DE112022000445T5

DE112022000445T5 - Dichtungsmaterial für elektrochemische Reaktionszelle, elektrochemische Reaktionszellenkartusche und Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle

Info

Publication number: DE112022000445T5
Application number: DE112022000445.2T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tsukuda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2022-02-21
Publication date: 2023-10-05
Also published as: TW202247516A; US20240105969A1; TWI809724B; WO2022176996A1; CN116964790A; KR20230131242A; JP7064077B1; JP2022127754A

Abstract

Ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle trennt Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle. Das Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle schließt eine Vielzahl von Keramikpartikeln und einen Härter zum Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln ein und weist eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle, eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche und ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität, basierend auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021 - 025909 , eingereicht am 22. Februar 2021, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Strom durch eine chemische Reaktion eines Brenngases und eines Oxidationsgases weist Eigenschaften, wie eine ausgezeichnete Stromerzeugungseffizienz und Umweltverträglichkeit, auf. Unter diesen verwendet eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) Keramiken, wie Zirkoniumdioxid-Keramiken, als ein Elektrolyt und erzeugt Strom, indem ein Brenngas als Gas, wie Wasserstoff, Stadtgas, Erdgas und Vergasungsgas, das aus Erdöl, Methanol und kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien mit einer Vergasungseinrichtung erzeugt wird, und verursachen eine Reaktion in einer Hochtemperaturatmosphäre von etwa 700°C bis 1.000°C.
Die Festoxidbrennstoffzelle kann mit einem Dichtungsmaterial versehen sein, um ein ungewolltes Vermischen von Brenngas und Oxidationsgas zu verhindern. Wenn die Funktion der Gaspermeationsverhinderung durch das Dichtungsmaterial unzureichend ist, kann das Oxidationsgas von der Oxidationsgasseite auf die Brenngasseite durch das Dichtungsmaterial dringen und das Brenngas wird oxidiert, was zu einer Abnahme der Performance, wie der Stromerzeugungseffizienz, führen kann.
Patentdruckschrift 1 offenbart zum Beispiel einen Brennstoffzellenstapel, der das Vermischen von Brenngas und Oxidationsgas verhindern kann, indem ein Dichtungsmaterial zwischen der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung und einem Stromabnehmerelement zum Abnehmen des durch die Brennstoffzelle erzeugten Stroms platziert wird. Patentdruckschrift 1 beschreibt, dass eine gute Abdichtungswirkung erhalten werden kann, wenn ein solches Dichtungsmaterial Glas enthält.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentdruckschrift 1: JP 2018-55914 A
ZUSAMMENFASSUNG
Zu lösende Aufgaben
Das Dichtungsmaterial, welches Glas enthält, stellt eine gute Abdichtungswirkung bereit, wenn jedoch eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas, welche durch das Dichtungsmaterial getrennt werden, auftritt, wird es leicht durch die Druckdifferenz beschädigt. Zum Beispiel kann in einer Brennstoffzelle, die mit einer Gasturbine oder dergleichen verbunden ist, die Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftreten, was zu Rissen oder einer anderen Schädigung an dem Dichtungsmaterial führt. Insbesondere wird eine Brennstoffzelle, die mit einer Gasturbinde verbunden ist, bei einem höheren Druck als Normaldruck (Atmosphärendruck) betrieben, und der Druck wird stets durch ein Differenzdruckregelventil kontrolliert, um die Druckdifferenz zwischen einem Brenngassystem und einem Oxidationsgassystem ungefähr konstant zu halten. Daher kann die Druckdifferenz beim Start oder bei Laständerungen, verglichen mit dem Normaldruckbetrieb, aufgrund der Ansprechverzögerung des Differenzdruckregelventils oder einer Funktionsstörung der Vorrichtung übermäßig werden. In Patentdruckschrift 1 wird eine Schädigung an dem Dichtungsmaterial durch Biegen des Stromabnehmerelements, das das Dichtungsmaterial berührt, verhindert. Allerdings wird die Konfiguration des Stromabnehmerelements komplex, und es besteht immer noch die Möglichkeit einer Schädigung, wenn die Druckdifferenz groß ist.
Mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entstand in Anbetracht der vorstehenden Ausführungen, und ein Ziel davon ist es, ein Dichtungsmaterial für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellenkartusche und ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, wodurch es möglich ist, das Auftreten einer Schädigung effektiv zu verhindern, während eine gute Leckage-Performance sichergestellt wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
Diese Probleme sind nicht nur Zellen einer Brennstoffzelle, sondern auch für andere Typen von Zellen außer der Brennstoffzelle gemeinsam. Ferner sind diese Probleme nicht nur Zellen einer Brennstoffzelle, sondern auch elektrolytischen Zellen, die Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser oder Dampf erzeugen, elektrochemischen Zellen, die sowohl Strom erzeugen als auch Wasserstoff produzieren, und elektrochemischen Zellen zur Methanisierung, die Methan aus Kohlendioxid unter Verwendung von produziertem Wasserstoff produzieren, gemeinsam. Hierin werden einzelne Brennstoffzellen und elektrochemische Zellen gemeinsam als elektrochemische Reaktionszellen bezeichnet.
Lösung der Aufgaben
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, schließt ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle eine Vielzahl von Keramikpartikeln und einen Härter zum Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln ein und weist eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % auf.
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, schließt eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mindestens einen elektrochemische Reaktionszellenstapel, der eine elektrochemische Reaktionszelle einschließt, ein Stromabnehmerelement zum Abnehmen von Strom, der durch den mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapel erzeugt wird, und ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein. Das Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle ist zwischen einem Brenngaskanal und einem Oxidationsgaskanal des mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapels angeordnet.
Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, schließt ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle einen Schritt zum Härten einer Vielzahl von Keramikpartikeln mit einem Härter derart, dass es eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % aufweist, ein.
Vorteilhafte Wirkungen
Mindestens eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle, eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche und ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle bereit, wodurch es möglich ist, auf effektive Weise das Auftreten einer Schädigung zu verhindern, während eine gute Leckage-Performance sichergestellt wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 stellt einen Aspekt eines Zellenstapels gemäß einer Ausführungsform dar.
2 stellt einen Aspekt eines elektrochemischen Reaktionszellmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Aspekts einer elektrochemischen Reaktionszellenkartusche gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
4A ist ein Beispiel für ein Mikroskopbild eines Dichtungsmaterials.
4B ist eine schematische Abbildung, die die interne Struktur des in 4A dargestellten Dichtungsmaterials schematisch darstellt.
5 stellt die Korrelation zwischen der relativen Dichte des Dichtungsmaterials und der Porosität aus offen Poren und geschlossenen Poren dar.
6 stellt Verifizierungstestergebnisse für die Proben A bis D, die Keramikpartikeln mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen verwenden, dar.
7 ist eine erläuternde Abbildung für einen Leckratemesstest.
8 ist ein Fließschema, das einen Aspekt eines Verfahrens zur Herstellung eines Dichtungsmaterials gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend werden eine Ausführungsform einer elektrochemischen Reaktionszelle, einer elektrochemischen Reaktionszellenkartusche und eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrochemischen Reaktionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Nachstehend gibt der Einfachheit der Erläuterung halber die Lagebeziehung der Komponenten, die unter Verwendung der Ausdrücke „obere/oberer/oberes“ und „untere/unterer/unteres“ in Bezug auf das Papier beschreiben wird, die vertikal obere Seite bzw. die vertikal untere Seite an. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform die obere/untere Richtung auf dem Papier nicht notwendigerweise auf die vertikal obere/untere Richtung beschränkt, sondern kann zum Beispiel der horizontalen Richtung, senkrecht zur vertikalen Richtung, entsprechen, wenn dieselbe Wirkung in der vertikalen und horizontalen Richtung erhalten wird.
Ferner wird nachstehend ein zylindrischer (röhrenförmiger) Zellenstapel als ein Beispiel für einen Zellenstapel von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und der Zellenstapel kann zum Beispiel ein flacher Zellenstapel sein. Eine elektrochemische Reaktionszelle ist auf einem Substrat gebildet, jedoch kann eine Elektrode (Anode oder Kathode) anstelle des Substrats auch dick ausgebildet sein, um als das Substrat zu dienen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird zunächst ein zylindrischer Zellenstapel unter Verwendung eines Substratrohrs als ein Beispiel gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Für den Fall, dass das Substratrohr nicht verwendet wird, kann zum Beispiel eine Anode dick ausgebildet sein, um als das Substratrohr zu dienen; die Ausführungsform ist nicht auf die Verwendung des Substratrohrs beschränkt. Obgleich die vorliegende Ausführungsform das Substratrohr in zylindrischer Form beschreibt, ist der Querschnitt des Substratrohrs ferner nicht notwendigerweise auf eine Kreisform beschränkt; zum Beispiel kann er in einer elliptischen Form vorliegen, solange das Substratrohr röhrenförmig ist. Der Zellenstapel kann auch röhrenförmig sein, wobei die Umfangsoberfläche des Zylinders vertikal gepresst ist. Hierin stellt 1 einen Aspekt eines Zellenstapels 101 gemäß einer Ausführungsform dar. Der Zellenstapel 101 schließt ein Substratrohr 103 in zylindrischer Form, zum Beispiel eine Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellen 105, die auf der äußeren Umfangsoberfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind, und einen Interkonnektor 107, der zwischen jeweils benachbarten elektrochemischen Reaktionszellen 105 gebildet ist, ein. Die elektrochemische Reaktionszelle 105 wird durch Stapeln einer Anode 109, eines Elektrolyten 111 und einer Kathode 113 gebildet. Ferner schließt der Zellenstapel 101 einen Zuleitungsfilm 115, der über den Interkonnektor 107 elektrisch mit der Kathode 113 der elektrochemischen Reaktionszelle 105 verbunden ist, ausbildet an einem Ende des Substratrohrs 103 in der axialen Richtung, und einen Zuleitungsfilm 115, der elektrisch mit der Anode 109 der elektrochemischen Reaktionszelle 105 verbunden ist, ausgebildet an dem anderen Ende in axialer Richtung des Substratrohrs 103 unter der Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellen 105, die auf der Außenumfangsoberfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind, ein.
Das Substratrohr 103 ist aus einem porösen Material hergestellt und ist zum Beispiel hauptsächlich aus CaO-stabilisiertem ZrO₂ (CSZ), einer Mischung aus CSZ und Nickeloxid (NiO) (CSZ + NiO), Y₂O₃-stabilisiertem ZrO₂ (YSZ) oder MgAl₂O₄ zusammengesetzt. Das Substratrohr 103 trägt die elektrochemischen Reaktionszellen 105, die Interkonnektoren 107 und die Zuleitungsfilme 115 und diffundiert Brenngas, das der inneren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 zugeführt wird, zu den Anoden 109, die auf der äußeren Umfangsfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind, durch Poren des Substratrohrs 103.
Die Anode 109 ist aus einem Oxid eines Kompositmaterials von Ni und Zirkoniumdioxid-basiertem Elektrolytmaterial, zum Beispiel Ni/YSZ, zusammengesetzt. Die Anode 109 weist eine Dicke von 50 µm bis 250 µm auf, und die Anode 109 kann durch eine Siebdruckaufschlämmung gebildet werden. In diesem Fall vollführt in der Anode 109 Ni, das eine Komponente der Anode 109 ist, eine Katalyse an dem Brenngas. Die Katalyse führt dazu, dass das Über das Substratrohr 103 zugeführte Brenngas, zum Beispiel ein Gasgemisch aus Methan (CH₄) und Dampf, reagiert, um zu Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) reformiert zu werden. Ferner bringt die Anode 109 Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO), die durch das Reformieren erhalten werden, dazu, elektrochemisch mit Sauerstoffionen (O^2-), die über den Elektrolyten 111 zugeführt werden, in der Nähe der Grenzfläche mit dem Elektrolyten 111 elektrochemisch zu reagieren, um Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) zu produzieren. Die elektrochemische Zelle 105 erzeugt Strom mittels Elektronen, der zu diesem Zeitpunkt von den Sauerstoffionen emittiert werden.
Beispiele für das Brenngas, das zugeführt und für die Anode 109 der elektrochemischen Reaktionszelle verwendet werden kann, schließen Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffgas, wie Methan (CH₄), Stadtgas, Erdgas und Vergasungsgas, das aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, wie Erdöl, Methanol und Kohle, mit einer Vergasungseinrichtung erzeugt wird, ein.
Als Elektrolyt 111 wird hauptsächlich YSZ verwendet, welches eine Dichtheit gegenüber Gasen, welche den Durchgang von Gasen erschwert, und eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Der Elektrolyt 111 befördert Sauerstoffionen (O²-), die in der Kathode erzeugt werden, zu der Anode. Der Elektrolyt 111, der auf der Oberfläche der Anode 109 aufgebracht ist, weist eine Filmdicke von 10 um bis 100 um auf. Der Elektrolyt 111 kann durch eine Siebdruckaufschlämmung gebildet werden.
Die Kathode 113 ist zum Beispiel aus einem LaSrMnO₃-basierten Oxid oder einem LaCoO₃-basierten Oxid zusammengesetzt. Die Kathode 113 kann durch eine Siebdruckaufschlämmung oder Auftragen einer Aufschlämmung mit einem Dispenser gebildet werden. Die Kathode 113 dissoziiert Sauerstoff in dem zugeführten Oxidationsgas, wie Luft, in der Nähe der Grenzfläche mit dem Elektrolyten 111, um Sauerstoffionen (O^2-) zu erzeugen.
Die Kathode 113 kann eine Zweischichtstruktur aufweisen. In diesem Fall ist eine Kathodenschicht (Kathodenzwischenschicht), die näher an dem Elektrolyten 111 ist, aus einem Material mit einer hohen Ionenleitfähigkeit und einer ausgezeichneten katalytischen Aktivität hergestellt. Eine Kathodenschicht (leitfähige Kathodenschicht) auf der Kathodenzwischenschicht kann aus einem durch Sr- und Ca-dotiertes LaMnO₃ dargestelltem Perowskit-Oxid zusammengesetzt sein. Daher ist es möglich, die Stromerzeugungsleistung weiter zu verbessern.
Das Oxidationsgas ist ein Gas, das etwa 15 % bis 30 % Sauerstoff enthält, typischerweise ist Luft geeignet, jedoch können auch andere Gase, wie eine Mischung aus Verbrennungsabgas und Luft oder eine Mischung aus Sauerstoff und Luft, verwendet werden.
Der Interkonnektor 107 ist aus einem leitfähigen Perowskit-Oxid, dargestellt durch M_1-xL_xTiO₃ (M ist ein Erdalkalimetallelement und L ist ein Lanthanoidelement), wie SrTiO₃-basierten Materialien, zusammengesetzt und wird durch eine Siebdruckaufschlämmung gebildet. Der Interkonnektor 107 ist aus einem dichten Film zusammengesetzt, um das Vermischen von Brenngas und Oxidationsgas zu verhindern. Ferner weist der Interkonnektor 107 eine dauerhafte Haltbarkeit und elektrische Leitfähigkeit sowohl unter einer oxidierenden Atmosphäre als auch unter einer reduzierenden Atmosphäre auf. Der Interkonnektor 107 verbindet die Kathode 113 von einer von benachbarten elektrochemischen Reaktionszellen 105 elektrisch mit der Anode 109 von der anderen elektrochemischen Reaktionszelle 105, um die benachbarten elektrochemischen Reaktionszellen 105 in Reihe zu schalten.
Der Zuleitungsfilm 115 muss eine elektronische Leitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Nähe von denen anderer Materialien, die den Zellenstapel 101 bilden, aufweisen. Aus diesem Grund ist der Zuleitungsfilm 115 aus einem Kompositmaterial aus Ni und einem Elektrolytmaterial auf Zirkoniumdioxidbasis, wie Ni/YSZ, oder M_1-xL_xTiO₃ (M ist ein Erdalkalimetallelement und L ist ein Lanthanoidelement), wie Materialien auf SrTiO₃-Basis, zusammengesetzt. Der Zuleitungsfilm 115 leitet den DC-Strom, der durch die mittels des Interkonnektors 107 in Reihe geschalteten elektrochemischen Reaktionszellen 105 erzeugt wird, bis in die Nähe des Endes des Zellenstapels 101.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 2 und 3 ein elektrochemisches Reaktionszellmodul und eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche gemäß einer Ausführungsform beschrieben. 2 stellt einen Aspekt eines elektrochemischen Rektionszellmoduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Aspekts einer elektrochemischen Reaktionszellenkartusche gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in 2 dargestellt wird, schließt ein elektrochemisches Reaktionszellmodul 201 zum Beispiel mindestens eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche 203 und ein Druckbehälter 205 zur Unterbringung der mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 ein. Folgendes beschreibt den Fall, in dem das elektrochemische Reaktionszellmodul 201 eine Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 einschließt. Obgleich 2 einen zylindrischen Zellenstapel 101 aus elektrochemischen Reaktionszellen veranschaulicht, ist dies nicht notwendigerweise der Fall, und beispielsweise kann ein flacher Zellenstapel verwendet werden. Das elektrochemische Reaktionszellmodul 201 schließt eine Brenngaszuführleitung 207, eine Vielzahl von Brenngaszuführabzweigleitungen 207a, eine Brennstoffabgasleitung 209 und eine Vielzahl von Brennstoffabgasabzweigleitungen 209a ein. Ferner schließt das elektrochemische Reaktionszellmodul 201 eine Oxidationsmittelzuführleitung (nicht dargestellt), Oxidationsmittelzuführabzweigleitungen (nicht dargestellt), eine Oxidationsmittelabgasleitung (nicht dargestellt) und Oxidationsmittelabgasabzweigungsleitungen (nicht dargestellt) ein.
Die Brenngaszuführleitung 207 ist außerhalb des Druckbehälters 205 angeordnet, ist mit einem Brenngaszuführteil zum Zuführen von Brenngas mit einer vorbestimmten Gaszusammensetzung und einer vorbestimmten Durchflussrate, die der Menge des durch das elektrochemische Reaktionszellmodul 201 erzeugten Stroms entspricht, verbunden und ist mit der Vielzahl von Brenngaszuführabzweigleitungen 207a verbunden. Die Brenngaszuführleitung 207 verzweigt und verteilt das aus dem Brenngaszuführteil bei einer bestimmten Durchflussreite zugeführte Brenngas auf die Vielzahl von Brenngasabzweigleitungen 207a. Die Brenngaszuführabzweigleitungen 207a sind mit der Brenngaszuführleitung 207 und mit der Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 verbunden. Die Brenngaszuführabzweigleitungen 207a führen das Brenngas, das von der Brenngaszuführleitung 207 zugeführt wird, in die Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 bei einer im Wesentlichen gleichen Durchflussrate ein, um die Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 im Wesentlichen gleichzusetzten.
Die Brennstoffabgasabzweigleitungen 209a sind mit der Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 und mit der Brennstoffabgasleitung 209 verbunden. Die Brennstoffabgasabzweigleitungen 209a führen das Brennstoffabgas, das aus den elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 abgeführt wird, in die Brennstoffabgasleitung 209 ein. Die Brennstoffabgasleitung 209 ist mit der Vielzahl von Brennstoffabgasabzweigleitungen 209a verbunden und ist teilweise außerhalb des Druckbehälters 205 angeordnet. Die Brennstoffabgasleitung 209 führt das Brennstoffabgas, das aus dem Brennstoffabgasabzweigleitungen 209a zugeführt wird, bei einer im Wesentlichen gleichen Durchflussrate aus dem Druckbehälter 205 heraus.
Da der Druckbehälter 205 bei einem Innendruck von 0,1 MPa bis etwa 3 MPa und einer Innentemperatur von Atmosphärentemperatur bis etwa 550°C verwendet wird, wird ein Material mit einer hohen Dehngrenze und Korrosionsbeständigkeit gegenüber einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, der in dem Oxidationsgas enthalten ist, für den Druckbehälter 205 verwendet. Zum Beispiel ist ein Edelstahlmaterial, wie SUS304, bevorzugt.
Hierin beschreibt die vorliegende Ausführungsform den Fall, in dem die elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 in dem Druckbehälter 205 montiert und untergebracht sind, jedoch ist die Ausführungsform nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel können die elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 in dem Druckgefäß 205 untergebracht sein, ohne montiert zu sein.
Wie in 3 dargestellt wird, schließt die elektrochemische Reaktionszellenkartusche 203 mindestens einen Zellenstapel 101, eine Stromerzeugungskammer 215, ein Brenngaszuführkopfteil 217, ein Brennstoffabgaskopfteil 219, ein Oxidationsmittel (Luft)-Zuführkopfteil 221 und ein Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 ein. Folgendes beschreibt den Fall, in dem die elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 eine Vielzahl von Zellenstapeln 101 einschließt. Ferner schließt die elektrochemische Reaktionszellenkartusche 203 eine obere Rohrplatte 225a, eine untere Rohrplatte 225b, einen oberen wärmeisolierenden Körper 227a und einen unteren wärmeisolierenden Körper 227b ein. In der vorliegenden Ausführungsform sind das Brenngaszuführkopfteil 217, das Brennstoffabgaskopfteil 219, das Oxidationsmittelzuführkopfteil 221 und das Oxidationsmittelabgaskopfteil 223, wie in 3 dargestellt, angeordnet, wodurch die elektrochemische Reaktionszellenkartusche 203 eine solche Struktur aufweist, dass das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb des Zellenstapels 101 in entgegengesetzte Richtungen strömt, jedoch ist dies nicht notwendigerweise der Fall. Zum Beispiel können das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb des Zellenstapels 101 parallel strömen, oder das Oxidationsgas kann in eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Zellenstapels 101 strömen.
Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, der zwischen dem oberen wärmeisolierenden Körper 227a und dem unteren wärmeisolierenden Körper 227b gebildet ist. Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, in dem die elektrochemischen Reaktionszellen 105 des Zellenstapels 101 angeordnet sind und in dem das Brenngas und das Oxidationsgas elektrochemisch reagieren, um Strom zu erzeugen. Die Temperatur in der Stromerzeugungskammer 215 in der Nähe der Mitte in Längsrichtung der Zellenstapel 101 wird durch ein Temperaturmessteil (z.B. Temperatursensor oder Thermoelement) überwacht und wird zu einer Hochtemperaturatmosphäre von ungefähr 700°C bis 1.000°C während des stetigen Betriebs des elektrochemischen Reaktionszellmoduls 201.
Das Brenngaszuführkopfteil 217 ist ein Bereich, der von einem oberen Gehäuse 229a der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 und der oberen Rohrplatte 225a umgeben ist, und steht mit der Brenngaszuführabzweigleitung 207a über eine Brenngaszuführöffnung 231a, die im oberen Abschnitt des oberen Gehäuses 229a vorhanden ist, in Verbindung. Ferner sind die Zellenstapel 101 mit einem Dichtungsmaterial 237a an die obere Rohrplatte 225a gebunden. Das Brenngaszuführkopfteil 217 führt das aus der Brenngaszuführabzweigleitung 207a zugeführte Brenngas über die Brenngaszuführöffnung 231a in die Substratrohre 103 der Zellenstapel 101 bei einer im Wesentlichen gleichmäßigen Durchflussrate ein, um die Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von Zellenstapeln 101 im Wesentlichen gleichzusetzen.
Das Brennstoffzellenabgaskopfteil 219 ist ein Bereich, der von einem unteren Gehäuse 229b der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 und der unteren Rohrplatte 225b umgeben ist, und steht mit der Brennstoffzellenabgasabzweigleitung 209a (nicht dargestellt) über eine Brennstoffabgasöffnung 231b, die in dem unteren Gehäuse 229b vorhanden ist, in Verbindung. Ferner sind die Zellenstapel 101 mit einem Dichtungsmaterial 237b an die untere Rohrplatte 225b gebunden. Das Brennstoffabgaskopfteil 219 sammelt das Brennstoffabgas, das die Substratrohre 103 der Zellenstapel 101 durchlieft und dem Brennstoffabgaskopfteil 219 zugeführt wurde, und führt es der Brennstoffabgasabzweigleitung 209a über die Brennstoffabgasöffnung 231b zu.
Das Oxidationsgas, das eine vorbestimmte Gaszusammensetzung und eine vorbestimmte Durchflussrate aufweist, wird auf die Oxidationsgaszuführabzweigleitungen gemäß der Menge an Strom, der durch das elektrochemische Reaktionszellmodul 201 erzeugt wird, aufgeteilt und den elektrochemischen Reaktionszellenkartuschen 203 zugeführt. Das Oxidationsmittelzuführkopfteil 221 ist ein Bereich, der von dem unteren Gehäuse 229b, der unteren Rohrplatte 225b und dem unteren wärmeisolierenden Körper 227b der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 umgeben ist, und steht mit der Oxidationsmittelzuführabzweigleitung (nicht dargestellt) über Oxidationsmittelzuführöffnungen 233a, die in den Seitenflächen des unteren Gehäuses 229b vorhanden sind, in Verbindung. Das Oxidationsmittelzuführkopfteil 221 führt das Oxidationsgas, das aus der Oxidationsmittelzuführabzweigleitung (nicht dargestellt) über die Oxidationsmittelzuführöffnungen 233a bei einer bestimmten Durchflussrate zugeführt wird, in die Stromerzeugungskammer 215 über Oxidationsmittelzuführspalte 235a, die später beschrieben werden, ein.
Das Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 ist ein Bereich, der von dem oberen Gehäuse 229a, der oberen Rohrplatte 225a und dem oberen wärmeisolierenden Körper 227a der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 umgeben ist, und steht mit der Oxidationsmittelabgasabzweigleitung (nicht dargestellt) über Oxidationsmittelabgasöffnungen 233b, die in den Seitenflächen des oberen Gehäuses 229a vorhanden sind, in Verbindung. Das Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 führt das Oxidationsabgas, das aus der Stromerzeugungskammer 215 dem Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 über Oxidationsmittelabgasspalte 235b, die später beschrieben werden, zugeführt wird, in die Oxidationsmittelabgasabzweigleitung (nicht dargestellt) über die Oxidationsmittelabgasöffnungen 233b ein.
Die obere Rohrplatte 225a ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a zwischen der Deckplatte des oberen Gehäuses 229a und dem oberen wärmeisolierenden Körper 227a derart befestigt, dass die obere Rohrplatte 225a, die Deckplatte des oberen Gehäuses 229a und der obere wärmeisolierende Körper 227a im Wesentlichen parallel zueinander sind. Ferner weist die oberer Rohrplatte 225a eine Vielzahl von Öffnungen auf, die der Anzahl von Zellenstapeln 101, die in der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 angeordnet sind, entsprechen, und die Zellenstapel 101 sind in den entsprechenden Öffnungen eingefügt. Die obere Rohrplatte 225a trägt die einen Endabschnitte der Zellenstapel 101 mittels einen oder beider Dichtungsmaterialien 237a und Haftelemente luftdicht und trennt das Brenngaszuführkopfteil 217 von dem Oxidationsmittelabgaskopfteil 223.
Der obere wärmeisolierende Körper 227a ist an einem unteren Endabschnitt des oberen Gehäuses 229a derart angeordnet, dass der oberer wärmeisolierende Körper 227a, die Deckplatte des oberen Gehäuses 229a und die obere Rohrplatte 225a im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a befestigt. Ferner weist der obere wärmeisolierende Körper 227a eine Vielzahl von Öffnungen auf, die der Anzahl von Zellenstapeln 101, die in der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 angeordnet sind, entsprechen. Der Durchmesser von jeder Öffnung wird so eingestellt, dass er größer als der Außendurchmesser von jedem Zellenstapel 101 ist. Der obere wärmeisolierende Körper 227a schließt Oxidationsmittelabgasspalte 235b ein, die zwischen der Innenoberfläche von jeder Öffnung und der Außenoberfläche von jedem Zellenstapel 101, der durch den oberen wärmeisolierenden Körper 227a eingefügt ist, gebildet sind.
Der obere wärmeisolierende Körper 227a trennt die Stromerzeugungskammer 215 von dem Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 und verhindert, dass die Atmosphäre um die obere Rohrplatte 225a herum heiß wird, was eine Abnahme der Festigkeit und eine Zunahme der Korrosion aufgrund des in dem Oxidationsgas enthaltenen Oxidationsmittels unterdrückt. Obgleich die Teile, wie die obere Rohrplatte 225a, aus einem Metallmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit, wie Inconel, hergestellt sind, verhindert dies, dass die obere Rohrplatte 225a einer hohen Temperatur in der Stromerzeugungskammer 215 ausgesetzt wird und sich die Temperaturdifferenz, die eine thermische Verformung verursachen kann, erhöht. Ferner ermöglicht der obere wärmeisolierende Körper 227a dem Oxidationsgas, das die Stromerzeugungskammer 215 durchlief und hohen Temperaturen ausgesetzt wurde, in das Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 über die Oxidationsmittelabgasspalte 235b zu strömen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit der Struktur der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 strömen das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb des Zellenstapels 101 in entgegengesetzte Richtungen. Auf diese Weise tauscht das Oxidationsabgas Wärme mit dem Brenngas, das der Stromerzeugungskammer 215 durch das Innere der Substratrohre 103 zugeführt wird, Wärme aus, so dass das Oxidationsabgas in einem solchen Maß abgekühlt wird, dass die obere Rohrplatte 225a, die aus einem Metallmaterial hergestellt ist, sich nicht verformt oder einknickt, und wird dem Oxidationsmittelabgaskopfteil 223 zugeführt. Ferner wird das Brenngas durch den Wärmeaustausch mit dem Oxidationsabgas, das aus der Stromerzeugungskammer 215 abgeführt wird, erwärmt und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt. Als Ergebnis wird das Brenngas auf eine Temperatur, die zur Stromerzeugung geeignet ist, vorerwärmt und kann der Stromerzeugungskammer 215 ohne ein Heizgerät oder dergleichen zugeführt werden.
Die untere Rohrplatte 225b ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b zwischen der Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und dem unteren wärmisolierenden Körper 227b derart befestigt, dass die untere Rohrplatte 225b, die Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und der untere wärmeisolierende Körper 227b im Wesentlichen parallel zueinander sind. Ferner weist die untere Rohrplatte 225b eine Vielzahl von Öffnungen auf, die der Anzahl von Zellenstapeln 101, die in der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 angeordnet sind, entsprechen, und die Zellenstapel 101 sind in den entsprechenden Öffnungen eingefügt. Die untere Rohrplatte 225b trägt die anderen Endabschnitte der Zellenstapel 101 mittels eines oder beider Dichtungsmaterialien 237b und Haftelementen luftdicht und trennt das Brennstoffabgaskopfteil 219 von dem Oxidationsmittelzuführkopfteil 221.
Der untere wärmeisolierend Körper 227b ist an einem oberen Endabschnitt des unteren Gehäuses 229b derart angebracht, dass der untere wärmeisolierende Körper 227b, die Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und die untere Rohrplatte 225b im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b befestigt. Ferner weist der untere wärmeisolierend Körper 227b eine Vielzahl von Öffnungen auf, die der Anzahl von Zellenstapeln 101, die in der elektrischen Reaktionszellenkartusche 203 angeordnet sind, entsprechen. Der Durchmesser von jeder Öffnung wird so eingestellt, dass er größer als der Außendurchmesser von jedem Stellenstapel 101 ist. Der untere wärmeisolierende Körper 227b schließt Oxidationsmittelzuführspalte 235a ein, die zwischen der Innenoberfläche von jeder Öffnung und der Außenoberfläche von jedem Zellstapel 101, die durch den unteren wärmeisolierenden Körper 227b eingefügt sind, gebildet sind.
Der untere wärmeisolierende Körper 227b trennt die Stromversorgungskammer 215 von dem Oxidationsmittelzuführkopfteil 221 und verhindert, dass die Atmosphäre um die untere Rohrplatte 225b herum heiß wird, was eine Abnahme der Festigkeit und eine Zunahme der Korrosionsbeständigkeit aufgrund des in dem Oxidationsgas enthaltenen Oxidationsmittels unterdrückt. Obgleich die Teile, wie die untere Rohrplatte 225b, aus einem Metallmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit hergestellt sind, wie Inconel, verhindert dies, dass die untere Rohrplatte 225b hohen Temperaturen ausgesetzt wird, und sich die Temperaturdifferenz, die zu einer thermischen Verformung führen kann, erhöht wird. Ferner ermöglicht der untere wärmeisolierende Körper 227b dem Oxidationsgas, das dem Oxidationsmittelzuführkopfteil 221 zugeführt wird, in die Stromerzeugungskammer 215 durch die Oxidationsmittelzuführspalte 235a zu strömen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit der Struktur der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 strömen das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb des Zellenstapels 101 in entgegengesetzte Richtungen. Das Brennstoffabgas, das die Stromerzeugungskammer 215 über das Innere der Substratrohre 103 durchläuft, tauscht somit Wärme mit dem Oxidationsgas, das der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt wird, aus, so dass das Brennstoffabgas in einem solchen Maß abgekühlt wird, dass die untere Rohrplatte 225b, die aus einem Metallmaterial hergestellt ist, sich nicht verformt oder einknickt, und wird dem Brennstoffabgaskopfteil 219 zugeführt. Ferner wird das Oxidationsgas durch Wärmeaustausch mit dem Brennstoffabgas erwärmt und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt. Als Ergebnis kann das Oxidationsgas, das auf eine für die Stromerzeugung erforderliche Temperatur erwärmt wurde, der Stromerzeugungskammer 215 ohne ein Heizgerät oder dergleichen zugeführt werden.
Der DC-Strom, der in der Stromerzeugungskammer 215 erzeugt wird, wird durch den Zuleitungsfilm 115, der zum Beispiel aus Ni/YSZ hergestellt ist und in der Vielzahl von elektrochemischen Reaktionszellen 105 vorhanden ist, in die Nähe des Endes des Zellenstapels 101 geleitet und wird dann in einem Stromabnehmerstab (nicht dargestellt) der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 über eine Stromabnehmerplatte (nicht dargestellt) gesammelt und aus der jeweiligen elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 entnommen. Eine vorbestimmte Anzahl von elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 sind in Reihe oder parallel geschaltet, und der DC-Strom, der aus jeder elektrochemischen Reaktionszellenkartusche 203 durch den Stromabnehmerstab entnommen wird, wird aus dem elektrochemischen Reaktionszellmodul 201 herausgeleitet, in einen vorbestimmten AC-Strom mit einer Stromrichtervorrichtung (z.B. einem Wechselrichter) eines Spannungsreglers oder dergleichen (nicht dargestellt) umgewandelt und einem Stromversorgungsziel (z.B. Lastanlage oder Stromversorgungssystem) zugeführt.
Als Nächstes wird die Konfiguration der Dichtungsmaterialien 237a, 237b (nachfolgend einfach gemeinsam als „Dichtungsmaterial 237“ bezeichnet) ausführlicher beschrieben. Das Dichtungsmaterial 237 schließt eine Vielzahl von Keramikpartikeln und einen Härter zum Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln ein.
Die Keramikpartikel sind partikelförmige Materialien, die aus Sintermaterialien bestehen, welche durch Wärmebehandlung von anorganischen Materialien, metallischen oder nichtmetallischen Materialien, hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen schließen die Keramikpartikel mindestens eines von Al₂O₃, ZrO₂, ZrSiO₂ oder MgO ein.
Der Härter ist ein Material zum Härten der Keramikpartikel, um das Dichtungsmaterial 117 als Formprodukt zu bilden. In einigen Ausführungsformen schließt der Härter mindestens einen von einem Härter auf Zementbasis (z.B. Zement auf Si-Ca-Al-O-Basis) oder einen Härter auf Phosphorsäurebasis ein.
Wenn ein Härter auf Phosphorsäurebasis als Härter verwendet wird, schließen die Keramikpartikel vorzugsweise MgO ein. Wenn MgO und der Härter auf Phosphorsäurebasis vermischt werden, wird Magnesiumphosphat synthetisiert, und die Keramikpartikel können in geeigneter Weise durch Magnesiumphosphat gehärtet werden.
Daher weist das Dichtungsmaterial 237 eine Konfiguration auf, in der die Keramikpartikel durch den Härter gehärtet sind. 4A ist ein Beispiel eines Mikroskopbilds von dem Dichtungsmaterial 117. 4B ist eine schematische Abbildung, die die interne Struktur des in 4A dargestellten Dichtungsmaterials 117 schematisch darstellt. Wie in 4A und 4B dargestellt wird, werden die Keramikpartikel mit einer vorbestimmten Partikelgröße durch den Härter gehärtet, um eine Mikrostruktur mit feinen Zwischenräumen 10 (offene Poren) zwischen den Keramikpartikeln zu bilden. Wie in 4B dargestellt wird, schließen die Zwischenräume 10 offene Poren 10a, die mit dem Äußeren in Verbindung stehen, und geschlossene Poren 10b, die nicht mit dem Äußeren in Verbindung stehen, ein (in 4B sind außerdem Durchgangsporen 10c, die das Dichtungsmaterial 117 durchringen, als eine Form der offenen Poren 10a dargestellt). Die Mikrostruktur des Dichtungsmaterials 117 ermöglicht eine Leckage durch die Zwischenräume 10, während eine Dichtungswirkung sichergestellt wird, die keinen Leistungsabbau in der elektrischen Reaktionszelle bewirkt, wodurch das Auftreten einer Schädigung an dem Dichtungsmaterial 237 verhindert wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
Die Keramikpartikel, die das Dichtungsmaterial 237 bilden, sollten bei der Betriebstemperatur (z.B. 600°C) des Dichtungsteils der elektrochemischen Reaktionszelle nicht schmelzen. Diese ermöglicht der elektrochemischen Reaktionszelle die Zwischenräume 10 während des Betriebs in geeigneter Weise beizubehalten.
Als Ergebnis sorgfältiger Forschung des Erfinders wurde herausgefunden, dass die Leckrate, die für das Dichtungsmaterial 237 erforderlich ist, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2,0 % liegt, um sowohl die Leistung der elektrochemischen Reaktionszelle zu gewährleisten als auch eine Schädigung an dem Dichtungsmaterial 237 zu verhindern. Die Leckrate des Dichtungsmaterials 237 hängt von dem prozentualen Anteil der Zwischenräumen 10, welche offene Poren in dem Dichtungsmaterials 237 sind, ab.
Hierin stellt 5 die Korrelation zwischen der relativen Dichte des Dichtungsmaterials 237 und der Porosität aus offenen Poren 10a und geschlossenen Poren 10b dar. Wie in 5 dargestellt wird, nehmen die offenen Poren 10a stark ab, wenn die relative Dichte des Dichtungsmaterials 237 zunimmt, bei einer relativen Dichte von etwa 83 % beginnen jedoch einige der Hohlräume, die das Dichtungsmaterial durchdringen, eingeschlossen zu sein, so dass die geschlossenen Poren 10b tendenziell zunehmen, wenn die relative Dichte zunimmt.
In der folgenden Beschreibung wird die scheinbare Porosität PA als die Porosität verwendet, die sich auf die offenen Poren 10a, die das Dichtungsmaterial durchdringen, bezieht. Die scheinbare Porosität PA basiert hierin auf dem JIS-Standard: Testverfahren für Keramikmaterialien zur elektrischen Isolierung (JIS C 2141-1992). Die scheinbare Porosität PA wird als der Prozentsatz des Gesamtvolumens der offenen Poren 10a der Keramikpartikel, relativ zum Schüttvolumen, unter Verwendung des folgenden Ausdrucks bestimmt. $PA (%) = (m 3 - m 1) / (m 3 - m 2) * 100$
In dem Ausdruck ist m1 das Trockengewicht des Prüflings, der dem Dichtungsmaterial 237, das hinsichtlich der scheinbaren Porosität PA zu bewerten ist, entspricht, m2 ist das Gewicht des in Wasser suspendierten Prüflings und m3 das Gewicht des getränkten Prüflings.
Die zur Bewertung der scheinbaren Porosität PA verwendeten Prüflinge sind solche, die ein Gewicht von 5 g oder mehr aufweisen und bei denen vor der Messung Späne entfernt wurden (insbesondere werden Proben verwendet, die zu Pellets gemäß derselben Prozedur wie bei der nachstehend beschriebenen Herstellung des Dichtungsmaterials 237 gebildet werden). Das Trockengewicht m1 wird durch Trocknen des so hergestellten Prüflings in einem Thermostatbad bei 105 bis 120°C, Herausnehmen aus dem Bad, sobald ein konstantes Gewicht erreicht wird, Platzieren in einen Exsikkator und Wiegen auf einem Instrument, nachdem Raumtemperatur erreicht wurde, erhalten. Das verwendete Instrument zum Wiegen weist eine Empfindlichkeit von 1 mg oder mehr auf.
Das Gewicht m2 in Wasser wird erhalten, indem der suspendierte Prüfling, der durch Eintauchen des Prüflings in Wasser hergestellt wird, gewogen wird. Der suspendierte Prüfling wird durch die folgende Prozedur erhalten. Der getrocknete Prüfling mit konstantem Gewicht wird in einem trockenen Becherglas platziert, das dann in einem Vakuumgehälter platziert wird. Das Becherglas hat 200 ml oder ist ein größeres, wie in JIS R 3503 spezifiziert. Das Vakuum wird bei 2 bis 3*10³ Pa für 5 Minuten gehalten. Nach dem Halten wird destilliertes Wasser in das Becherglas im Vakuumbehälter gegeben. Nachdem der Prüfling vollständig in destilliertes Wasser eingetaucht wurde, wird für weitere 5 Minuten ein Vakuum erzeugt und dann wird Luft eingeführt, um den Druck auf Atmosphärendruck zurückzubringen.
Das Gewicht m3 des getränkten Prüflings wird erhalten, indem der oben beschriebene suspendierte Prüfling aus dem Wasser genommen wird, Wassertropfen auf der Oberfläche mit feuchter Gaze abgewischt werden und er gewogen wird. Nachdem die Gaze ausreichend mit Wasser getränkt wurde, wird sie ausgequetscht, um lediglich Wassertropfen auf der Oberfläche des Prüflings zu entfernen.
Unter Verwendung von mehreren Proben A bis D diskutieren wir die Verifizierungstestergebnisse hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis der Materialien, die als die keramischen Partikel verwendet wurden, und der Leckrate. 6 stellt die Verifizierungstestergebnisse für die Proben A bis D unter Verwendung von Keramikpartikeln mit unterschiedlichen Zusammensetzungsverhältnissen dar. In dem in 6 dargestellten Verifizierungstest wurden die Proben A bis D verwendet, von denen jede Keramikpartikel, ZrSiO₂ und MgO, und einen Härter auf Phosphorsäurebasis, P₂O₃, in einem bestimmten Zusammensetzungsverhältnis enthält. Insbesondere beträgt das Zusammensetzungsverhältnis von Probe A 80:8:12, von Probe B 75:13:12, von Probe C 50:38:12 und von Probe D 40:48:12.
Die in 6 dargestellte Leckrate (%) wurde durch den folgenden Leckratemesstest gemessen. 7 ist eine erläuternde Abbildung für den Leckratemesstest. In diesem Test wurde eine Diffusionszelle 16 mit einem geschlossenen Raum, der durch die Proben A bis D in einem ersten Raum 12 und einem zweiten Raum 14 aufgeteilt wurde, hergestellt (die Diffusionszelle 16 wird bei einer konstanten Temperatur T[K] gehalten). Brenngas G_A wurde in dem ersten Raum 12 der Diffusionszelle 16 bei einer molaren Durchflussrate F_A [mol/s] eingeführt, und das Oxidationsgas G_B wurde in den zweiten Raum 14 bei einer molaren Durchflussrate F_B [mol/s] eingeführt.
Da der erste Raum 12 und der zweite Raum 14 durch die Proben A bis D, von denen jede ein poröser Feststoff mit einer bestimmten scheinbaren Dichte PA ist, getrennt werden, diffundieren das in den ersten Raum 12 eingeführte Brenngas G_A und das in den zweiten Raum 14 eingeführte Oxidationsgas G_B ineinander, so dass das gemischte Gas aus dem ersten Raum 12 bei einer molaren Durchflussrate F^L (=F_A ^L+F_B ^L) strömt (Zusammensetzung basierend auf Molanteil: y_A ^L, y_B ^L) und das gemischte Gas aus dem zweiten Raum 14 bei einer molaren Durchflussrate F^U (=F_A ^U+F_B ^U) (Zusammensetzung basierend auf Molanteil: y_A ^U, y_B ^U) strömt. Hierbei ist F_A ^L die molare Durchflussrate, die von dem Brenngas G_A in dem gemischten Gas, das aus dem ersten Raum 12 herausströmt, eingenommen wird, F_B ^L ist die molare Durchflussrate, die von dem Oxidationsgas G_B in dem gemischten Gas, das aus dem ersten Raum 12 herausströmt, eingenommen wird, F_A ^U ist die molare Durchflussrate, die von dem Brenngas G_A in dem gemischten Gas eingenommen wird, das aus dem zweiten Raum 14 herausströmt, und F_B ^L ist die molare Durchflussrate, die von dem Oxidationsgas G_B in dem gemischten Gas eingenommen wird, das aus dem zweiten Raum 14 herausströmt. In dem Leckratemesstest (%) wird die Leckrate erhalten, indem die Durchflussraten v^U [m³/s] und v^L [m³/s] des gemischten Gases, das aus dem ersten Raum 12 und dem zweiten Raum 14 herausströmt, gemessen wird und gleichzeitig y_A ^L und y_B ^U mittels Gaschromatographie unter Verwendung des folgenden Ausdrucks analysiert wird. $Leckrate (%) = ({yA}^{U} * 100) / ({yA}^{U} + {yA}^{L})$
Gemäß den in 6 dargestellten Verifizierungsergebnissen weist die Probe A eine Leckrate von 0 % auf, was kleiner als die untere Grenze (0,5 %) des obigen Bereiches ist. Die scheinbare Porosität der Probe A beträgt 6 %, was ebenso kleiner als die untere Grenze (0 %) des obigen Bereichs bezüglich der scheinbaren Porosität ist. Wie in der zuvor erwähnten Patentdruckschrift 1 ist die Probe A gut, wenn man lediglich die Leckage-Performance betrachtet, wenn jedoch eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt, kann diese Druckdifferenz zu einer Schädigung führen.
Probe B weist eine Leckrate von 0,5 % auf, was im obigen Bereich eingeschlossen ist. Die scheinbare Porosität der Probe B beträgt 10 %, was ebenso in dem obigen Bereich bezüglich der scheinbaren Porosität eingeschlossen ist. In Probe B wird ein gewisser Leckagebetrag zugelassen, während eine Dichtungswirkung, die zu keinem Leistungsabbau der elektrochemischen Reaktionszelle führt, gewährleistet wird, wodurch das Auftreten einer Schädigung an dem Dichtungsmaterial 237 verhindert wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
Probe C weist eine Leckrate von 2,0 % auf, was im obigen Bereich eingeschlossen ist. Die scheinbare Dichte der Probe C beträgt 25 %, was ebenso in dem obigen Bereich bezüglich der scheinbaren Porosität eingeschlossen ist. In Probe C wird ein gewisser Leckagebetrag zugelassen, während eine Dichtungswirkung, die zu keinem Leistungsabbau in der elektrochemischen Reaktionszelle führt, gewährleistet wird, wodurch das Auftreten einer Schädigung an dem Dichtungsmaterial 237 verhindert wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
Probe D weist eine Leckrate von 5,0 % auf, was größer als die obere Grenze (2,0 %) des obigen Bereichs ist. Die scheinbare Porosität der Probe D beträgt 32 %, was ebenso größer als die obere Grenze (25 %) des obigen Bereichs in Bezug auf die scheinbare Porosität ist. Probe D ist dahingehend gut, dass sie eine Leckage zulässt, um eine Schädigung zu verhindern, jedoch ist das Vermischen des Brenngases und des Oxidationsgases signifikant, und es bestehen Bedenken hinsichtlich des Leistungsabbaus der elektrochemischen Reaktionszelle.
Somit verifizierte der in 6 dargestellte Verifizierungstest experimentell, dass die Leckrate von 0,5 bis 2,0 % (scheinbare Porosität von 10 bis 25 %) in den Proben B und C sowohl die zur Gewährleistung der Leistung der elektrochemischen Reaktionszelle notwendige Leckage-Performance als auch die Verhinderung einer Schädigung aufgrund einer Druckdifferenz ermöglicht.
Die Einstellung der scheinbaren Porosität (oder Leckrate) in dem Dichtungsmaterial 237 kann durch Auswahl der Partikelgröße der Keramikpartikel in dem Dichtungsmaterial 237 erfolgen. Zum Beispiel schließen die Vielzahl von Keramikpartikeln in dem Dichtungsmaterial 237 unterschiedliche Partikelgrößen ein. In diesem Fall kann die scheinbare Porosität (oder Leckrate) durch angemessene Auswahl der Partikelgröße der Keramikpartikel, die das Dichtungsmaterial 237 bilden, eingestellt werden, indem der Füllgrad der Keramikpartikel auf ein vorbestimmtes Volumen geändert wird.
Das Dichtungsmaterial 237 kann aus Keramikpartikeln mit einer einzigen Partikelgröße zusammengesetzt sein, solange die scheinbare Porosität (oder Leckrate) des Dichtungsmaterials 237 innerhalb des obigen Bereichs liegt.
Die Einstellung der scheinbaren Porosität in dem Dichtungsmaterial 237 kann durch Auswahl des Typs der Keramikpartikel in dem Dichtungsmaterial 237 erfolgen. Zum Beispiel kann die Vielzahl von Keramikpartikeln in dem Dichtungsmaterial 237 unterschiedliche Typen einschließen. In diesem Fall kann die scheinbare Porosität (oder Leckrate) durch angemessenes Auswählen des Typs der Keramikpartikel, die das Dichtungsmaterial 237 bilden, eingestellt werden, indem der Füllgrad der Keramikpartikel auf ein vorbestimmtes Volumen geändert wird.
Das Dichtungsmaterial 237 kann aus Keramikpartikeln eines einzigen Typs zusammengesetzt sein, solange die scheinbare Porosität (oder Leckrate) des Dichtungsmaterials 237 innerhalb des obigen Bereichs liegt.
In dem in 6 dargestellten Verifizierungstest wurden die Proben A bis D auch hinsichtlich der Reduktionsbeständigkeit und thermischen Zyklenfestigkeit bewertet. Die Reduktionsbeständigkeit wurde bewertet, indem die Proben A bis D einer Atmosphäre aus Brenngas (H2:N2 = 60:40 (Vol.-%)) für 10 Stunden bei ungefähr 600°C, was nah an der Betriebstemperatur der elektrochemischen Reaktionszelle liegt, ausgesetzt wurden und visuell beobachtet wurde, ob es Veränderungen, wie eine Abscheidung, gab. Gemäß den Ergebnissen wurde bestätigt, dass eine gute Reduktionsbeständigkeit bei allen Proben A bis D erhalten wurde. Die thermische Zyklenfestigkeit wurde bewertet, indem die Proben A bis D auf YSZ-Pellets aufgetragen wurden, 10 Zyklen einer Temperaturzunahme- und Abnahme zwischen Raumtemperatur und ungefähr 600°C, was nah an der Betriebstemperatur des Dichtungsteils der elektrochemischen Reaktionszelle liegt, unter einer Atmosphäre aus Brenngas (H2:N2 = 60:40 (Vol.-%)) wiederholt wurden und visuell beobachtet wurde, ob es eine Abscheidung von den YSZ-Pellets gab. Gemäß den Ergebnissen wurde bestätigt, dass bei allen Proben A bis D eine gute thermische Zyklenfestigkeit erhalten wurde.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Herstellung des Dichtungsmaterials 237 mit der obigen Konfiguration beschrieben. 8 ist ein Fließschema, das einen Aspekt des Verfahrens zur Herstellung des Dichtungsmaterials 237 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
Zunächst werden Keramikpartikel, eine der Komponenten des Dichtungsmaterials 117, ausgewählt (Schritt S10). In der vorliegenden Ausführungsform wird mindestens eine der Keramikpartikeloptionen Al₂O₃, ZrO₂, ZrSiO₂ oder MgO ausgewählt. Wie oben beschrieben, können die Keramikpartikel, wenn ein Härter auf Phosphorsäurebasis als Härter in Schritt S11 ausgewählt wird, so ausgewählt werden, dass sie mindestens MgO einschließen, um Magnesiumphosphat zu synthetisieren, was für die Härtung beim Mischen mit dem Härter auf Phosphorsäurebasis vorteilhaft ist.
Dann wird ein Härter, die andere Komponente des Dichtungsmaterials 117, ausgewählt (Schritt S11). In der vorliegenden Ausführungsform wird mindestens eine der Härteroptionen, Härter auf Zementbasis (z.B., Zement auf Si-Ca-Al-O-Basis) oder Härter auf Phosphorsäurebasis, ausgewählt.
Die Auswahl der Keramikpartikel und des Härters in Schritt S10 und S11 erfolgen so, dass die scheinbare Porosität des Dichtungsmaterials 237, das durch dieses Herstellungsverfahren hergestellt wird, 10 bis 25 % beträgt (oder die Leckrate beträgt 0,5 bis 2,0 %). Wie oben beschrieben wird, kann die scheinbare Porosität des Dichtungsmaterials 237, da die scheinbare Porosität (oder Leckrate) des Dichtungsmaterials 237 von der Partikelgröße oder dem Typ der Keramikpartikel, die durch den Härter gehärtet werden, abhängt, auf 10 bis 25 % (oder Leckrate auf 0,5 bis 2,0 %) eingestellt werden, indem die Keramikpartikel und der Härter zweckmäßig ausgewählt werden.
Obgleich 8 den Fall darstellt, in dem Schritt S11 nach Schritt S10 durchgeführt wird, kann Schritt S11 vor Schritt S10 durchgeführt werden, oder die Schritte S10 und S11 können gleichzeitig durchgeführt werden.
Die in Schritt S10 ausgewählten Keramikpartikel und der in Schritt S11 ausgewählte Härter werden dann zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt (Schritt S12). Die Aufschlämmung wird durch Mischen der ausgewählten Keramikpartikel und des Härters in vorbestimmten Mengen gebildet. Wenn, um ein bestimmtes Beispiel zu veranschaulichen, ZrSiO₂ und MgO als Keramikpartikel ausgewählt werden und H₃PO₄ (Orthophosphorsäure) als Härter ausgewählt wird, werden diese in vorbestimmten Mengen gemischt und in Alkohol eingetaucht. Als Ergebnis reagiert MgO mit H₃PO₄, um Mg₃(PO₄)₂ (Magnesiumphosphat) zu bilden. Dann wird die Mischung zum Beispiel bei 50°C erwärmt, um den Alkohol zu verflüchtigen, und Wasser wird zum resultierenden Pulver hinzugefügt, um eine Aufschlämmung herzustellen. Die Aufschlämmung wird zum Beispiel durch Zugabe von 3 g Wasser pro 10 g des resultierenden Pulvers hergestellt.
Die in Schritt S12 hergestellte Aufschlämmung wird dann gehärtet und geformt (Schritt S13). Die Aufschlämmung wird zum Beispiel in eine Form, die der Gestalt des Dichtungsmaterials 237 entspricht, gefüllt und bei einer vorbestimmten Temperatur über eine vorbestimmte Dauer gehärtet, um das Dichtungsmaterial 237 fertigzustellen.
Wenn ein Härter auf Zementbasis als Härter in Schritt S11 verwendet wird, kann das Dichtungsmaterial 237 auf einfache Weise gebildet werden, indem der Härter auf Zementbasis und die Keramikpartikel mit Wasser in Schritt S12 gemischt werden, und dieses bei einer vorbestimmten Temperatur (z.B. Raumtemperatur) für eine vorbestimmte Dauer gehärtet wird, so dass das Dichtungsmaterial 237 durch eine einfachere Prozedur erhalten werden kann.
Die Proben A bis D, die in dem Verifizierungstest in 6 verwendet wurden, wurden durch Einfüllen der Aufschlämmung in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 20 mm, Härten mittels einer Reaktion bei 80°C für 24 Stunden und Zuschneiden des aus der Form entnommenen Materials zu 3 mm dicken Pellets hergestellt.
Wie oben beschrieben wird, stellt die vorliegende Ausführungsform ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle, eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche und ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle bereit, wodurch es möglich ist, das Auftreten einer Schädigung effektiv zu verhindern, während eine gute Leckage-Performance gewährleistet wird, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas auftritt.
Außerdem können die Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen entsprechend mit bekannten Komponenten ersetzt werden, ohne vom Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, oder die oben beschriebenen Ausführungsformen können entsprechend kombiniert werden.
Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Inhalte würden zum Beispiel wie folgt verstanden werden.
(1) Ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem Aspekt ist ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle. Das Dichtungsmaterial schließt eine Vielzahl von Keramikpartikeln und einen Härter zum Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln ein und weist eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % auf.
Gemäß dem obigen Aspekt (1) wird das Dichtungsmaterial zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle konfiguriert, indem die Vielzahl von Keramikpartikeln mit dem Härter gehärtet werden. Die scheinbare Porosität des so konfigurierten Dichtungsmaterials hängt von dem Verteilungszustand der mit dem Härter gehärteten Keramikpartikeln ab. In dem vorliegenden Aspekt wird das Dichtungsmaterial so konfiguriert, dass eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % aufweist. Als Ergebnis lässt das Dichtungsmaterial eine Leckage in einem Maß zu, dass die Wirkung auf die Leistung der elektrochemischen Reaktionszelle reduziert wird, und es ist möglich das Auftreten einer Schädigung aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas zu verhindern, während die erforderliche Dichtungsperformanz gewährleistet wird.
(2) In einem weiteren Aspekt schließen die Vielzahl von Keramikpartikeln in dem obigen Aspekt (1) unterschiedliche Partikelgrößen ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (2) ist es möglich, die scheinbare Porosität unter Verwendung des Unterschieds in den Partikelgrößen einzustellen, da die Keramikpartikel mit unterschiedlichen Partikelgrößen verwendet werden, um das Dichtungsmaterial zu bilden. Als Ergebnis kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise erhalten werden.
(3) In einem weiteren Aspekt schließt die Vielzahl von Keramikpartikeln in dem obigen Aspekt (1) oder (2) unterschiedliche Typen ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (3) ist es möglich, die scheinbare Porosität unter Ausnutzung des Unterschieds der Typen einzustellen, da die Keramikpartikel mit unterschiedlichen Typen verwendet werden, um das Dichtungsmaterial zu bilden.
In einem weiteren Aspekt schießt die Vielzahl von Keramikpartikeln in einen der obigen Aspekte (1) bis (3) mindestens eines von Al₂O₃, ZrO₂, ZrSiO₂ oder MgO ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (4) kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise erhalten werden, da die Keramikpartikel, die mindestens eines von Al₂O₃, ZrO₂, ZrSiO₂ oder MgO einschließen, verwendet werden.
(5) In einem weiteren Aspekt schließt der Härter in einem der obigen (1) bis (4) mindestens eines von einem Zement auf Si-Ca-Al-O-Basis oder einen Härter auf Phosphorsäurebasis ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (5) kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise erhalten werden, da der Härter, der mindestens eines von Zement auf Si-Ca-Al-O-Basis oder einen Härter auf Phosphorsäurebasis einschließt, verwendet wird.
(6) In einem weiteren Aspekt schließt die Vielzahl von Keramikpartikeln in einem der obigen Aspekte (1) bis (5) MgO ein und der Härter schließt einen Härter auf Phosphorsäurebasis ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (6) wird MgO als die Keramikpartikel verwendet und ein Härter auf Phosphorsäurebasis wird als der Härter verwendet. Wenn MgO und der Härter auf Phosphorsäurebasis gemischt werden, wird Magnesiumphosphat synthetisiert, und die Keramikpartikel werden durch Magnesiumphosphat gehärtet. Als Ergebnis kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise erhalten werden.
(7) In einem weiteren Aspekt schließt die Vielzahl von Keramikpartikeln in dem obigen Aspekt (6) ferner ZrSiO₂ ein.
Gemäß dem obigen Aspekt (7) wird, wenn ein Härter auf Phosphorsäurebasis als Härter verwendet wird, ZrSiO₂ zusammen mit MgO als die Keramikpartikel verwendet. Unter Verwendung dieser Materialien ist es möglich, das Dichtungsmaterial mit ausgezeichneter Reduktionsbeständigkeit und thermischen Zyklenfestigkeit zu erhalten.
(8) Eine elektrochemische Reaktionszellenkartusche gemäß einem Aspekt schließt ein: mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapel, der eine elektrochemische Reaktionszelle einschließt, ein Stromabnehmerelement zum Abnehmen von Strom, der durch den elektrochemischen Reaktionszellenstapel erzeugt wird, und ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem der obigen Aspekte (1) bis (7). Das Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle ist zwischen einem Brenngaskanal und einem Oxidationsgaskanal des mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapels angeordnet.
Gemäß dem obigen Aspekt (8) ist das Dichtungsmaterial mit der obigen Konfiguration so angeordnet, dass es Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszellenkartusche trennt. Als Ergebnis ist es, selbst wenn eine Druckdifferenz zwischen Brenngas und Oxidationsgas auftritt, die durch das Dichtungsmaterial getrennt werden, möglich, eine Schädigung an dem Dichtungsmaterial aufgrund der Druckdifferenz zu verhindern, während eine gute Dichtungsperformance gewährleistet wird.
(9) Ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle. Das Verfahren schließt einen Schritt zum Härten einer Vielzahl von Keramikpartikeln mit einem Härter ein, so dass es eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % aufweist.
Gemäß dem obigen Aspekt (9) kann durch Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln mit dem Härter das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise hergestellt werden.
(10) In einem weiteren Aspekt wird in dem obigen Aspekt (9) Magnesiumphosphat als Härter synthetisiert, indem Phosphorsäure mit der Vielzahl von Keramikpartikeln, die MgO einschließen, gemischt wird.
Gemäß dem obigen Aspekt (10) kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % in geeigneter Weise hergestellt werden, indem Magnesiumphosphat, das durch Mischen von Phosphorsäure mit Keramikpartikeln, die MgO einschließen, synthetisiert wird, als Härter verwendet wird, um die Keramikpartikel zu härten.
(11) In einem weiteren Aspekt ist der Härter ein Härter auf Zementbasis.
Gemäß dem obigen Aspekt (11) kann das Dichtungsmaterial mit einer scheinbaren Porosität von 10 bis 25 % auf einfache Weise hergestellt werden, indem die Keramikpartikel mit dem Härter auf Zementbasis gehärtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Zwischenraum
12: erster Raum
14: zweiter Raum
16: Diffusionszelle
101: Zellenstapel
103: Substratrohr
105: elektrochemische Reaktionszelle
107: Interkonnektor
109: Anode
111: Elektrolyt
113: Kathode
115: Zuleitungsfilm
117: Dichtungsmaterial
201: elektrochemisches Reaktionszellmodul
203: elektrochemische Reaktionszellenkartusche
205: Druckbehälter
207: Brenngaszuführleitung
207a: Brenngaszuführabzweigleitung
209: Brennstoffabgasleitung
209a: Brennstoffabgasabzweigleitung
215: Stromerzeugungskammer
217: Brenngaszuführkopfteil
219: Brennstoffabgaskopfteil
221: Oxidationsmittelzuführkopfteil
223: Oxidationsmittelabgaskopfteil
225a: obere Rohrplatte
225b: untere Rohrplatte
227a: oberer wärmeisolierender Körper
227b: unterer wärmeisolierender Körper
229a: oberes Gehäuse
229b: unteres Gehäuse
231a: Brenngaszuführöffnung
231b: Brennstoffabgasöffnung
233a: Oxidationsmittelzuführöffnung
233b: Oxidationsmittelabgasöffnung
235a: Oxidationsmittelzuführspalt
235b: Oxidationsmittelabgasspalt
237b: Dichtungsmaterialien

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2021 [0002]
JP 025909 [0002]
JP 2018055914 A [0006]

Claims

Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle, umfassend: eine Vielzahl von Keramikpartikeln und einen Härter zum Härten der Vielzahl von Keramikpartikeln, wobei das Dichtungsmaterial eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % aufweist.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Keramikpartikel unterschiedliche Partikelgrößen einschließt.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Keramikpartikeln unterschiedliche Typen einschließt.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Keramikpartikeln mindestens eines von Al₂O₃, ZrO₂, ZrSiO₂ oder MgO einschließt.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Härter mindestens eines von einem Zement auf Si-Ca-Al-O-Basis und einem Härter auf Phosphorsäurebasis einschließt.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vielzahl von Keramikpartikeln MgO einschließt und wobei der Härter einen Härter auf Phosphorsäurebasis einschließt.
Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Keramikpartikeln ferner ZrSiO₂ einschließt.
Elektrochemische Reaktionszellenkartusche, umfassend: mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapel, der eine elektrochemische Reaktionszelle einschließt, ein Stromabnehmerelement zum Abnehmen von Strom, der durch die elektrochemischen Reaktionszellenstapel erzeugt wird, und ein Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Dichtungsmaterial für eine elektrochemische Reaktionszelle zwischen einem Brenngaskanal und einem Oxidationsgaskanal des mindestens einen elektrochemischen Reaktionszellenstapels angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle zum Trennen von Brenngas und Oxidationsgas in der elektrochemischen Reaktionszelle, umfassend einen Schritt zum Härten einer Vielzahl von Keramikpartikeln mit einem Härter so, dass es eine scheinbare Porosität von 10 bis 25 % aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß Anspruch 9, wobei Magnesiumphosphat als der Härter durch Mischen von Phosphorsäure mit der Vielzahl von Keramikpartikeln, die MgO einschließen, synthetisiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsmaterials für eine elektrochemische Reaktionszelle gemäß Anspruch 9, wobei der Härter ein Härter auf Zementbasis ist.