DE4041496A1 - Verfahren zur herstellung von brennstoffzellentraegern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in die Wandungen keramischer Brennstoffzellen­ träger für den Durchtritt von Prozeßgasen.

Brennstoffzellenträger der hier in Rede stehenden Art sind im Querschnitt rechteckig, nämlich mit zwei Schmal­ und zwei Breitseiten ausgebildet. Die Wandungen um­ schließen mindestens einen Hohlraum, der von der bzw. den Stirnseiten aus mit Prozeßgas beschickt wird. Dieses soll - nachdem es reagiert hat - aus der Trägermantel­ fläche wieder austreten. Dafür sind an den Breitseiten bekannter Brennstoffzellenträger Öffnungen in Form von Bohrungen vorgesehen.

Diese Bohrungen lassen sich nur bedingt in der grünen, d. h. ungesinterten, Phase des Brennstoffträgers ein­ bringen, da der Träger zu Deformationen neigt. Anderer­ seits treten im gesinterten Stadium beim Bohren hohe lo­ kale Spannungen (ungünstig wegen der vorhandenen Kerb­ schlagempfindlichkeit) auf, und der Werkzeugverschleiß ist erheblich. Die notwendige große Anzahl von Bohrungen kann nur in mehreren Arbeitszyklen erbracht werden; für eine Automatisierung ist eine Mehrfachpositionierung des Trägers erforderlich und es bedarf sehr aufwendiger Be­ arbeitungsmaschinen. Hinzu kommt, daß die Bohrungen, die lotrecht in die Breitseiten des Trägers gesetzt sind, sich nicht besonders gut für den Gasfluß eignen. Wegen deren relativ steil zum Gasstrom gerichteten Wandungen kommt es zu Strömungsablösungen, d. h. die Strömung ist recht uneffektiv.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfah­ ren anzugeben, das eine vereinfachte Herstellung der Öffnungen zuläßt und deren Kontur dem Prozeßgasfluß dienlich sind.

Gelöst wird diese Aufgabe durch längsschlitzartige Öff­ nungen, die in Richtung der Prozeßgaseinleitung in den Brennstoffzellenträger mit Hilfe von scheibenartigen Be­ arbeitungswerkzeugen in die Brennstoffzellenträgerwand eingebracht werden. Ein solches Werkzeug kann ein Säge­ blatt oder ein Scheibenfräser sein.

Das Einsägen wird vorteilhaft mittels rotierender Säge­ blätter, deren Zähne zweckmäßigerweise mit Diamanten bzw. Hartmetallen belegt sind, vorgenommen. Mit dem Sä­ gen wird der Träger insgesamt weniger mechanisch bela­ stet; es werden rasch große Gasdurchlässe geschaffen. Die Werkzeuge (Sägeblätter) erreichen hohe Standzeiten.

Da das rotierende Sägeblatt nicht bis zum Mittelpunkt in die Trägerwandung eindringen kann, werden die Anfänge sowie die Enden der längsschlitzartigen Öffnungen ent­ sprechend der Eintauchtiefe des Sägeblattes flach, also in einem Winkel kleiner als 90° auslaufen. Dies begün­ stigt den Durchtritt des Prozeßgases ebenso, wie die in Richtung des in den Zellenträger eintretenden Prozeßga­ ses gelegten längsschlitzartigen Öffnungen.

Um die Fertigung zu vereinfachen, können mehrere rotie­ rende Sägeblätter auf einer Werkzeugträgerwelle angeord­ net sein. Grundsätzlich kann man so viele Werkzeugträ­ gerwellen mit Sägeblättern anordnen, wie längsschlitzar­ tige Öffnungen auf einer Breitseite des Zellenträgers gewünscht werden. Die Fertigung kann dann dahingehend automatisiert werden, daß alle Werkzeugträgerwellen gleichzeitig in Vorschub treten und alle Öffnungen in einem Arbeitsgang eingesägt werden.

Werden die Werkzeugträgerwellen nur in Richtung der Zel­ lenträgerwandung vorgeschoben und nicht quer dazu, so kann mit recht einfachen Bearbeitungsmaschinen arbeiten. Dabei hängt die Länge einer schlitzartigen Öffnung na­ türlich von der Geometrie des Sägeblattes ab.

Läßt man die schlitzartigen Öffnungen verzahnend inein­ andergreifen, so erhält man einen großen Gasauslaßquer­ schnitt unter Beibehaltung einer guten mechanischen Sta­ bilität des Brennstoffzellenträgers. Zur Einbringung der ineinandergreifenden parallel geführten Öffnungen, wer­ den zwei in einem festen Abstand zueinander angeordnete Werkzeugträgerwellen verwandt, deren Sägeblätter ver­ setzt nebeneinander laufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungsdarstellungen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines keramischen Brennstoffzellenträgers,

Fig. 2 ein Längsschnitt durch den Zellenträger nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zellenträger gemäß Schnittlinie A-A der Fig. 1,

Fig. 4 die (Fest)-Anordnung zweier Werkzeugträgerwel­ len mit versetzt nebeneinander verlaufenden Sägeblättern.

Der aus Keramik aufgebaute Brennstoffzellenträger 1 ist brettförmig mit zwei äußeren sich gegenüberliegenden Schmal- sowie zwei Breitseiten ausgebildet. Er enthält zwei in Längsrichtung parallel zu den Außenkanten ge­ führte Kanäle 2, 3, in die Prozeßgas von der bzw. den Stirnseiten 4, 5 her eingeleitet wird. Das Gas soll, nachdem es reagiert hat, an der bzw. den Mantelflächen des Zellenträgers 1 wieder austreten. Zu dem Zwecke wer­ den in die Breitseiten des Trägers schlitzartige Öffnun­ gen 6 eingesägt. Sie erstrecken sich in Richtung der Prozeßgaseinleitung, die mit einem Pfeil 7 angedeutet ist. In der Regel sind mehrere Öffnungen 6 parallel ne­ beneinander angeordnet, wobei die Öffnungen versetzt in­ einandergreifend zueinanderliegen können.

Die schlitzartigen Öffnungen 6 werden bevorzugt mit ro­ tierenden kreisrunden Sägeblättern 8 bis 8n eingebracht. Letztere sind zu diesem Zweck auf Werkzeugträgerwellen 9, 9a verankert. Die Brennstoffzellenträger 1 sind in der Regel vor der Bearbeitung gesintert, d. h. ausgehär­ tet. Sie können dann problemlos in einer Spannvorrich­ tung für die Bearbeitung festgehalten werden. Zum Schneiden der Öffnungen 6 werden die in Rotation ver­ setzten Werkzeugträgerwellen 9 - in Richtung des Pfeiles 10 - auf die Breitseite des Brennstoffzellenträger 1 ab­ gesenkt. Vorzugsweise ist dieser Vortrieb senkrecht in Hinblick auf die Breitseitenfläche gerichtet. Dabei kön­ nen - wegen der überstehenden Werkzeugträgerwelle - die Sägeblätter 8 bis 8n nur zum Teil in die Zellenträger­ wandung eintauchen und es entstehen demzufolge Schlitze deren Anfang und Ende sich jeweils recht flach (siehe Fig. 2) nach außen öffnen, wobei der entsprechende Win­ kel a stets kleiner als 90° sein wird. Dies begünstigt den leichten und nahezu verwirbelungsfreien Austritt des Prozeßgases, das in Richtung des Pfeiles 11 aus den Brennstoffzellenträger 1 herausströmt.

Vorzugsweise werden die Öffnungen 6 in einem einzigen Arbeitsgang erzeugt. Voraussetzung sind natürlich eine entsprechende Anzahl von Werkzeugträgerwellen, bestückt mit den notwendigen Sägeblättern. Werden parallel zuein­ ander und versetzt ineinandergreifend angeordnete Öff­ nungen 6 (siehe linke Seite der Fig. 1) gewünscht, so werden ein oder mehrere Paare von Werkzeugträgerwellen 9, 9a mit festem Abstand zueinander eingesetzt. Diese tragen die versetzt nebeneinanderliegenden Sägeblätter 8 bis 8n.

Beim Sägen der Öffnungen werden die Werkzeugträgerwellen vorzugsweise lediglich auf den Brennstoffzellenträger 1 abgesenkt und erhalten keinen Vorschub in Längsrichtung der Öffnungen. Damit kann ein Sägevorgang sehr rasch ausgeführt werden und es bedarf nur sehr einfacher Ma­ schineneinrichtungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders von Bearbeiten von Brennstoffzellenträgern, die bereits ge­ sintert, d. h. ausgehärtet, worden sind.

Claims (9)

1. Verfahren zum Einbringen von Öffnungen in Wan­ dungen keramischer Brennstoffzellenträger für den Durch­ tritt von Prozeßgasen, dadurch gekennzeichnet, daß längsschlitzartige Öffnungen (6) in die Wandungen der Brennstoffzellenträger längs zur Richtung der Prozeßgas­ einleitung mit Hilfe von scheibenartigen, rotierenden Bearbeitungswerkzeugen eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Öffnungen (6) mittels rotierender Sägeblät­ ter (8 bis 8n) eingesägt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens einer Werkzeugträgerwelle (9, 9a), auf der mehrere Sägeblätter (8 bis 8n) angeordnet sind, und sämtliche Öffnungen (6) in einer Trägerwandungsseite in einem Arbeitsgang gesägt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die längsschlitzartigen Öff­ nungen (6) parallel und versetzt zueinander eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung mindestens zweier parallel zueinander an­ geordneter Werkzeugträgerwellen (9, 9a), deren Sägeblät­ ter (8 bis 8n) versetzt nebeneinander laufen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sägeblätter (8 bis 8n) kreisförmig ausgebildet sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Öffnungen (6) die Sägeblätter (8 bis 8n) lediglich in eine Rich­ tung - auf den Brennstoffzellenträger (1) hin - vorge­ schoben werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorschub zwischen Brennstoffzellenträger (1) sowie Werkzeugträgerachse (9, 9a) senkrecht zur Brennstoffträgerwandungsfläche erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bearbeiten des Brennstoff­ zellenträgers (1) im gebrannten, d. h. gesinterten, Zu­ stand erfolgt.