauscherelements, welche Aluminiumoxid umfasst, jedoch erstmals in einem Betriebszustand der Wärmetauschervorrichtung bei einer Betriebstemperatur von zumindest 450°C. Hierdurch kann eine besonders effektiv schützende Oberflächenschicht auf eine einfache und kostengünstige Weise erzeugt werden. Insbesondere kann die Oberflächenschicht durch das Aufweisen von Aluminiumoxid einem Chromabdampfen von dem rostfreien Stahl des Wärmetauscherelements vorbeugen, wobei ein Chromabdampfen bei einer Betriebstemperatur von zumindest 500°C einsetzen kann. Das Wärmetauscherelement weist vorzugsweise zumindest in einem Betriebszustand, in welchem Bedingungen, insbesondere bezüglich einer Temperatur, für ein Chromabdampfen von dem Wärmetauscherelement erfüllt sind, eine Oberflächenschicht auf, welche Aluminiumoxid umfasst, und insbesondere das Chromabdampfen hemmt und/oder verhindert.
Die Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid umfasst, ist vorzugsweise zumindest zu einem Großteil als eine geschlossene und zusammenhängende Oberflächenschicht auf dem Grundkörper des Wärmetauscherelements ausgebildet.
Insbesondere weist eine Gesamtfläche der Oberflächenschicht Flächenanteile von höchstens 45 %, vorteilhaft höchstens 35 %, vorzugsweise höchstens 25 %, besonders bevorzugt höchstens 15 % und besonders vorteilhaft höchstens 5 % der Gesamtfläche auf, in welchen die Oberflächenschicht ungeschlossen vorliegt. Hierdurch kann ein besonders effektiver Schutz des Wärmetauscherelements durch die Oberflächenschicht bereitgestellt werden. Die Oberflächenschicht weist eine zumindest im Wesentlichen konstante Dicke auf. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine Abweichung der Dicke insbesondere weniger als 25%, vorzugsweise weniger als 10% und besonders bevorzugt weniger als 5% von einer mittleren Dicke abweicht. Die Oberflächenschicht ist vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden. Vorzugsweise unterscheidet sich die Oberflächenschicht von dem Grundkörper zumindest bezüglich einer elementaren Zusammensetzung.
Vorzugsweise weist die Oberflächenschicht neben Aluminiumoxid zudem zumindest Chromoxid auf. Weiterhin kann die Oberflächenschicht weitere Oxide, wie beispielsweise Nickeloxid und/oder Siliziumoxid und/oder Manganoxid aufweisen.
Es wäre denkbar, dass die Oberflächenschicht, welche zumindest Aluminiumoxid beinhaltet, vor einem ersten Betrieb der Wärmetauschervorrichtung auf den Grundkörper des Wärmetauscherelements aufgebracht wird, vorzugsweise mittels eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise mittels eines Aufdampfens. Vorteilhaft ist das Wärmetauscherelement jedoch aus einem Roh-Wärmetauscherelement hergestellt, welches einen Aluminiumoxidbildner aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine effektiv schützende Oberflächenschicht, insbesondere zum Schutz vor Chromabdampfung und/oder Korrosion, auf dem Grundkörper des Wärmetauscherelements auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise erzeugt werden. Insbesondere kann auf einen komplizierten und aufwendigen Prozess, in welchem das Aluminiumoxid von außerhalb des Wärmetauscherelements auf das Wärmetauscherelement aufgebracht werden muss, beispielsweise mittels eines Aufdampfverfahrens, verzichtet werden. Weiterhin kann eine vorteilhaft gleichförmige und/oder gleichmäßig vorliegende Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid umfasst, auf eine besonders einfache Weise erreicht werden. Insbesondere kann eine solche Ausgestaltung mittels einer Elementaranalyse des Roh-Wärmetauscherelements und/oder des Wärmetauscherelements, insbesondere des Grundkörpers des Wärmetauscherelements, nachgewiesen werden.
Vorzugsweise unterscheidet sich das Wärmetauscherelement zumindest durch die Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid aufweist, von dem Roh-Wärmetauscherelement. Vorzugsweise ist das Aluminium in der Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid umfasst, des Wärmetauscherelements lediglich mittels des Aluminiumoxidbildners in dem Roh-Wärmetauscherelement bereitgestellt. Das Aluminiumoxid in der Oberflächenschicht des Wärmetauscherelements ist vorzugsweise durch Oxidation des Aluminiumoxidbildners in dem Roh-Wärmetauscherelement bereitgestellt. Vorzugsweise weist auch das Wärmetauscherelement, insbesondere der Grundkörper des Wärmetauscherelements, den Aluminiumoxidbildner auf. Insbesondere weist der Grundkörper des Wärmetauscherelements einen Restbestandteil des Aluminiumoxidbildners mit einem Massenanteil und/oder Volumenanteil von weniger als 8 % auf.
Vorzugsweise ist das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil aus rostfreiem Stahl ausgebildet. Das Roh-Wärmetauscherelement weist vorzugsweise einen hohen Chrom-Massenanteil und/oder Volumenanteil, insbesondere einen Chrom-Legierungsanteil, von zumindest 10 %, vorzugsweise von wenigstens 11 %, vorteilhaft von mindestens 12 % und besonders bevorzugt von zumindest 13 % auf.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Aluminiumoxidbildner einen Massenanteil und/oder Volumenanteil des Roh-Wärmetauscherelements von zumindest 1 %, insbesondere von zumindest 2 % und bevorzugt von zumindest 3 % ausbildet, wodurch im Roh-Wärmetauscherelement insbesondere ausreichend Aluminiumoxidbildner für eine effektive Bildung einer Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid umfasst, insbesondere einer Aluminiumoxid-Oberflächenschicht, auf dem Grundkörper des Wärmetauscherelements vorliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Aluminiumoxidbildner einen Massenanteil und/oder Volumenanteil des Roh-Wärmetauscherelements von höchstens 8 %, insbesondere von maximal 7 % und bevorzugt von höchstens 6 % ausbildet. Hierdurch können vorteilhafte Eigenschaften des Grundkörpers des Wärmetauscherelements, welches vorzugsweise zumindest zu einem Großteil als rostfreiem Stahl ausgebildet ist, insbesondere bezüglich einer mechanischen Festigkeit und/oder einer Kristallinität und/oder einer Temperaturbeständigkeit, bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der Aluminiumoxidbildner Aluminium aufweist, wodurch eine besonders effiziente Umwandlung des Aluminiumoxidbildners des Roh-Wärmetauscherelements in eine Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid aufweist, des Wärmetauscherelements stattfinden kann. Der Aluminiumoxidbildner weist vorzugsweise elementares Aluminium auf und/oder ist als elementares Aluminium ausgebildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders hohe mechanische Festigkeit und/oder Zeitstandfestigkeit bei den oben genannten Betriebstemperaturen der Wärmetauschervorrichtung erreicht werden, insbesondere bezüglich geforderter Lebensdauern von zumindest 60000 h. Weiterhin kann eine vorteilhaft gleichmäßige Wärmeausdehnung durch die zumindest zu einem Großteil austenitische Ausbildung des Wärmetauschelements bereitgestellt werden. Vorzugsweise ist zumindest der Grundkörper des Wärmetauscherelements zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet. Vorzugsweise ist bereits das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet ist. Hierdurch kann eine gute Hitzebeständigkeit bei einer einfachen Herstellung und einer hohen Verfügbarkeit erreicht werden. Für diese Ausgestaltung ist vorzugsweise zumindest der Grundkörper des Wärmetauscherelements zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet und insbesondere bereits das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet. Insbesondere kann für solch ein Wärmetauscherelement ferritischer rostfreie Stahl verwendet werden, welcher mit Hilfe eines hohen Aluminiumanteils wie beispielsweise bei einem Werkstoff 1.4767 zusätzlich zur Chromoxidschicht eine Aluminiumoxidschicht ausbildet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil auf Basis von zumindest einer Nickelbasislegierung ausgebildet ist. Hierdurch kann eine hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Die Nickelbasislegierung ist dabei vorzugsweise eine metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Nickel darstellt und welche zumindest einen weiteren Legierungsstoff enthält. Für diese Ausgestaltung ist vorzugsweise zumindest der Grundkörper des Wärmetauscherelements zumindest zu einem Großteil auf Basis von der zumindest einen Nickelbasislegierung ausgebildet und insbesondere bereits das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil auf Basis von der zumindest einen Nickelbasislegierung ausgebildet.
Zudem wäre grundlegend denkbar, dass das Wärmetauscherelement, insbesondere bezüglich einer teilweisen austenitischen und/oder ferritischen und/oder auf einer Nickelbasislegierung basierenden Ausbildung, gemischt ausgebildet ist. Hierbei kann das Wärmetauscherelement beispielsweise eine ferritische Ausbildung aufweisen und in Bereichen, in welchen in der Wärmetauschervorrichtung besonders hohe Betriebstemperaturen vorliegen, insbesondere eine austenitische Ausbildung aufweisen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenschicht eine maximale Dicke von zumindest 10 nm, insbesondere von mindestens 50 nm und besonders bevorzugt von wenigstens 100 nm aufweist. Hierdurch kann ein besonders effektiver Schutz durch die Oberflächenschicht, insbesondere vor Chromabdampfung und/oder Korrosion, bereitgestellt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenschicht eine maximale Dicke von maximal 15 µm, insbesondere von höchstens 12 µm und besonders bevorzugt von maximal 8 µm aufweist, wodurch die Oberflächenschicht insbesondere auf eine einfache Weise hergestellt werden kann. Weiterhin kann eine effiziente Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschelements bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Oberflächenschicht einen Fluidraum zu einem Transport von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, oder Wasserstoff und/oder Abgas, insbesondere Kathodenabgas und/oder Anodenabgas, zumindest teilweise begrenzt. Hierdurch kann eine besonders effiziente Energieerzeugung in der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden. Zudem kann eine Korrosion und/oder Chromabdampfung im Fluidraum vorteilhaft reduziert werden. Das der Kathode zugeführte Oxidationsmittels weist vorzugsweise Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff auf. Vorzugsweise weist das der Anode zugeführte Brenngas Wasserstoff auf. Das Abgas, insbesondere das Kathodenabgas oder Anodenabgas, ist vorzugsweise als Rest und/oder als zumindest ein Reaktionsprodukt des umgesetzten Oxidationsmittels oder Brenngases an der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, insbesondere der Kathode oder der Anode der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit, ausgebildet. Das Wärmetauscherelement, und zwar insbesondere dessen Oberflächenschicht, ist vorzugsweise zwischen einem ersten Fluidraum eines ersten Fluids und einem zweiten Fluidraum eines zweiten Fluids angeordnet. Vorzugsweise ist das Wärmetauscherelement für eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid vorgesehen. Unter „vorgesehen“ soll speziell programmiert, ausgelegt und/oder 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. Weiterhin ist es denkbar, dass das zumindest eine Wärmetauscherelement, und zwar insbesondere dessen Oberflächenschicht, den gesamten Fluidraum begrenzt. Hierdurch kann eine Korrosion und/oder Chromabdampfung im Fluidraum vorteilhaft vermieden werden.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung oder zum Betrieb einer Wärmetauschervorrichtung für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit vorgeschlagen, in welchem ein Roh-Wärmetauscherelement an einer Oberfläche mit einer Oberflächenschicht versehen wird, welche Aluminiumoxid umfasst. Hierdurch kann eine erhöhte Lebensdauer der Wärmetauschervorrichtung und/oder der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Chromabdampfung an dem Wärmetauscherelement selbst bei hohen Betriebstemperaturen der Wärmetauschervorrichtung vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden. Hierdurch kann eine Chromvergiftung der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit oder der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit vorteilhaft reduziert und/oder vermieden werden. Weiterhin kann eine Resistenz des Wärmeaustauschelements gegenüber Korrosion, insbesondere im Vergleich zu dem Roh-Wärmetauschelement, gesteigert werden.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weitere Verfahrensschritte. Vorzugsweise wird in einem ersten Verfahrensschritt zumindest ein Legierungsstoff, insbesondere zumindest ein Legierungselement, an Stahl hinzulegiert. Vorzugsweise wird der Legierungsstoff hierbei einer Urschmelze hinzugefügt. Alternativ ist denkbar, dass der Legierungsstoff in weiteren Prozessschritten der Stahlerzeugung, beispielsweise in einer Sekundärmetallurgie, hinzulegiert wird.
Der Legierungsstoff kann hierbei verschiedene Materialien umfassen. Vorzugsweise umfasst der Legierungsstoff zumindest Chrom. Hierdurch kann das Wärmetauscherelement eine Chromoxid-Passivschicht zu einem Schutz vor Korrosion ausbilden und/oder aufweisen. Vorzugsweise ist der erste Verfahrensschritt hierbei zeitlich vor einem zweiten Verfahrensschritt ausgebildet, in welchem der legierte Stahl zu dem Roh-Wärmetauscherelement ausgebildet, und zwar insbesondere zumindest geformt, wird. In einem dritten Verfahrensschritt, welcher vorzugsweise zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt ausgeführt wird, wird die Wärmetauschervorrichtung zumindest teilweise durch das Roh-Wärmetauscherelement ausgebildet. In einem vierten Verfahrensschritt wird das Roh-Wärmetauscherelement zu einer Herstellung des Wärmetauscherelements vorzugsweise an einer Oberfläche mit einer Oberflächenschicht versehen, welche Aluminiumoxid umfasst. Vorzugsweise wird der vierte Verfahrensschritt zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt ausgeführt. Bevorzugt kann der vierte Verfahrensschritt während einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung, insbesondere bei Betriebstemperaturen von zumindest 450°C, stattfinden. Alternativ ist jedoch denkbar, dass der vierte Verfahrensschritt zeitlich vor dem dritten Verfahrensschritt, insbesondere vor einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung, ausgeführt wird. Hierbei wird die Wärmetauschervorrichtung in dem dritten Verfahrensschritt zumindest teilweise durch das Wärmetauscherelement ausgebildet.
Es wäre denkbar, dass das Roh-Wärmetauscherelement an einer Oberfläche mittels eines Aufdampf-Prozesses mit einer Oberflächenschicht versehen wird, welche Aluminiumoxid umfasst. Vorteilhaft weist das Roh-Wärmetauscherelement jedoch einen Aluminiumoxidbildner auf und die Oberflächenschicht wird durch Oxidation des Aluminiumoxidbildners hergestellt. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine effektiv schützende Oberflächenschicht, insbesondere zum Schutz vor Chromabdampfung und/oder Korrosion, auf dem Grundkörper des Wärmetauscherelements auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise erzeugt werden. Insbesondere kann auf einen komplizierten und aufwendigen Prozess, in welchem das Aluminiumoxid von außerhalb dem Wärmetauscherelement auf das Wärmetauscherelement aufgebracht werden muss, beispielsweise mittels eines Aufdampfverfahrens, verzichtet werden. Weiterhin kann eine vorteilhaft gleichförmige und/oder gleichmäßig vorliegende Oberflächenschicht, welche Aluminiumoxid umfasst, auf eine besonders einfache Weise erreicht werden. Vorzugsweise weist der Legierungsstoff, insbesondere neben Chrom, einen Aluminiumoxidbildner, insbesondere elementares Aluminium, auf.
Vorzugsweise wird das Aluminium in der Oberflächenschicht lediglich durch den Aluminiumoxidbildner, insbesondere durch eine Oxidation des Aluminiumoxidbildners, bereitgestellt. Hierdurch kann eine Komplexität des Verfahrens weiterhin verringert werden. Der Aluminiumoxidbildner oxidiert vorzugsweise durch eine Temperaturbehandlung, insbesondere bei Temperaturen von zumindest 450°C, unter einer Atmosphäre, welche Sauerstoff aufweist, zu dem Aluminiumoxid. Vorzugsweise findet die Ausbildung der Oberflächenschicht, insbesondere die Oxidation des Aluminiumoxidbildners, während einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung statt. Hierdurch kann die Oberflächenschicht auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise ausgebildet werden. Alternativ wäre jedoch auch denkbar, dass die Ausbildung der Oberflächenschicht, insbesondere die Oxidation des Aluminiumoxidbildners vor dem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung stattfindet. Hierbei kann insbesondere eine Temperaturbehandlung des Wärmetauscherelements von zumindest 450° außerhalb des Betriebs der Wärmetauschervorrichtung stattfinden. Insbesondere kann die Ausbildung der Oberflächenschicht an dem einzelnen Roh-Wärmetauscherelement vor einer Montage der Wärmetauschervorrichtung stattfinden. Alternativ kann die Ausbildung der Oberflächenschicht an einer teilweise fertig und/oder komplett fertig montierten Wärmetauschervorrichtung stattfinden, welche nicht im elektrochemischen System verbaut ist. Alternativ wäre weiterhin denkbar, dass die Ausbildung der Oberflächenschicht bei Inbetriebnahme der in dem elektrochemischen System verbauten und montierten Wärmetauschervorrichtung stattfindet, wobei die Inbetriebnahme insbesondere zeitlich vor einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung stattfindet.
Zudem wird vorgeschlagen, dass das Roh-Wärmetauscherelement aus einer Stoffzusammensetzung hergestellt ist, welche einen Austenitbildner, insbesondere Nickel und/oder Mangan, aufweist, und das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet wird. Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine besonders hohe mechanische Festigkeit und/oder Zeitstandfestigkeit bei den oben genannten Betriebstemperaturen der Wärmetauschervorrichtung erreicht werden. Vorzugsweise weist der Legierungsstoff einen Austenitbildner auf. Bei der Stoffzusammensetzung handelt es sich vorzugsweise um eine Schmelze bei der Stahlherstellung, welche den Legierungsstoff aufweist, welcher neben dem Austenitbildner insbesondere zumindest Chrom und den Aluminiumoxidbildner umfasst. Das Roh-Wärmetauscherelement wird vorzugsweise mittels dem Austenitbildner in einem Abkühlprozess, insbesondere in dem zweiten Verfahrensschritt, austenitisch ausgebildet. Vorzugsweise wird die Schmelze in dem Abkühlprozess abgekühlt und in einen festen Zustand überführt. Alternativ ist denkbar, dass das Roh-Wärmetauscherelement zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet wird oder zumindest zu einem Großteil auf Basis von zumindest einer Nickelbasislegierung ausgebildet wird.
Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung, das elektrochemische System und das Verfahren zur Herstellung oder zum Betrieb der Wärmetauschervorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung, das elektrochemische System und das Verfahren zur Herstellung oder zum Betrieb der Wärmetauschervorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Teils eines elektrochemischen Systems mit einer Wärmetauschervorrichtung und einer Brennstoffzelleneinheit,
2 eine schematische Ansicht der Wärmetauschervorrichtung,
3 eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines Wärmetauscherelements der Wärmetauschervorrichtung,
4 eine schematische Ansicht eines Roh-Wärmetauscherelements, aus welchem das Wärmetauscherelement ausgebildet wird, und
5 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung der Wärmetauschervorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines elektrochemischen Systems 34. Das elektrochemische System 34 ist vorliegend als ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem 36 mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit 12 in Form einer Festoxidbrennstoffzelleneinheit ausgebildet. Alternativ ist denkbar, dass das elektrochemische System 34 als ein Hochtemperatur-Elektrolysesystem ausgebildet ist. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit 12 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 38 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit 12 als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 38. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit 12 weist eine Anode 42 und eine Kathode 40 auf. Ferner weist das elektrochemische System 34 vorliegend eine Wärmetauschervorrichtung 10 auf, welche dazu vorgesehen ist, ein Fluid 44, insbesondere Sauerstoff, aufzuwärmen. Weiterhin kann das elektrochemische System 34 weitere Wärmetauschervorrichtungen aufweisen (nicht dargestellt). Das Fluid 44 wird durch die Wärmetauschervorrichtung 10 zu einem erwärmten Fluid 46 erwärmt. Das erwärmte Fluid 46 wird in der vorliegenden Ausgestaltung der Kathode 40 zugeführt. Ferner ist die Wärmetauschervorrichtung 10 dazu vorgesehen, ein vor und/oder in der Brennstoffzelle 38 erwärmtes, von der Kathode 40 abgeführte Fluid 48, insbesondere Kathodenabgas, abzukühlen. Ein von der Kathode 40 abgeführte und durch die Wärmetauschervorrichtung 10 abgekühlte Fluid 50 kann aus dem Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem 36 abgeführt werden. Der Anode 42 wird ein Brenngas 52, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Alternativ oder zusätzlich wäre es möglich, dass die Wärmetauschervorrichtung 10 oder eine weitere Wärmetauschervorrichtung (nicht dargestellt) dazu vorgesehen ist, das Brenngas 52 aufzuwärmen und ein Anodenabgas abzukühlen.
2 zeigt eine schematische und vereinfachte Ansicht der Wärmetauschervorrichtung 10 mit zumindest einem Wärmetauscherelement 14. Die Wärmetauschervorrichtung 10 weist das zumindest eine Wärmetauscherelement 14, sowie zumindest ein Gehäuse und zumindest eine Rohrverbindung (nicht dargestellt), insbesondere zu einer Bündelung und/oder einem Transport der Fluide 44, 46, 48, 50, auf. Alternativ wäre denkbar, dass das Gehäuse und die zumindest eine Rohrverbindung als Teil des zumindest einen Wärmetauscherelements 14 oder als weitere Wärmetauscherelemente ausgebildet sind. Die Wärmetauschervorrichtung 10 ist vorliegend als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet, wobei auch andere Ausgestaltungen denkbar sind. Die Wärmeübertragung in der Wärmetauschervorrichtung 10 ist indirekt. Die Wärmetauschervorrichtung 10 ist vorliegend als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist eine Ausbildung der Wärmetauschervorrichtung 10 als Gegenstromwärmetauscher denkbar.
Das Wärmetauscherelement 14 ist vorliegend plattenartig ausgebildet. Weiterhin weist das Wärmetauscherelement 14 vorliegend glatte Oberflächen auf. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung, in welcher das Wärmetauscherelement 14 gewellt ausgebildet ist. Die Wärmetauschervorrichtung 10 weist in der vereinfachten Darstellung drei Wärmetauscherelemente 14 auf. Jedoch kann die Wärmetauschervorrichtung 10 für einen effektiven Betrieb eine Vielzahl von Wärmetauscherelementen 14 aufweisen. Das Wärmetauscherelement 14 ist zumindest zu einem Großteil aus rostfreiem Stahl ausgebildet. Das Wärmetauscherelement 14 beinhaltet einen Chrom-Legierungsanteil.
3 zeigt, dass das Wärmetauscherelement 14 zumindest eine Oberflächenschicht 16 aufweist, welche in zumindest einem Betriebszustand Aluminiumoxid umfasst. Das Wärmetauscherelement 14 weist zudem einen Grundkörper 26 auf. Die Oberflächenschicht 16 ist auf dem Grundkörper 26 ausgebildet und mit diesem verbunden. Die Oberflächenschicht 16 ist zumindest im Wesentlichen geschlossen auf dem Wärmetauscherelement 14 ausgebildet. Weiterhin weist die Oberflächenschicht 16 eine zumindest im Wesentlichen konstante Dicke 24 auf. Die Oberflächenschicht 16 weist eine Dicke 24 von zumindest 100 nm und höchstens 8 µm auf.
4 zeigt ein Roh-Wärmetauscherelement 18. Das Wärmetauscherelement 14 ist aus dem Roh-Wärmetauscherelement 18 hergestellt. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 ist zumindest zu einem Großteil aus rostfreiem Stahl ausgebildet. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 weist einen Masseanteil, und zwar einen Chrom-Legierungsanteil, von zumindest 13 % auf. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 weist zudem eine Oberfläche 22 auf, welche zur Herstellung des Wärmetauscherelements 14 mit einer Oberflächenschicht 16, welche Aluminiumoxid umfasst, versehen wird. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 weist ferner einen Aluminiumoxidbildner auf, welcher das Aluminium in der Oberflächenschicht 16 des Wärmetauscherelements 14 bereitstellt. Das Aluminium in der Oberflächenschicht 16 des Wärmetauscherelements 14 wird vorliegend lediglich durch den Aluminiumoxidbildner in dem Roh-Wärmetauscherelement 18 bereitgestellt. Der Aluminiumoxidbildner bildet einen Massenanteil und/oder Volumenanteil des Roh-Wärmetauscherelements 18 von zumindest 3 % und höchstens 6 % aus. Der Aluminiumoxidbildner weist Aluminium, vorliegend elementares Aluminium, auf.
Das Wärmetauscherelement 14 ist zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet. Zudem ist vorliegend bereits das Roh-Wärmetauscherelement 18 zu zumindest einem Großteil austenitisch ausgebildet. Alternativ ist denkbar, dass das Wärmetauscherelement 14 zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet ist. Weiterhin ist alternativ denkbar, dass das Wärmetauscherelement 14 zumindest zu einem Großteil auf Basis von zumindest einer Nickelbasislegierung ausgebildet ist.
Die Oberflächenschicht 16 begrenzt einen Fluidraum 20 zu einem Transport von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, oder Wasserstoff und/oder Abgas, insbesondere Kathodenabgas und/oder Anodenabgas, zumindest teilweise. Das Wärmetauscherelement 14 ist zwischen einem Fluidraum 20 eines ersten Fluids 44, 46 und einem Fluidraum 20 eines zweiten Fluids 48, 50 angeordnet. Das Wärmetauscherelement 14 ist für eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid 44 und dem zweiten Fluid 48 vorgesehen. Die Fluide 44, 46, 48, 50 stehen in lediglich einem indirekten Kontakt über das Wärmetauscherelement 14. Die Fluide 44, 46, 48, 50 stehen, zumindest bezüglich dem Wärmetauscherelement 14, lediglich in einem direkten Kontakt mit der Oberflächenschicht 16 des Wärmetauscherelements 14. Weiterhin ist es denkbar, dass das Wärmetauscherelement 14, und zwar insbesondere dessen Oberflächenschicht 16, den gesamten Fluidraum 20 begrenzt.
In 5 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung der Wärmetauschervorrichtung 10 für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit 12 oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit dargestellt.
Das Verfahren umfasst einen ersten Verfahrensschritt 100, in welchem zumindest ein Legierungsstoff, insbesondere zumindest ein Legierungselement an eine Stoffzusammensetzung zur Herstellung von Stahl hinzulegiert wird. Die Stoffzusammensetzung ist durch eine Schmelze im Stahlherstellungsprozess ausgebildet. Der Legierungsstoff wird vorliegend einer Urschmelze hinzugefügt. Alternativ ist denkbar, dass der Legierungsstoff oder zumindest ein Bestandteil des Legierungsstoffs in weiteren Prozessschritten der Stahlerzeugung, beispielsweise in einer Sekundärmetallurgie, hinzulegiert wird. Der Legierungsstoff umfasst vorliegend zumindest Chrom zur Erzeugung von rostfreiem Stahl, einen Aluminiumoxidbildner und einen Austenitbildner, insbesondere Nickel und/oder Mangan. Alternativ oder zusätzlich wäre es denkbar, dass der Austenitbildner einen anderen als Austenitbildner bekannten Stoff umfasst. In einem weiteren Verfahrensschritt 102 wird die Stoffzusammensetzung, insbesondere der legierte Stahl, zu dem Roh-Wärmetauscherelement 18 ausgebildet, und zwar vorliegend zumindest geformt. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 wird zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet. Das Roh-Wärmetauscherelement 18 wird zumindest mittels dem Austenitbildner in einem Abkühlprozess austenitisch ausgebildet. Die Stoffzusammensetzung, insbesondere die Schmelze, wird in dem Abkühlprozess abgekühlt und in einen festen Zustand überführt. Die Wärmetauschervorrichtung 10 wird in einem Verfahrensschritt 104 zumindest teilweise durch das Roh-Wärmetauscherelement 18 ausgebildet. In einem weiteren Verfahrensschritt 106 wird das Roh-Wärmetauscherelement 18 zu einer Herstellung des Wärmetauscherelements 14 an der Oberfläche 22 mit einer Oberflächenschicht 16 versehen, welche Aluminiumoxid umfasst. Der Verfahrensschritt 106 findet während einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung 10, insbesondere bei Betriebstemperaturen von zumindest 450°C, statt. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass der Verfahrensschritt 106 vor dem Verfahrensschritt 104 und insbesondere vor einem Betrieb der Wärmetauschervorrichtung 10 ausgeführt wird. Hierbei wird die Wärmetauschervorrichtung 10 in dem Verfahrensschritt 104 zumindest teilweise durch das Wärmetauscherelement 14 ausgebildet. Alternativ ist weiterhin denkbar, dass das Roh-Wärmetauscherelement 18 zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet wird. Zudem ist alternativ denkbar, dass das Roh-Wärmetauscherelement 18 zumindest zu einem Großteil auf Basis von zumindest einer Nickelbasislegierung ausgebildet wird.
Die Oberflächenschicht 16 wird in dem Verfahrensschritt 106 durch Oxidation des Aluminiumoxidbildners hergestellt. Das Aluminium in der Oberflächenschicht 16 wird hierbei lediglich durch den Aluminiumoxidbildner, insbesondere durch eine Oxidation des Aluminiumoxidbildners, bereitgestellt. Der Aluminiumoxidbildner oxidiert vorzugsweise durch eine Temperaturbehandlung, insbesondere bei Temperaturen von zumindest 450°C, unter einer Atmosphäre, welche Sauerstoff aufweist, zu dem Aluminiumoxid. Die Oberflächenschicht 16 wird vorliegend lediglich durch Oxidation ausgebildet. Alternativ wäre denkbar, dass das Roh-Wärmetauscherelement 18 in dem Verfahrensschritt 106 an einer Oberfläche 22 mittels eines Aufdampf-Prozesses mit einer Oberflächenschicht 16 versehen wird, welche Aluminiumoxid umfasst.

Claims

Wärmetauschervorrichtung (10) für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit (12) oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit, mit zumindest einem Wärmetauscherelement (14), welches zumindest eine Oberflächenschicht (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (16) in zumindest einem Betriebszustand Aluminiumoxid umfasst.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (14) aus einem Roh-Wärmetauscherelement (18) hergestellt ist, welches einen Aluminiumoxidbildner aufweist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumoxidbildner einen Massenanteil und/oder Volumenanteil des Roh-Wärmetauscherelements (18) von zumindest 1 % ausbildet.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumoxidbildner einen Massenanteil und/oder Volumenanteil des Roh-Wärmetauscherelements (18) von höchstens 8 % ausbildet.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumoxidbildner Aluminium aufweist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (14) zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet ist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (14) zumindest zu einem Großteil ferritisch ausgebildet ist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (14) zumindest zu einem Großteil auf Basis von zumindest einer Nickelbasislegierung ausgebildet ist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (16) eine maximale Dicke (24) von zumindest 10 nm aufweist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (16) eine maximale Dicke (24) von maximal 15 µm aufweist.
Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (16) einen Fluidraum (20) zu einem Transport von Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff, oder Wasserstoff und/oder Abgas, insbesondere Kathodenabgas und/oder Anodenabgas, zumindest teilweise begrenzt.
Elektrochemisches System (34) mit zumindest einer Wärmetauschervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit der Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit (12) oder der Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit.
Verfahren zur Herstellung oder zum Betrieb einer Wärmetauschervorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelleneinheit (12) oder eine Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit, wobei ein Roh-Wärmetauscherelement (18) an einer Oberfläche (22) mit einer Oberflächenschicht (16) versehen wird, welche Aluminiumoxid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Roh-Wärmetauscherelement (18) einen Aluminiumoxidbildner aufweist und die Oberflächenschicht (16) durch Oxidation des Aluminiumoxidbildners hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Roh-Wärmetauscherelement (18) aus einer Stoffzusammensetzung hergestellt wird, welche Austenitbildner, insbesondere Nickel oder Mangan, oder eine Kombination von Nickel und Mangan aufweist, und das Roh-Wärmetauscherelement (18) zumindest zu einem Großteil austenitisch ausgebildet wird.