DE112024000027T5

DE112024000027T5 - Kanalstruktur und elektrochemische zelle

Info

Publication number: DE112024000027T5
Application number: DE112024000027.4T
Authority: DE
Inventors: Takashi Shiratori; Toshiyuki Nakamura; Genta Terazawa; Makoto Ohmori
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2024-03-19
Filing date: 2024-03-19
Publication date: 2025-12-24
Also published as: JPWO2025141901A1; US20250297388A1; WO2025141901A1; JP7700386B1

Abstract

Die vorliegende Kanalstruktur beinhaltet ein erstes Substrat, ein zweites Substrat und einen Abstandshalter. Das erste Substrat beinhaltet einen gasdurchdrungenen Abschnitt. Der gasdurchdrungene Abschnitt ist ein Abschnitt, der bewirkt, dass ein Gas durch denselben hindurchdringt. Das zweite Substrat beinhaltet einen Überstand. Der Überstand steht in Richtung des ersten Substrats hervor. Der Abstandshalter ist zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat angeordnet. Der Abstandshalter ist konfiguriert, einen Spalt zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat zu erzeugen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kanalstruktur und eine elektrochemische Zelle.
Stand der Technik
Das Stützen eines Zellenkörpers durch ein metallisches Substrat ist als eine Struktur für eine elektrochemische Zelle, wie etwa eine Elektrolysezelle, eine Brennstoffzelle oder so weiter, bekannt. Zum Beispiel ist eine elektrochemische Zelle, die in Patentliteratur 1 offenbart ist, so strukturiert, dass eine Elektrodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Gegenelektrodenschicht in dieser Reihenfolge auf ein metallisches Substrat laminiert sind. Das metallische Substrat beinhaltet eine Vielzahl von Durchgangslöchern zum Zuführen von Rohmaterialgas zu der Elektrodenschicht.
Außerdem beinhaltet die elektrochemische Zelle einen Zwischenverbinder, der als ein Kanal für das Rohmaterialgas dient. Der Zwischenverbinder beinhaltet eine Vielzahl von Überständen, die in Richtung des metallischen Substrats hervorstehen. Dabei ist jeder Überstand konfiguriert, mit dem metallischen Substrat in Kontakt zu sein.
LITERATURLISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: Internationale Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. WO2018/181926
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Probleme
In der elektrochemischen Zelle, die den wie oben beschriebenen Zwischenverbinder beinhaltet, sind eines oder mehrere der mehreren Durchgangslöcher in dem metallischen Substrat unerwünschterweise mit einem oder mehreren der mehreren Überstände auf dem Zwischenverbinder bedeckt; insofern kann eine so entstehende Verschlechterung der Leistung der elektrochemischen Zelle zu Problemen führen.
Angesichts des Vorgenannten ist es somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verschlechterung der Leistung einer elektrochemischen Zelle zu verhindern.
Lösung der Probleme
Eine Kanalstruktur gemäß einem ersten Aspekt beinhaltet ein erstes Substrat, ein zweites Substrat und einen Abstandshalter. Das erste Substrat beinhaltet einen gasdurchdrungenen Abschnitt. Der gasdurchdrungene Abschnitt bewirkt, dass ein Gas durch denselben hindurchdringt. Das zweite Substrat beinhaltet einen Überstand. Der Überstand steht in Richtung des ersten Substrats hervor. Der Abstandshalter ist zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat angeordnet. Der Abstandshalter ist konfiguriert, einen Spalt zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat zu erzeugen.
Gemäß dieser Konfiguration wird der Spalt zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat durch den Abstandshalter erzeugt; demzufolge kann verhindert werden, dass ein Durchgangsloch mit dem Überstand bedeckt wird. Infolgedessen kann eine Verschlechterung der Leistung einer elektrochemischen Zelle verhindert werden.
Eine Kanalstruktur gemäß einem zweiten Aspekt der Kanalstruktur gemäß dem ersten Aspekt ist zudem wie folgt konfiguriert. Das erste Substrat beinhaltet ein Durchgangsloch als den gasdurchdrungenen Abschnitt.
Eine Kanalstruktur gemäß einem dritten Aspekt der Kanalstruktur gemäß dem zweiten Aspekt ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter ist entlang des Durchgangslochs angeordnet.
Eine Kanalstruktur gemäß einem vierten Aspekt der Kanalstruktur gemäß dem dritten Aspekt ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter erstreckt sich in einer ringförmigen Form und ist in der Höhe uneben.
Eine Kanalstruktur gemäß einem fünften Aspekt der Kanalstruktur gemäß dem dritten oder vierten Aspekt ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter erstreckt sich diskontinuierlich in einer ringförmigen Form.
Eine Kanalstruktur gemäß einem sechsten Aspekt der Kanalstruktur gemäß einem der ersten bis fünften Aspekte ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter ist an dem ersten Substrat befestigt.
Eine Kanalstruktur gemäß einem siebten Aspekt der Kanalstruktur gemäß einem der ersten bis sechsten Aspekte ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter ist an dem Überstand befestigt.
Eine Kanalstruktur gemäß einem achten Aspekt der Kanalstruktur gemäß einem der ersten bis siebten Aspekte ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter ist aus einem Material hergestellt, das Oxid enthält.
Eine Kanalstruktur gemäß einem neunten Aspekt der Kanalstruktur gemäß einem der ersten bis achten Aspekte ist zudem wie folgt konfiguriert. Der Abstandshalter ist aus einem Material hergestellt, das Metall enthält.
Eine elektrochemische Zelle gemäß einem zehnten Aspekt umfasst die Kanalstruktur gemäß einem der ersten bis neunten Aspekte und einen Zellenkörper. Der Zellenkörper ist auf dem ersten Substrat angeordnet. Der Zellenkörper beinhaltet eine Anode, einen Elektrolyten und eine Kathode.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Verschlechterung der Leistung einer elektrochemischen Zelle verhindert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Draufsicht auf eine Elektrolysezelle.
2 ist eine Querschnittsansicht der Elektrolysezelle entlang der Linie II-II in 1.
3 ist eine Draufsicht auf einen Zwischenverbinder.
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Elektrolysezelle.
5 ist eine Draufsicht auf einen Abstandshalter.
6 ist eine Draufsicht auf einen Abstandshalter gemäß einer Modifikation.
7 ist eine Draufsicht auf einen Abstandshalter gemäß einer anderen Modifikation.
8 ist eine Draufsicht auf einen Zwischenverbinder gemäß einer Modifikation.

Beschreibung der Ausführungsformen
Eine elektrolytische Zelle 100 (beispielhafte elektrochemische Zelle) gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme der Zeichnungen erläutert. Hierbei ist anzumerken, dass in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform eine Erklärung mit einer Festoxid-Elektrolysezelle („solid oxide electrolytic cell“ - SOEC) als ein Beispiel der Elektrolysezelle 100 durchgeführt wurde. 1 ist eine Draufsicht auf die Elektrolysezelle 100. 2 ist eine Querschnittsansicht der Elektrolysezelle 100 entlang der Linie II-II in 1.
<Elektrolysezelle>
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die Elektrolysezelle 100 (beispielhafte elektrochemische Zelle) in Form einer Platte hergestellt, die sich in einer X-Achsenrichtung und einer Y-Achsenrichtung erstreckt. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrolysezelle 100, wenn sie in einer Draufsicht entlang einer Z-Achsenrichtung senkrecht zu sowohl der X-Achsen- als auch der Y-Achsenrichtung betrachtet wird, in Form eines Rechtecks hergestellt, das sich in der Y-Achsenrichtung erstreckt. Dabei ist die Elektrolysezelle 100 jedoch nicht auf diese besondere planare Form beschränktund kann daher auch als ein Polygon, eine Ellipse, ein Kreis und so weiter, anders als das genannte Rechteck ausgebildet sein. Hierbei ist zu beachten, dass die Z-Achsenrichtung die Dickenrichtung der Elektrolysezelle 100, einen Zellenkörper 2 und eine Kanalstruktur 3 darstellt.
Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst die Elektrolysezelle 100 den Zellenkörper 2 und die Kanalstruktur 3.
<Zellenkörper>
Der Zellenkörper 2 ist auf der Kanalstruktur 3 angeordnet. Der Zellenkörper 2 wird von einem (zu beschreibenden) Trägersubstrat 31 getragen, das einen Teil der Kanalstruktur 3 bildet. Der Zellenkörper 2 ist auf dem Trägersubstrat 31 angeordnet, um eine Vielzahl von (zu beschreibenden) Durchgangslöchern 313 abzudecken. Der Zellenkörper 2 beinhaltet eine Wasserstoffelektrode 21 (Kathode), einen Elektrolyten 22, eine Reaktionsverhinderungsschicht 23 und eine Sauerstoffelektrode 24 (Anode).
Die Wasserstoffelektrode 21, der Elektrolyt 22, die Reaktionsverhinderungsschicht 23 und die Sauerstoffelektrode 24 sind in dieser Reihenfolge von der Seite der Kanalstruktur 3 entlang der Z-Achsenrichtung laminiert. Die Wasserstoffelektrode 21, der Elektrolyt 22 und die Sauerstoffelektrode 24 sind wesentliche Komponenten; jedoch ist zumindest die Reaktionsverhinderungsschicht 23 eine Komponente, die auf einer beliebigen Basis bereitgestellt werden kann.
<Wasserstoffelektrode>
Die Wasserstoffelektrode 21 ist auf einer ersten Hauptoberfläche 311 des Trägersubstrats 31 angeordnet. Die Wasserstoffelektrode 21 wird über jedes der Durchgangslöcher 313 des Trägersubstrats 31 mit Rohmaterialgas versorgt. Das Rohmaterialgas enthält zumindest Wasserdampf (H₂O). Die Wasserstoffelektrode 21 erzeugt H₂ durch elektrolytische Reaktionen.
Wenn das Rohmaterialgas nur H₂O enthält, erzeugt die Wasserstoffelektrode 21 H₂ aus dem Rohmaterialgas durch elektrochemische Reaktionen der Wasserelektrolyse, die in der folgenden Formel (1) ausgedrückt sind. - Wasserstoffelektrode 21: H2O + 2e- → H2 + O2- (1)
Wenn das Rohmaterialgas zusätzlich zu H₂O CO₂ enthält, erzeugt die Wasserstoffelektrode 21 H₂, CO und O^2- aus dem Rohmaterialgas durch elektrochemische Reaktionen der Co-Elektrolyse, die in den folgenden Formeln (2), (3) und (4) ausgedrückt sind. - Wasserstoffelektrode 21: CO₂ + H2O + 4e- → CO + H2 + 2O2 (2) - Elektrochemische Reaktion von H2O: H2O + 2e- → H2 + O2- (3) - Elektrochemische Reaktion von CO₂: CO₂ + 2e^- → CO + O^2- (4)
H₂, das in der Wasserstoffelektrode 21 erzeugt wird, fließt über jedes der Durchgangslöcher 313 des Trägersubstrats 31 zu einem Innenraum 30 (der beschrieben werden soll).
Die Wasserstoffelektrode 21 ist ein poröser Körper mit elektronischer Leitfähigkeit. Die Wasserstoffelektrode 21 enthält Nickel (Ni). Bei der Co-Elektrolyse dient Ni nicht nur als Elektronentransmitter, sondern auch als thermischer Katalysator, der eine Gaszusammensetzung aufrechterhält, die für die Methanisierung, die FT-Synthese (Fischer-Tropsch-Synthese) und so weiter geeignet ist, indem er thermische Reaktionen zwischen H₂, das erzeugt werden soll, und CO₂, das in dem Rohmaterialgas enthalten ist, fördert. Während des Betriebs der Elektrolysezelle 100 existiert Ni, das in der Wasserstoffelektrode 21 enthalten ist, grundsätzlich in einem Zustand von Metall (Ni), kann jedoch teilweise in einem Zustand von Nickeloxid (NiO) existieren.
Die Wasserstoffelektrode 21 kann ein ionenleitfähiges Material enthalten. Zum Beispiel kann das Folgende als das ionenleitfähige Material verwendet werden: eines, das aus der Gruppe von Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ), Calciumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (CSZ), Scandioxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (ScSZ), Gadolinium-dotiertem Ceroxid (GDC), Samarium-dotiertem Ceroxid (SDC), (La, Sr) (Cr, Mn)O₃, (La, Sr)TiO₃, Sr₂(Fe, Mo)₂O₆, (La, Sr)VO₃ und (La, Sr)FeO₃ ausgewählt ist, ein Mischmaterial, das durch eine Kombination von zwei oder mehr aus der Gruppe erhalten wird, oder so weiter.
Die Wasserstoffelektrode 21 ist in der Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 100 µm aufweist. Die Wasserstoffelektrode 21 ist in dem Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von zum Beispiel größer als oder gleich 12 × 10^-6/°C und kleiner als oder gleich 20 × 10^-6/°C aufweist.
Die Wasserstoffelektrode 21 ist in dem Herstellungsverfahren nicht auf ein besonderes Verfahrenbeschränkt und kann daher durch ein beliebiges der Verfahren, wie etwa Brennen, Sprühbeschichten (thermisches Sprühen, Aerosolabscheidung, Aerosolgasabscheidung, Pulverstrahlabscheidung, Partikelstrahlabscheidung, Kaltsprühen usw.), PVD (Spritzen, Pulslaserabscheidung usw.) und CVD, hergestellt werden.
<Elektrolyt>
Der Elektrolyt 22 wird auf der Wasserstoffelektrode 21 hergestellt. Der Elektrolyt 22 ist zwischen der Wasserstoffelektrode 21 und der Sauerstoffelektrode 24 angeordnet. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist der Elektrolyt 22 sowohl mit der Wasserstoffelektrode 21 als auch mit der Reaktionsverhinderungsschicht 23 verbunden, während er dazwischen angeordnet ist.
Der Elektrolyt 22 bedeckt nicht nur die Wasserstoffelektrode 21, sondern bedeckt auch einen Bereich, der freiliegt, ohne mit der Wasserstoffelektrode 21 bedeckt zu werden, auf der ersten Hauptoberfläche 311 des Trägersubstrats 31.
Der Elektrolyt 22 ist ein dichter Körper mit oxidischer Ionenleitfähigkeit. Der Elektrolyt 22 überträgt O^2-, das in der Wasserstoffelektrode 21 erzeugt wird, auf die Seite der Sauerstoffelektrode 24. Der Elektrolyt 22 ist aus einem oxidischen ionenleitfähigen Material hergestellt. Der Elektrolyt 22 kann zum Beispiel aus YSZ, GDC, ScSZ, SDC, LSGM (Lanthangallat) oder so weiter hergestellt sein, ist aber vorzugsweise aus YSZ hergestellt.
Der Elektrolyt 22 ist in der Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 100 µm aufweist. Zudem ist der Elektrolyt 22 auch n dem Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von zum Beispiel größer als oder gleich 10 × 10^-6/°C und kleiner als oder gleich 12 × 10^-6/°C aufweist.
Ferner ist der Elektrolyt 22 auch in dem Herstellungsverfahren nicht auf ein besonderes Verfahren beschränkt und kann daher durch ein beliebiges der Verfahren, wie etwa Brennen, Sprühbeschichten, PVD und CVD, hergestellt werden.
<Reaktionsverhinderungsschicht>
Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 ist zwischen dem Elektrolyten 22 und der Sauerstoffelektrode 24 angeordnet. Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten 22 von der Seite, auf der die Wasserstoffelektrode 21 angeordnet ist, in Bezug auf den Elektrolyten 22 angeordnet. Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 verhindert, dass eine Schicht mit hohem elektrischen Widerstand durch Reaktionen zwischen dem Element, aus dem der Elektrolyt 22 hergestellt ist, und dem Element, aus dem die Sauerstoffelektrode 24 hergestellt ist, hergestellt wird.
Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 ist aus einem oxidischen ionenleitfähigen Material hergestellt. Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 kann aus GDC, SDC oder so weiter hergestellt sein.
Die Reaktionsverhinderungsschicht 23 ist in der Porosität nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie eine Porosität von zum Beispiel größer als oder gleich 0,1 % und kleiner als oder gleich 50 % aufweist. Darüber hinaus ist die Reaktionsverhinderungsschicht 23 auch in der Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 50 µm aufweist.
Ferner ist die Reaktionsverhinderungsschicht 23 auch in dem Herstellungsverfahren nicht auf ein besonderes Verfahren beschränkt und kann daher durch ein beliebiges der Verfahren, wie etwa Brennen, Sprühbeschichten, PVD und CVD, hergestellt werden.
<Sauerstoffelektrode>
Die Sauerstoffelektrode 24 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolyten 22 von der Seite, auf der die Wasserstoffelektrode 21 angeordnet ist, in Bezug auf den Elektrolyten 22 angeordnet. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktionsverhinderungsschicht 23 zwischen dem Elektrolyten 22 und der Sauerstoffelektrode 24 angeordnet; daher ist die Sauerstoffelektrode 24 mit der Reaktionsverhinderungsschicht 23 verbunden. Wenn die Reaktionsverhinderungsschicht 23 nicht zwischen dem Elektrolyten 22 und der Sauerstoffelektrode 24 angeordnet ist, ist die Sauerstoffelektrode 24 mit dem Elektrolyten 22 verbunden.
Die Sauerstoffelektrode 24 erzeugt O₂ aus O^2-, das von der Wasserstoffelektrode 21 über den Elektrolyten 22 darauf übertragen wird, durch chemische Reaktionen, die durch die folgende Formel (5) ausgedrückt sind. - Sauerstoffelektrode 24: 2O^2- → O₂ + 4e^- (5)
Die Sauerstoffelektrode 24 ist ein poröser Körper mit oxidischer Ionenleitfähigkeit und elektronischer Leitfähigkeit. Die Sauerstoffelektrode 24 kann zum Beispiel aus einem Verbundmaterial hergestellt sein, das aus einem oxidischen ionenleitfähigen Material (GDC usw.) und mindestens einem besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus (La, Sr) (Co, Fe)O₃, (La, Sr) FeO₃, La(Ni, Fe)O₃, (La, Sr)CoO₃ und (Sm, Sr)CoO₃ besteht.
Die Sauerstoffelektrode 24 ist in ihrer Porosität nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie eine Porosität von zum Beispiel größer als oder gleich 20 % und kleiner als oder gleich 60 % aufweist. Zudem ist die Sauerstoffelektrode 24 auch in ihrer Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass sie eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 100 µm aufweist.
Ferner ist die Sauerstoffelektrode 24 auch in dem Herstellungsverfahren nicht auf ein besonderes Verfahren beschränkt und kann daher durch ein beliebiges der Verfahren, wie etwa Brennen, Sprühbeschichten, PVD und CVD, hergestellt werden.
<Kanalstruktur>
Die Kanalstruktur 3 ist so konfiguriert, dass das Rohmaterialgas, das dem Zellenkörper 2 zugeführt werden soll, und Reduktionsgas (H₂ in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform), das in der Wasserstoffelektrode 21 erzeugt wird, darin fließen. Wenn im Detail beschrieben, beinhaltet die Kanalstruktur 3 den Innenraum 30. Das Rohmaterialgas und das Reduktionsgas fließen in den Innenraum 30 der Kanalstruktur 3. Die Kanalstruktur 3 beinhaltet das Trägersubstrat 31 (beispielhaftes erstes Substrat), einen Zwischenverbinder 32 (beispielhaftes zweites Substrat) und eine Vielzahl von Abstandshaltern 33.
<Trägersubstrat>
Wie in 2 gezeigt, stützt das Trägersubstrat 31 den Zellenkörper 2. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist das Trägersubstrat 31 in Form einer Platte hergestellt. Insofern der Zellenkörper 2 durch das Trägersubstrat 31 gestützt werden kann, ist das Trägersubstrat 31 in der Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass es eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm aufweist.
Das Trägersubstrat 31 beinhaltet die erste Hauptoberfläche 311, eine zweite Hauptoberfläche 312 und die Vielzahl von Durchgangslöchern 313 (beispielhafter gasdurchdrungener Abschnitt). In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist die erste Hauptoberfläche 311 die obere Oberfläche des Trägersubstrats 31, wohingegen die zweite Hauptoberfläche 312 die untere Oberfläche des Trägersubstrats 31 ist. Die erste Hauptoberfläche 311 ist dem Zellenkörper 2 zugewandt. Zudem ist die zweite Hauptoberfläche 312 dem Zwischenverbinder 32 zugewandt.
Jedes der Durchgangslöcher 313 ist konfiguriert, zu bewirken, dass Gas durch dasselbe hindurchdringt. Jedes Durchgangsloch 313 durchdringt das Trägersubstrat 31 von der ersten Hauptoberfläche 311 zu der zweiten Hauptoberfläche 312. Jedes Durchgangsloch 313 ist an jeder der ersten und zweiten Hauptoberflächen 311 und 312 geöffnet. Aufgrund dessen durchdringt Gas das Trägersubstrat 31 über die Durchgangslöcher 313.
Jedes Durchgangsloch 313 ist mit dem Zellenkörper 2 bedeckt. Insbesondere ist die erste Hauptoberfläche 311-seitige Öffnung jedes Durchgangslochs 313 mit der Wasserstoffelektrode 21 bedeckt. Die zweite Hauptoberfläche 312-seitige Öffnung jedes Durchgangslochs 313 ist mit dem Innenraum 30 verbunden.
Die jeweiligen Durchgangslöcher 313 können durch maschinelle Bearbeitung (z. B. Stanzen), Laserbearbeitung, chemische Bearbeitung (z. B. Ätzen) oder so weiter hergestellt werden.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ist jedes Durchgangsloch 313 entlang der Z-Achsenrichtung gerade geformt. Jedoch kann jedes Durchgangsloch 313 in Bezug auf die Z-Achsenrichtung geneigt sein; zudem kann, zusätzlich oder alternativ, jedes Durchgangsloch 313 auch nicht gerade geformt sein. Zudem können, zusätzlich oder alternativ, die Durchgangslöcher 313 einander fortsetzen.
Das Trägersubstrat 31 ist aus einer Legierung hergestellt, die Cr (Chrom) enthält. Ein Legierungsstahl auf Fe-Cr-Basis (rostfreier Stahl usw.), ein Legierungsstahl auf Ni-Cr-Basis oder so weiter können beispielhaft als die hierin beschriebene Legierung beschrieben werden. Das Trägersubstrat 31 ist in der Gehaltsrate von Cr nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass es Cr in einer Gehaltsrate von größer als oder gleich 4 Massen-% und kleiner als oder gleich 30 Massen-% enthält.
Das Trägersubstrat 31 kann Ti (Titan) und Zr (Zirkonium) enthalten. Das Trägersubstrat 31 ist in der Gehaltsrate von Ti nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass es Ti in einer Gehaltsrate von größer als oder gleich 0,01 Mol-% und kleiner als oder gleich 1,0 Mol-% enthält. Darüber hinaus ist das Trägersubstrat 31 auch in der Gehaltsrate von Zr nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass es Zr in einer Gehaltsrate von größer als oder gleich 0,01 Mol-% und kleiner als oder gleich 0,4 Mol-% enthält. Das Trägersubstrat 31 kann Ti in der Form von TiO₂ (Titanoxid) enthalten und kann Zr in der Form von ZrO₂ (Zirkoniumoxid) enthalten.
<Zwischenverbinder>
Der Zwischenverbinder 32 ist auf der gleichen Seite wie die zweite Hauptoberfläche 312 des Trägersubstrats 31 angeordnet. Der Zwischenverbinder 32 ist ein Element zum elektrischen Verbinden der Elektrolysezelle 100 entweder mit einer externen Stromquelle oder einer anderen Elektrolysezelle.
Der Zwischenverbinder 32 ist in Form einer Platte hergestellt. Der Zwischenverbinder 32 ist an seinem Außenumfangsteil an dem Trägersubstrat 31 befestigt. Der Zwischenverbinder 32 ist an dem Trägersubstrat 31 beispielsweise durch Schweißen oder Kleben befestigt.
Der Zwischenverbinder 32 ist in der Dicke nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er eine Dicke von zum Beispiel größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm aufweist. Der Außenumfangsteil des Zwischenverbinders 32 steht in Richtung des Trägersubstrats 31 hervor. Der Außenumfangsteil des Zwischenverbinders 32 definiert den Außenumfang des Innenraums 30. Hierbei sei angemerkt, dass der Außenumfangsteil des Zwischenverbinders 32 als ein von dem Zwischenverbinder 32 getrenntes Element bereitgestellt sein kann. Der Zwischenverbinder 32 beinhaltet eine Vielzahl von ersten Überständen 321 (beispielhafter Überstand) und eine Vielzahl von zweiten Überständen 322.
Jeder der ersten Überstände 321 steht in Richtung des Trägersubstrats 31 hervor. Jeder erste Überstand 321 ist innerhalb des Innenraums 30 angeordnet. Jeder erste Überstand 321 ist in der Höhe nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er eine Höhe von zum Beispiel größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm aufweist.
Jeder der zweiten Überstände 322 steht zu der gegenüberliegenden Seite zu jedem ersten Überstand 321 hervor. Jeder zweite Überstand 322 ist in seiner Höhe nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er eine Höhe von zum Beispiel größer als oder gleich 0,1 mm und kleiner als oder gleich 2,0 mm aufweist.
3 ist eine Draufsicht auf den Zwischenverbinder 32. Hierbei ist zu beachten, dass 3 zum leichteren Verständnis der Zeichnung nur die ersten Überstände 321 veranschaulicht, ohne Vertiefungen darzustellen, die tatsächlich als die hinteren Oberflächen der zweiten Überstände 322 zu betrachten sind. Wie in 3 gezeigt, sind die ersten Überstände 321 in Intervallen voneinander entfernt angeordnet. Insbesondere sind die ersten Überstände 321 in einer versetzten Form ausgerichtet. Die jeweiligen ersten Überstände 321 können durch Bearbeiten des Zwischenverbinders 32 durch Stanzen, Schneiden, Ätzen oder so weiter hergestellt werden. Hierbei ist zu beachten, dass die jeweiligen zweiten Überstände 322 in vergleichbarer Weise wie die jeweiligen ersten Überstände 321 konfiguriert sind.
Jeder erste Überstand 321 ist in einer Draufsicht größer als jedes Durchgangsloch 313. Aufgrund dessen überlappen in der Draufsicht zwei oder mehr der Vielzahl von Durchgangslöchern 313 mit jedem ersten Überstand 321.
Der Zwischenverbinder 32 beinhaltet ein Zufuhrloch 323 und ein Auslassloch 324. Das Zufuhrloch 323 und das Auslassloch 324 stehen mit dem Innenraum 30 in Verbindung. Das Zufuhrloch 323 durchdringt den Zwischenverbinder 32 in der Z-Achsenrichtung. Das Rohmaterialgas, das der Elektrolysezelle 100 von einer externen Gaszufuhrquelle zugeführt wird, fließt durch das Zufuhrloch 323 in der Z-Achsenrichtung. Das Rohmaterialgas wird dem Inneren des Innenraums 30 über das Zufuhrloch 323 zugeführt.
Das Auslassloch 324 durchdringt den Zwischenverbinder 32 in der Z-Achsenrichtung. H₂, das in der Wasserstoffelektrode 21 erzeugt wird und durch den Innenraum 30 fließt, wird über das Auslassloch 324 nach außen abgegeben und wird an der Außenseite zurückgewonnen.
Der Zwischenverbinder 32 ist aus einer Legierung hergestellt, die Cr enthält. Ein Legierungsstahl auf Fe-Cr-Basis, ein Legierungsstahl auf Ni-Cr-Basis oder so weiter können beispielhaft als die hierin beschriebene Legierung genutzt werden. Der Zwischenverbinder 32 ist in der Gehaltsrate von Cr nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er Cr in einer Gehaltsrate von größer als oder gleich 4 Massen-% und kleiner als oder gleich 30 Massen-% enthält. Der Zwischenverbinder 32 kann in der Zusammensetzung mit dem Trägersubstrat 31 identisch sein oder sich in der Zusammensetzung von diesem unterscheiden.
<Abstandshalter>
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Elektrolysezelle 100, wohingegen 5 eine Draufsicht auf das Trägersubstrat 31 von der Seite der zweiten Hauptoberfläche 312 aus gesehen ist. Wie in 4 und 5 gezeigt, ist jeder Abstandshalter 33 zwischen einem relevanten der ersten Überstände 321 und dem Trägersubstrat 31 angeordnet. Jeder Abstandshalter 33 erzeugt einen Spalt G zwischen dem relevanten ersten Überstand 321 und dem Trägersubstrat 31. Der Spalt G, der durch jeden Abstandshalter 33 zwischen dem relevanten Überstand 321 und dem Trägersubstrat 31 erzeugt wird, ist in der Abmessung nicht auf ein besonderes Maß beschränkt und kann daher so eingestellt werden, dass er eine Abmessung von zum Beispiel größer als oder gleich 1 µm und kleiner als oder gleich 300 µm aufweist.
Jeder Abstandshalter 33 ist entlang jedes Durchgangslochs 313 angeordnet. Wenn im Detail beschrieben, ist jeder Abstandshalter 33 entlang der zweiten Hauptoberfläche 312-seitigen Öffnungskante jedes Durchgangslochs 313 angeordnet. Jeder Abstandshalter 33 erstreckt sich in einer ringförmigen Form. Jeder Abstandshalter 33 weist in der Z-Achsenrichtung gesehen eine kreisförmige Form auf.
Jeder Abstandshalter 33 ist an der zweiten Hauptoberfläche 312 des Trägersubstrats 31 befestigt. Wenn im Detail beschrieben, ist jeder Abstandshalter 33 auf dem Trägersubstrat 31 bereitgestellt. Mit anderen Worten wird kein Spalt zwischen jedem Abstandshalter 33 und dem Trägersubstrat 31 erzeugt.
Jeder Abstandshalter 33 ist in der Höhe uneben. Zum Beispiel ist jeder Abstandshalter 33 in der Höhe entlang seiner Umfangsrichtung unterschiedlich. Jeder Abstandshalter 33 beinhaltet einen Teil, der in der Höhe niedriger ist als der verbleibende Teil davon. Dabei ist anzumerken, dass sich der Begriff „Höhe“ jedes Abstandshalters 33 auf seine Abmessung in der Z-Achsenrichtung bezieht. Jeder Abstandshalter 33 ist an seinem Teil mit niedriger Höhe nicht mit dem relevanten ersten Überstand 321 in Kontakt. Ein Raum, der an dem Teil mit niedriger Höhe jedes Abstandshalters 33 erzeugt wird, der nicht mit dem relevanten Überstand 321 in Kontakt ist, bewirkt, dass jedes Durchgangsloch 313 und der Spalt G durch dasselbe miteinander in Verbindung stehen. Mit anderen Worten beinhaltet jeder Abstandshalter 33 ein Verbindungsmittel 331, das bewirkt, dass jedes Durchgangsloch 313 und der Spalt G durch dasselbe miteinander in Verbindung stehen. Das Verbindungsmittel 331 wird erhalten, während jeder Abstandshalter 33 teilweise nicht mit dem relevanten ersten Überstand 321 in Kontakt ist.
Jeder Abstandshalter 33 ist teilweise mit dem relevanten ersten Überstand 321 in Kontakt. Jeder Abstandshalter 33 kann an dem relevanten ersten Überstand 321 an dem Teil, der mit demselben in Kontakt ist, befestigt sein oder nicht.
Jeder Abstandshalter 33 ist aus einem Material hergestellt, das einen höheren Elastizitätsmodul als das Trägersubstrat 31 aufweist. Jeder Abstandshalter 33 ist aus einem Material hergestellt, das Oxid enthält. Wenn im Detail beschrieben, ist jeder Abstandshalter 33 aus einem Material hergestellt, das nur aus Oxid zusammengesetzt ist. Zum Beispiel ist jeder Abstandshalter 33 aus Oxidkeramik hergestellt. Insbesondere kann jeder Abstandshalter 33 aus Cr₂O₃, (Mn, Cr)₃O₄, (Mn, Cr, Fe) ₃O₄, (Cr, Fe)₂O₃, Fe₂O₃, Fe₃O₄, Al₂O₃, ZrO₂, CeO₂ oder so weiter hergestellt sein.
Jeder Abstandshalter 33 kann aus einem Material hergestellt sein, das Metall enthält. Das Material jedes Abstandshalters 33 kann sowohl Oxid als auch Metall enthalten. Zum Beispiel können Fe, Co, Ni, Cu oder so weiter beispielhaft als das Metall verwendet werden, das in dem Material jedes Abstandshalters 33 enthalten ist. Andererseits können Cr₂O₃, (Mn, Cr)₃O₄, (Mn, Cr, Fe)₃O₄, (Cr, Fe)₂O₃, Fe₃O₄, Al₂O₃, ZrO₂, CeO₂ oder so weiter beispielhaft als das Oxid verwendet werden, das in dem Material jedes Abstandshalters 33 enthalten ist.
Alle der Vielzahl von Abstandshaltern 33 können aus dem Material hergestellt sein, das Oxid enthält; alternativ können auch alle der Vielzahl von Abstandshaltern 33 aus einem Material hergestellt sein, das Metall enthält. Noch einmal alternativ können zudem mindestens ein Abstandshalter 33, der aus dem Material hergestellt ist, das Oxid enthält, und mindestens ein Abstandshalter 33, der aus dem Material hergestellt ist, das Metall enthält, als die Vielzahl von Abstandshaltern 33 koexistieren.
Jeder Abstandshalter 33 kann durch Auftragen einer Paste, die das oben beschriebene Material enthält, auf die zweite Hauptoberfläche 312 des Trägersubstrats 31 entlang der Öffnungskante jedes Durchgangslochs 313 durch einen mit einer Präzisionsdüse ausgestatteten Dispenser und dann durch Brennen der Paste gebildet werden.
[Modifikationen]
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese beschränkt und es können eine Vielzahl von Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

(a) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich beispielsweise jeder Abstandshalter 33 in einer ringförmigen Form; jedoch ist jeder Abstandshalter 33 in seiner Form nicht auf diese beschränkt. Beispielsweise kann jeder Abstandshalter 33 in Form eines Blocks oder in einer beliebigen anderen Form hergestellt sein, sofern er zwischen dem relevanten ersten Überstand 321 und dem Trägersubstrat 31 angeordnet ist.
(b) Jeder Abstandshalter 33 kann in der Höhe eben sein. Mit anderen Worten kann jeder Abstandshalter 33 vollständig mit dem relevanten ersten Überstand 321 in seiner Umfangsrichtung in Kontakt sein. In diesem Fall kann jeder Abstandshalter 33 aus einem Material hergestellt sein, das ermöglicht, dass Gas durch denselben hindurchdringt, oder er kann alternativ mit mindestens einem Durchgangsloch versehen sein, das bewirkt, dass Gas durch dasselbe fließt, um das Verbindungsmittel zu erhalten.
(c) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich beispielsweise jeder Abstandshalter 33 kontinuierlich in einer ringförmigen Form; jedoch ist jeder Abstandshalter 33 in seiner Form nicht auf diese eine beschränkt. Wie beispielsweise in 6 gezeigt, kann sich jeder Abstandshalter 33 diskontinuierlich in einer ringförmigen Form erstrecken. In diesem Fall werden fehlende Teile in der ringförmigen Form jedes Abstandshalters 33 als das Verbindungsmittel dienen.
(d) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist jeder Abstandshalter 33 in Kontakt mit der Öffnungskante jedes Durchgangslochs 313 angeordnet; jedoch ist jeder Abstandshalter 33 in seiner Positionsanordnung nicht auf diese beschränkt. Wie in 7 gezeigt, kann jeder Abstandshalter 33 von der Öffnungskante jedes Durchgangslochs 313 in einem Intervall entfernt angeordnet sein.
(e) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform weist jeder erste Überstand 321 in der Draufsicht eine kreisförmige Form auf; jedoch ist jeder erste Überstand 321 in seiner Form nicht auf diese beschränkt. Wie beispielsweise in 8 gezeigt, kann jeder erste Überstand 321 in der Draufsicht eine rechteckige Form aufweisen. Jeder erste Überstand 321 kann sich entweder in der Y-Achsenrichtung oder der X-Achsenrichtung erstrecken.
(f) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist jeder Abstandshalter 33 als ein von dem Trägersubstrat 31 getrenntes Element bereitgestellt; jedoch ist jeder Abstandshalter 33 in seiner Konfiguration nicht auf diese beschränkt. Beispielsweise kann jeder Abstandshalter 33 als ein einzelnes Element bereitgestellt sein, das mit dem Trägersubstrat 31 integriert ist, oder alternativ kann er als ein einzelnes Element bereitgestellt sein, das mit dem relevanten ersten Überstand 321 integriert ist.
(f) In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die elektrochemische Zelle beispielhaft durch die Elektrolysezelle dargestellt, jedoch ist diese gleichermaßen nicht auf diese eine Ausbildungsart beschränkt. Insbesondere ist die elektrochemische Zelle als ein allgemeiner Begriff zu verstehen, der sich lediglich auf eine Vorrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in chemische Energie bezieht, in der ein Paar von Elektroden angeordnet ist, um eine elektromotorische Kraft aus ganzen Oxidationsreduktionsreaktionen zu erzeugen, und eine Vorrichtung zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie. Daher wird beispielsweise eine Brennstoffbatterie, in der Oxidionen oder Protonen als Träger wirken, ebenfalls als eine elektrochemische Zelle betrachtet.

Bezugszeichenliste

2: Zellenkörper
3: Kanalstruktur
31: Trägersubstrat
313: Durchgangsloch
32: Zwischenverbinder
321: Erster Überstand
33: Abstandshalter
100: Elektrolysezelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/181926 [0004]

Claims

Eine Kanalstruktur, umfassend: ein erstes Substrat, das einen gasdurchdrungenen Abschnitt beinhaltet, der bewirkt, dass ein Gas durch dasselbe hindurchdringt; ein zweites Substrat, das einen Überstand beinhaltet, der in Richtung des ersten Substrats hervorsteht; und einen Abstandshalter, der zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei der Abstandshalter konfiguriert ist, einen Spalt zwischen dem Überstand und dem ersten Substrat zu erzeugen.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 1, wobei das erste Substrat ein Durchgangsloch als den gasdurchdrungenen Abschnitt beinhaltet.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 2, wobei der Abstandshalter entlang des Durchgangslochs angeordnet ist.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 3, wobei sich der Abstandshalter in einer ringförmigen Form erstreckt, wobei der Abstandshalter in der Höhe uneben ist.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 3, wobei sich der Abstandshalter diskontinuierlich in einer ringförmigen Form erstreckt.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Abstandshalter an dem ersten Substrat fixiert ist.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 6, wobei der Abstandshalter an dem Überstand fixiert ist.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Abstandshalter aus einem Material hergestellt ist, das Oxid enthält.
Die Kanalstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Abstandshalter aus einem Material hergestellt ist, das Metall enthält.
Eine elektrochemische Zelle, umfassend: die Kanalstruktur gemäß Anspruch 1; und einen Zellenkörper, der auf dem ersten Substrat angeordnet ist.