DE60224151T2

DE60224151T2 - Brennstoffzelleninterkonnektor mit integrierten Flußpfaden und Verfahren zur Herstellung dieses

Info

Publication number: DE60224151T2
Application number: DE60224151T
Authority: DE
Inventors: Thomas L. Newbury Cable; Kurt E. Alliance Kneidel; Eric A. Lynchburg Barringer; Thomas C. Williamsville Yuan
Original assignee: Rolls Royce Fuel Cell Systems Ltd; Rolls Royce Fuel Cell Systems US Inc
Current assignee: LG Fuel Cell Systems Inc
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2003132914A; AU4889202A; CA2391704A1; US6949307B2; US20030077498A1; DE60224151D1; EP1304755B1; EP1304755A2; JP4472914B2; CA2391704C; AU784450B2; EP1304755A3

Description

Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Brennstoffzelleninterkonnektor und insbesondere auf einen mehrschichtigen keramischen Interkonnektor, welcher eine verbesserte Konstruktion und verbesserte Leistungsfähigkeitseigenschaften aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen dieses.
Die Nachfrage nach Elektrizitätserzeugungseinrichtungen hat in den vergangenen Jahren wesentlich zugenommen. Als Ergebnis wurden zahlreiche Technologien entwickelt, um Elektrizität bereitzustellen, einschließlich herkömmlichen netzbasierten Systemen und lokalisierteren verteilten Erzeugungssystemen. Darüber hinaus gehen viele, da die Nachfrage weiter zunimmt, davon aus, daß die Nachfrage nach verteilten Erzeugungssystemen ebenfalls zunehmen wird.
Als Reaktion auf diese Notwendigkeit für eine verteilte Erzeugung erhalten Brennstoffzellensysteme eine besondere Aufmerksamkeit. Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die die Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umwandeln. Die grundlegende physikalische Struktur einer einzigen Brennstoffzelle weist Elektroden (eine Anode und eine Kathode) mit einem Elektrolyt, das dazwischen in Kontakt mit den Elektroden angeordnet ist, auf. Um elektrochemische Reaktionen an den Elektroden hervorzurufen, werden ein Brennstoffstrom und ein Oxidationsmittelstrom an der Anode bzw. Kathode bereitgestellt. Die Brennstoffzelle wandelt elektrochemisch einen Teil der chemischen Energie des Brennstoffs in dem Brennstoffstrom in Elektrizität um, während die verbleibende Menge der chemischen Energie als Wärme freigesetzt wird. Ein Stapel individueller Brennstoffzellen ist vorzugsweise über eine Reihe von leitfähigen Interkonnektoren elektrisch in Reihe verbunden, um eine nutzbare additive Spannung zu erzeugen.
Der Typ des in einer Brennstoffzelle verwendeten Elektrolyts wird im Allgemeinen genutzt, um die Brennstoffzelle zu klassifizieren und er bestimmt auch bestimmte Brennstoffzellenbetriebseigenschaften, wie z. B. eine Betriebstemperatur. Derzeitige Klassen von Brennstoffzellen umfassen die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (Polymer Electrolyte Fuel Cell; PEFC), die alkaliartigen Brennstoffzellen (Alkaline Fuel Cell; AFC), die Phosphorsäurebrennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cell; PAFC), die Kohlenstoff Brennstoffzellen mit geschmolzenem (holten Carbonate Fuel Cell; MCFC) und die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Die Interkonnektoren wiederum werden basierend auf einer Kompatibilität mit dem Elektrolyt gewählt.
Aktuelle Forschungsbemühungen fokussieren sich auf SOFC-Systeme, aufgrund einer Auswahl von Sicherheits- und Leistungsfähigkeitsüberlegungen. Zum Beispiel benötigen SOFC-Systeme im Vergleich mit anderen Typen von Brennstoffzellen nicht das Vorhandensein korrosiver Elektrolyte. Darüber hinaus sind die SOFC-Betriebstemperaturen effizienter und direkter mit internen Systemkomponenten und/oder anderen Anwendungen zu integrieren. Zuletzt ermöglichen SOFC-Stapel, die Verfügbarkeit eines SOFC-Stapels mit entweder einer röhrenförmigen oder einer ebenen Form vorausgesetzt, eine größere Konstruktionsflexibilität.
Ebene Oxidbrennstoffzellen sind eine attraktive Option zum Erfüllen des wachsenden Bedarfs an verteilter Energieerzeugung auf eine Weise, die sowohl energieeffizient als auch umweltverträglich ist. Insbesondere bieten solche Systeme eine Modularität sowie eine höhere Brennstoffeffizienz, geringe Emissionen und niedrigere Geräusche und Vibrationen im Vergleich mit anderen verteilten Erzeugungssystemen (z. B. Dieselgeneratoren, Gasturbinen, etc.). Jedoch müssen sich die Herstellungs- und Betriebskosten von Festoxidbrennstoffzellen vorzugsweise mit diesen alternativen Energiequellen vergleichen. Daher müssen, damit sie eine weitere Akzeptanz in Anwendungen verteilter Erzeugung finden, Festoxidbrennstoffzellen in der Lage sein, Elektrizität kostengünstig zu erzeugen sowie die zum Betrieb der Zelle erforderliche Wärmeenergie effizient zu nutzen.
Idealerweise sollte die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit nur von der Brennstoffzusammensetzung und der Menge des auf der Anodenseite verbrauchten Brennstoffs abhängen. Folglich ist die richtige Verteilung des Oxidationsmittelgases in den verschiedenen Teilen der Zelle eine wichtige Überlegung. Verschiedene Konstruktionen von Anode-Elektrolyt-Kathode Dreischichten und zugehörigen FlußDurchgängen sind verfügbar zum Konstruieren von Brennstoffzellenstapeln. Die am weitesten verbreitete Anordnung ist die planare Konstruktion mit mehreren Schichten von Zelleneinheiten, welche darin gestapelt sind. Der Brennstoff, bzw. das Oxidationsmittel (z. B. Luft) fließen durch die Oberfläche der Anode und der Kathode, die dem Elektrolyt gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht es der Anodenoberfläche direkt in Kontakt mit dem Brennstoff zu stehen und der Kathodenoberfläche direkt in Kontakt mit Luft. Die Durchflösse für jedes Gas können mit Einlaß- und Auslaßverteilern sowohl auf den Anoden- als auch auf den Kathodenseiten verbunden sind. Zusätzliche externe Ventile können ebenfalls vorgesehen sein, um zu helfen, den Fluß an Reaktantengasen zu kanalisieren.
Allgemein gesprochen wird der Brennstoff aufgrund elektrochemischer Reaktionen verbraucht, wenn er von dem Einlaß zu dem Auslaß über die Anode passiert. Eine Funktion des Interkonnektors in einem Brennstoffzellenstapel ist es die Verteilung von Brennstoff auf alle aktiven Bereiche der Zelle sicherzustellen. Während des Zellenbetriebs muß Brennstoff auch den Brennstoff verbrauchenden Teilen der Zelle in einer ausreichenden Menge zur Verfügung gestellt werden, um den richtigen Betrieb dieses brennstoffhungrigen Teils bereitzustellen. Als ein Ergebnis wird überschüssiger Brennstoff schließlich an die gesamte Zelle bereitgestellt, um die Anforderungen zu erfüllen, die durch die brennstoffhungrigen Teile der Zelle gestellt werden. Diese überschüssige Brennstoffverwendung hat einen negativen Einfluß auf die Gesamteffizienz der Zelle und des Stapels. Folglich kann die Leistungsfähigkeit des Stapels durch Verbessern der Flußverteilung von Reaktantengasen innerhalb der Zelle erhöht werden.
Ungeachtet der Aspekte, die dem negativen Einfluß eines falschen Reaktantenflusses auf die Leistungsfähigkeit zugeordnet sind, bilden die SOFC-Interkonnektoren-Funktionalität und die Interkonnektorenstückkosten tatsächlich die größten Barrieren derzeit wettbewerbsfähige SOFC-Systeme herzustellen. Im Gegensatz zu den oben diskutierten Flußmustern muß der Interkonnektor eine Reaktantengastrennung und -begrenzung bereitstellen, die Zellen mechanisch stützen und einen Pfad mit geringem Widerstand für elektrischen Strom bereitstellen. Darüber hinaus müssen die Reaktantengasflußkanäle, die dem Interkonnektor zugeordnet sind, so konstruiert sein, daß sie eine Verteilung von Recktanten mit minimalem Druckabfall in dem SOFC-Gesamtstapel ermöglichen, insbesondere in Bezug auf die Luftflußkanäle in dem Interkonnektor aufgrund der relativ hohen Luftflußraten, die benötigt werden, um Wärme von dem Stapel abzuführen. Zuletzt muß, wenn er in den Stapel integriert ist, jeder Interkonnektor schädlichen Reaktionen (wie z. B. Korrosion) widerstehen, dicht sein, um eine angemessene Gastrennung der Reaktantengase bereitzustellen, und dennoch stark genug sein, um die Effekte der Verschiebung augrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zu minimieren.
Monolithische Interkonnektoren, die aus Lanthanchromitkeramiken und metallischen Hochtemperaturlegierungen hergestellt sind, wurden verwendet, um diese Probleme mit einigem Erfolg aufzugreifen. Jedoch sind beide Typen von Interkonnektoren teuer und gefährden Aspekte der Interkonnektorfunktion. Darüber hinaus sind Lanthanchromit und Hochtemperaturlegierungen (z. B. Hochchromlegierungen), die in einer herkömmlichen monolithischen Interkonnektorkonstruktion verwendet werden, derzeit kostenprohibitiv, obwohl die Verwendung eines Lanthanchromitzelleninterkonnektors theoretisch ein marginal wettbewerbsfähiges Produkt ermöglichen könnte, unter der Annahme, daß eine regulär hohe Produktionsstückzahl benötigt würde und eine netzförmige Keramikbearbeitung verwendet würde. In jeden Fall liefert Lanthanchromit eine ausdrückliche Erläuterung des grundlegenden Rätsels bei der SOFC-Kommerzialisierung – die Abkühlungseffekte der Produktionsanlaufkosten, die mit der anfänglich kleinen Marktgröße verbunden sind.
Das Gastrennungserfordernis stellt ein weiteres Problem im Hinblick auf eine Materialauswahl dar. Offensichtlich müssen die Interkonnektoren eine Barriere bereitstellen, um die verschiedenen Gase, die durch sie hindurchfließen, zu trennen. Daher muß ein dichtes undurchlässiges Material mit hoher elektronischer Leitfähigkeit, jedoch mit fast keiner ionischen Leitfähigkeit verwendet werden. Obwohl die keramische Prozessierung die Fähigkeit entwickelt hat, Interkonnektoren mit ausreichend hoher Dichte zu erzeugen, haben viele Keramiken, einschließlich Lanthanchromit eine unakzeptabel hohe ionische Leitfähigkeit (was zu einer schlechten Systemleistungsfähigkeit führt). Viele elektrisch leitfähige keramische Materialien zeigen auch unerwünschte Dimensionsänderungen aufgrund des Verlustes an Sauerstoffionen innerhalb des Materials, wenn sie reduzierenden Gasatmosphären unterliegen. Alternative Zusammensetzungen von keramischen Materialien, welche geringe ionische Leitfähigkeit aufweisen, haben im Allgemeinen eine geringere akzeptable elektronische Leitfähigkeit oder sie haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE), der nicht gut an den der Zelle angepasst ist.
Im Gegensatz dazu wurden Interkonnektoren aus einer metallischen Legierung entwickelt, die leicht die Gastrennfunktion erfüllen, jedoch zeigen sie im Allgemeinen nicht die passende Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion (und anderen schädlichen Reaktionen). Insbesondere sind Oxidschuppenwachstum/-bildung und ein unakzeptabel hoher elektrischer Widerstand wahrscheinlich die herausforderndsten Hürden, die durch bekannte Metallinterkonnektoren aufgestellt werden. Der Schuppenwiderstand ist eine Funktion der Oxidleitfähigkeit, Dicke und Kontinuität. Poröse oder laminare Schuppen haben den Effekt, das sie die Strompfadlänge erhöhen, währen die effektive stromtragende Querschnittsfläche reduziert wird. Der Mechanismus für Schuppenwachstum und für die Leitfähigkeit sind so miteinander verbunden, daß sich die Wachstumsrate im Allgemeinen mit der Schuppenleitfähigkeit erhöht. Höhere Wachstumsraten neigen dazu anhaftende Schuppen mit geringerer Dichte zu erzeugen. Die meisten Legierungen (außer Edel- oder Halbedelmetallen) wägen tatsächlich vorteilhafterweise eine Schuppenleitfähigkeit gegenüber einer erhöhten Degradierung aufgrund des Schuppenwachstums ab. Ein Beschichten des Interkonnektors mit einer leitfähigen Oxidschicht liefert eine stärkere Steuerung der Schuppenzusammensetzung und Mikrostruktur, jedoch ändert sie nicht die grundlegende Natur des Problems. Die Auftragung von Beschichtungen auf Interkonnektoren aus Legierungen erhöht auch die Herstellungskosten.
Unabhängig von der Auswahl von keramischen oder metallischen Zwischenstücken ist die enge Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Zelle und des Zwischenstücks ein absolutes Erfordernis. Eine enge Abstimmung der CTE ermöglicht die effektive Abdichtung der individuellen Zellen mit den Zwischenstücken und die gleichzeitige Begrenzung der Reaktantengase darin. Eine zu große Fehlanpassung der CTE führt dazu, daß bestimmte Bereiche der Zelle ungünstig verschoben werden. Diese physikalischen Verschiebungen hindern einen effektiven Einschluß der Reaktantengase in ihren vorgesehenen Flußpfaden, wodurch die Leistungsfähigkeit des gesamtes SOFC-Stapels nachträglich beeinflußt wird. Während Änderungen zwischen Raum- und Betriebstemperatur (im Allgemeinen in dem Bereich von 700–1000°C) die größten thermischen Verschiebungen erzeugen, können kleinere Temperaturgradienten über den Stapel (welcher mit den Stapelbetriebsbedingungen variiert) ebenfalls nachteilige Verschiebungen hervorrufen.
Unähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften können auch ein Abreißen des elektrischen Strompfades zwischen Zellen und Verbindungsstücken in einem Stapel bewirken, aufgrund der relativen Bewegung der Kontaktpunkte. Im Wesentlichen erzeugt dieser Verlust an Kontakt einen zusätzlichen, unerwünschten Widerstand, der im Wesentlichen die Stapelleistungsfähigkeit- und Effizienz mindert.
Die meisten Interkonnektoren aus Legierungen haben einen größeren CTE verglichen mit den anderen Zellenkomponenten. Folglich sind metallische Legierungsinterkonnektoren insbesondere anfällig für Kontaktwiderstandsprobleme aufgrund der relativen Bewegung, welche durch eine Ausdehnung eine Schutzoxidschuppe entfernen kann und das darunter liegende ungeschützte Metall freilegen kann. Eine Oxidation irgendeiner ungeschützten Oberfläche erhöht wiederum die Gesamtschuppendicke und wie oben erwähnt ist die Schuppenleitfähigkeit vergleichsweise schlecht, so daß ein Schuppenwachstum direkt zur Verschlechterung der Leistungsfähigkeit beiträgt. Zusätzlich können Oxidschuppen an den Elektroden neben dem Zwischenstück anhaften. In solchen Fällen kann eine Relativbewegung tatsächlich die Elektroden oder die Elektrolytschicht selbst zerbrechen oder beschädigen.
Im Gegensatz dazu erfährt Lathanchromit nicht die gleichen Probleme wie Legierungsinterkonnektoren. Im Allgemeinen ist der CTE von Chromitkeramikinterkonnektoren enger an die Zelle angepasst. Jedoch machen andere Bedenken diese Interkonnektoren weniger attraktiv.
US Patent Nr. 6,180,897 von Hartvigsen et al. und auf SOFCo übertragen eine hundert prozentige Tochter von Mcdermott Technology Inc., versucht einige dieser genannten Probleme aufzugreifen. Seine gesamte Offenbarung wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Hartvigson schlägt einen keramischen SOFC-Interkonnektor mit elektrisch leitfähig gefüllten Durchgängen vor, welche eine Gasseparatorplatte durchdringen. Während das Design von Hartvigson die resultierenden Zellen/Stapel mit den Gasseparationseigenschaften (in Form der Separatorplatte) versieht und exzellenten Stromsammel- und Leitfähigkeitseigenschaften (in Form der gefüllten Durchgänge), diskutiert Hartvigson weder ein Mittel zum Optimieren der Reak tantenflußfelder noch impliziert es, daß diese Merkmale im Interkonnektor selbst integriert sein könnten. Ähnlich betrachtet Hartvigson nicht mit dem Bereitstellen einer thermisch verträglichen Interkonnektorstruktur verbundenen Komplexitäten (z. B. Spalte 6, Zeilen 1–12).
Die anhängige US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/618,525, angemeldet am 18. Juli 2000, mit dem Titel "Internal Fuel Staging For Improved Fuel Cell Performance" ( EP-A-1,174,938 ) betrachtet die Aufnahme von Leitwerkplatten innerhalb des Brennstoffzellenstapels, um die Reaktantengasverteilung längs der Dreischicht zu erhöhen. Jedoch müssen die Leitwerkplatten dieser anhängigen Anmeldung getrennt von dem Interkonnektor selbst vorgesehen sein und die Anmeldung betrachtet keine Art von integrierter Struktur. Es ist zu beachten, daß derzeit diese Anmeldung der gleichen erfindenden Einheit zugeordnet ist, wie die vorliegende Erfindung und Ihre gesamte Offenbarung wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Unter den vorstehenden Voraussetzungen wäre ein Interkonnektor, der gut an die Kornponenten eines SOFC-Stapels angepasst ist, willkommen. Insbesondere ein Interkonnektor, welcher geeignete Flußpfade für Reaktantengase bereitstellt und welcher eine selektive Steuerung der Leistungsfähigkeit der Zellen/Stapel ermöglicht, wird insbesondere benötigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Aufbauen einer Interkonnektorvorrichtung gemäß Anspruch 21. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liefert einen Interkonnektor für eine Festoxidbrennstoffzelle, welche mehrere keramische Schichten aufweist. Diese mehreren Schichten erfüllen zwei bestimmte Funktionen: Trennung und Einschluß der Reaktantengase in Form eines mehrschichtigen keramischen Gegenstandes und Sammeln und Leiten elektrischen Stroms, der durch die benachbarte Anoden-Elektrolyt-Kathoden Dreischicht erzeugt wurde, mit Hilfe von leitfähigen Durchgängen. Das Durchgangsmaterial muß eine ausreichende Leitfähigkeit aufweisen, so daß der elektrische Strom durch die Interkonnektoren von einer Zelle in eine benachbarte Zelle mit minimalen Widerstandsverlusten fließen kann. Eine Luft- und Brennstoffgastrennung wird erreicht, wobei eine oder mehrere dichte keramische Schichten verwendet werden mit dichten leitfähig gefüllten Durchgängen integriert darin. Luft- und Brennstoffflußdurchgänge werden gebildet, wobei keramische Mehrfachschichten auf jeder Seite der Separatorschicht(en) verwendet werden. Überlappende Löcher (oder andere Strukturen, wie z. B. Schlitze) in benachbarten Schichten erzeugen die erforderlischen Reaktantenflußkanäle. Die Größe und die Abstände der Löcher (oder Schlitze) und die Dicke der Schichten bestimmen die Gasflußverteilung und den Druckabfall.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Interkonnektor für eine Festoxidbrennstoffzelle bereitzustellen, der eine wesentliche Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Zelle und des Interkonnektors erlaubt. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Interkonnektor bereitzustellen, der hergestellt wird, wobei mehrere keramische Schichten verwendet werden und der leitfähige Durchgänge für einen Stromfluß aufweist, die mit miteinander verbundenen Kanälen für einen Fluß der Reaktantengase gekoppelt sind. Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Interkonnektorfunktion der Gasseparation und des Einschlusses von der stromtragenden Funktion zu trennen, wodurch eine bestimme Auswahl von Materialien ermöglicht wird, die besser für jede Funktion ihrer Betriebsumgebung geeignet sind. Eine letzte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Interkonnektor bereitzustellen, mit dem die Verteilung leitender Durchgänge und Dimensionen von Flußkanälen maßgeschneidert werden kann, so daß Temperaturgradienten über einen Festoxidbrennstoffzellenstapel während dem Betrieb minimiert werden.
Die Erfindung selbst ist vorteilhafterweise in drei voneinander verschiedenen Ausführungsformen manifestiert. Die erste ist eine Festoxidbrennstoffzellenanordnung mit: ersten und zweiten Brennstoffzellenschichten mit einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytschicht, die die Anode und Kathode trennt, einer Separatorplatte mit einer definierten Dicke, einem ersten Flußfeldelement, das zwischen der Oberseite der Separatorplatte und der ersten Brennstoffzellenschicht angeordnet ist, einem integrierten Mittel zum Bereitstellen eines Reaktantengases durch das erste Element und an die erste Brennstoffzellenschicht innerhalb des ersten Flußfeldelements, einem zweiten Flußfeldelement, das zwischen der Unterseite der Separatorplatte und der zweiten Brennstoffzellenschicht angeordnet ist, einem integrierten Mittel zum Bereitstellen eines Reaktantengases durch das zweite Element und an die zweite Brennstoffzellenschicht innerhalb des zweiten Flußfeldelements und einem integrierten Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms aus der ersten Brennstoffzellenschicht durch das erste Flußfeldelement, die Separatorplatte und das zweite Flußfeldelement. Die Flußfelder und/oder die Separatorplatte können aus verschiedenen Typen von Keramiken hergestellt sein. Das Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms kann die Form von leitfähigen Durchgängen annehmen und/oder eine leitfähige Beschichtung, die auf die freiliegenden äußeren Oberflächen der Flußfeldelemente aufgebracht ist. Das Mittel zum Bereitstellen von Reaktantengasen kann Öffnungen aufweisen, welche selbst so bearbeitet werden können, daß sie die Leistungsfähigkeit der Anordnung vorteilhaft beeinflußen. Ein Dichtmittel kann ebenfalls verwendet werden, um den Betrieb der Anordnung weiter zu verbessern.
Die zweite Ausführungsform umfasst eine geschichtete Interkonnektorvorrichtung. Diese Vorrichtung ist hergestellt aus: einem ersten Satz von flachen Platten mit einem Muster von Öffnungen auf jeder davon und einem ersten Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms durch den gesamten ersten Satz, wobei dieser erste Satz auch so in einem Stapel angeordnet ist, daß die Öffnungen jeder Platte einen gewundenen Flußpfad für ein erstes Reaktantengas bilden, einen zweiten Satz von ebenen Platten mit einem Muster von Öffnungen auf jeder davon und einem zweiten Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms durch den gesamten zweiten Satz, wobei dieser zweite Satz auch so in einem Stapel angeordnet ist, daß die Öffnungen jeder Platte einen gewundenen Flußpfad für ein zweites Reaktantengas bilden, mindestens einer Separatorplatte mit einer Reihe von gefüllten leitfähigen Durchgängen, die elektrisch mit dem ersten Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms auf einer Seite der Separatorplatte verbunden sind und die mit dem zweiten Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms auf einer gegenüberliegenden Seite der Separatorplatte verbunden sind, wobei die Separatorplatte auch so zwischen dem ersten Satz von Platten und dem zweiten Satz von Platten angeordnet ist, daß das erste Reaktantengas von dem zweiten Reaktantengas isoliert ist. Wie oben erwähnt, kann dieser Interkonnektor aus bestimmten Keramiken hergestellt werden. Das Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms kann auch die Form von Durchgängen und/oder Beschichtungen verschiedener leitfähiger Zusammensetzungen annehmen. Die Abmessungen und/oder Formen der Öffnungen können verändert werden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Ein zusätzlicher Verteilerkanal und/oder Satz von Düsen kann ebenfalls mit den Einlässen für die Reaktantengase verbunden sein.
Die dritte Ausführungsform ist auf ein Verfahren zum Herstellen einer Interkonnektorvorrichtung gerichtet. Dieses Verfahren zum Konstruieren einer Interkonnektorvorrichtung zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel umfasst: Bereitstellen einer Mehrzahl von flachen Elementen, die in der Lage sind, ein getrenntes Reaktantengassflußfeld zu bilden, Bereitstellen einer undurchlässigen Separatorplatte, Bilden eines Musters von Öffnungen in jedem flachen Element, Bereitstellen eines Materials, das in der Lage ist, einen elektrischen Strom zu der Separatorplatte zu leiten und zu zumindestens einem Teil der flachen Elemente, Stapeln der flachen Elemente auf beiden Seiten der Separatorplatte, so daß sie die Separatorplatte umgeben, Ausrichten der flachen Elemente auf jeder Seite der Separatorplatte, um sicherzustellen, daß eine durchgängige elektrische Verbindung durch die flachen Elemente und die Separatorplatte besteht und um sicherzustellen, daß das Muster von Öffnungen in den gestapelten Elementen ein gewundenes Flußfeld für Reaktantengase auf jeder Seite der Separatorplatte bildet, und Dichten der gestapelten und ausgerichteten flachen Elemente und der Separatorplatte, um sicherzustellen, daß die Reaktantengase innerhalb des gewundenen Flußfeldes auf jeder Seite der Separatorplatte eingeschlossen sind. Ähnlich den ersten beiden Ausführungsformen (und wie im Detail nachfolgend beschrieben) können weitere Modifikationen in Bezug auf die ausgewählten Materialien erfolgen (für die flachen Elemente, die Separatorplatte und die leitfähigen Materialien, die in jedem davon verwendet werden), in Bezug auf die Verfahren zum Ausrichten der flachen Elemente und die Optionen zum Dichten des letztlichen Stapels. Die verschiedenen Neuheitsmerkmale, welche die Erfindung charakterisieren, werden mit Sorgfalt in den beigefügten Ansprüchen, die einen Teil der Offenbarung bilden, dargelegt. Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Betriebsvorteile, die durch ihre Verwendung erhalten werden, wird auf die beigefügten Zeichnungen und beschreibenden Materialien Bezug genommen, welche einen Teil dieser Offenbarung bilden, in denen mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten Zeichnungen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, bezeichnen die in den Zeichnungen gezeigten Bezugszeichen durchwegs gleiche oder entsprechende Teile.
1 ist eine geschichtete perspektivische Ansicht des SOFC-Interkonnektors, welcher von Hartvigson et al. berücksichtigt wurde.
2 ist eine geschichtete perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3a und 3b sind Ansichten von oben der perforierten keramischen Blätter der vorliegenden Erfindung.
3c ist eine Ansicht von oben auf die bevorzugte Kombination der in 3a und 3b abgebildeten keramischen Blätter.
3d ist eine Ansicht von oben der Gasseparatorplatte, die in Verbindung mit der in 3c abgebildeten Kombination verwendet wird.
4a ist eine Ansicht von oben von zwei gestapelten keramischen Blättern der vorliegenden Erfindung, welche den Reaktantengasflußpfad zeigen.
4b ist eine seitliche Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie A-A aus 4a, welche den Reaktantengasflußpfad zeigt.
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie A-A aus 4a, welche einen geraden Durchgang durch Ausrichten der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie A-A aus 4a, welche verschobene und bohrungsbeschichtete Durchgangsausrichtungen der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt den Interkonnektor, welcher von Hartvigson et al. angedacht wurde. Im Wesentlichen weist der SOFC-Stapel 10 eine Reihe von dreischichtigen Brennstoffzellen 15 auf, jede mit einer Anode und einer Kathode, die durch ein Elektrolyt getrennt sind. Zwischen jeder Dreischicht 15 ist eine Separatorplatte 17 mit gefüllten Durchgängen angeordnet. Durch die Separatorplatte selbst verlaufend gibt es eine Mehrzahl von Durchgängen 60, die aus irgendeinem geeigneten leitfähigen Material hergestellt sind. Die Durchgänge 16 sind an einem Ende durch Kontaktpunkte 26, 28 abgeschlossen. Jeder Kontaktpunkt 26, 28 ist aus dem gleichen Material wie die Durchgänge 60 konstruiert. Wichtiger ist, daß jeder Kontaktpunkt 26, 28 von der Oberfläche der Separatorplatte 17 vorspringt, so daß wenn die Elemente zusammengestapelt werden, Durchflußwege auf jeder Seite der Dreischicht 15 gebildet werden, durch welche das passende Reaktantengas den Komponenten des Stapels 10 bereitgestellt wird.
2 stellt die vorliegende Erfindung im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stapel dar. Insbesondere weist ein Festoxidbrennstoffzellenstapel 100 eine im Wesentlichen monolithische Struktur mit einer Mehrzahl von dreischichtigen Brennstoffzellen 115 und mindestens einem mehrschichtigen Interkonnektor 120 auf. Der mehrschichtige Interkonnektor 120 weist vorzugsweise eine Separatorplatte 122 auf, die zwischen einer Mehrzahl von perforierten keramischen Blättern 124, 125, 126, 127 (nachfolgend detaillierter beschrieben) angeordnet ist. Es ist zu beachten, daß sowohl die Separatorplatte 122 als auch die Blätter 124 bis 127 leitfähige Durchgänge 160a, 160b, 160c (ähnlich denjenigen, die von Hartvigson angedacht wurden) aufweisen, die sich durch diese erstrecken. In Abhängigkeit von der gewünschten Leitfähigkeit können die Durchgänge 160a, 160b, 160c gefüllt sein (d. h. dicht) oder nur teilweise gefüllt. Die Durchgänge 160a, 160b, 160c bilden eine elektrische Verbindung zwischen jeder Dreischicht 115. Die Öffnungen 130 (nachfolgend detaillierter beschrieben) sind innerhalb der keramischen Blätter 124 bis 127 vorgesehen, um Reaktantengasflußkanäle zu bilden. Es ist zu beachten, daß während die Ausführungsform in 2 so dargestellt ist, daß sie einen Stapel mit einem Interkonnektor und zwei dreischichtigen Zellen aufweist, es offensichtlich ist, daß in Abhängigkeit von den Anforderungen für eine bestimmte Anwendung ein Stapel irgendeine Anzahl von dreischichtigen Zellen und entsprechenden Interkonnektoren aufweisen kann. Ähnlich kann irgendeine Anzahl von keramischen Blättern verwendet werden, um die mehrschichtigen Interkonnektoren zu bilden.
Wie in 2 gezeigt, weist jede Dreischicht 115 eine diskrete Brennstoffzelle mit einem Elektrolyt, einer Anode und einer Kathode auf. Leitfähige Bond-Schichten (nicht in 2 gezeigt) können über die gesamte Oberfläche der Anode und der Kathode oder beider aufgetragen sein, um einen elektrischen Kontakt, eine Stromverteilung und eine strukturelle Festigkeit zwischen der Dreischicht 115 und dem Interkonnektor 120 zu fördern. Wie es für den Fachmann offensichtlich ist, können der Elektrolyt, die Anode, die Kathode, die Anodenbondschicht und die Kathodenbondschicht eine Vielzahl von Kombinationen von Materialien aufweisen, die aus dem Stand der Technik wohl bekannt sind. Es ist angedacht, daß diese Erfindung eine besondere Anwendbarkeit auf Festoxidbrennstoffzellenstapel hat. Auch ist es wichtig anzumerken, daß die Elemente aus 2 nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind und die relativen Dicken jeder Schicht beachtlich gegenüber der Darstellung abweichen können.
Die Gasseparatorplatte 122 weist vorzugsweise eine oder mehrere Schichten eines dichten keramischen Materials auf, das eine Mehrzahl von leitfähigen Durchgängen 160a aufweist. Bemerkenswerterweise sollten die Durchgänge 160a in der Separatorschicht (den Separatorschichten) ausreichend dicht genug sein, um ein Lecken von Gas durch die Separatorplatte 122 selbst zu minimieren. Viele verschiedene keramische Zusammensetzungen können für die Gasseparatorschicht/-schichten verwendet werden, solange wie der Gasseparator undurchlässig ist, eine minimale ionische Leitfähigkeit aufweist, der Betriebstemperatur widerstehen kann und stabil in Bezug auf die Reaktantengase ist. Wie in 2 zu sehen, müssen sich die Durchgänge 160a durch die gesamte Platte 122 erstrecken, um elektrische Leitpfade mit den Luft- und Brennstoff-Durchgängen 160b, 160c zu bilden, die auf den keramischen Blättern 124 bis 127 angeordnet sind.
Die Reaktantengasflußfelder für den Stapel 100 sind innerhalb der Interkonnektorstrukturen 120 integriert. Folglich weist jedes der beiden Flußfelder (luftseitig und brennstoffseitig) eine oder mehrere Schichten eines keramischen Materials auf, die eine Mehrzahl von leitfähigen Durchgängen 160b, 160c aufweist, ähnlich denjenigen, die in der Separatorplatte 122 enthalten sind. Die Durchgänge 160b, 160c müssen sowohl elektrisch mit mindestens einem Teil der Durchgänge 160a als auch mit den Dreischichten 115 verbunden sein (oder dem Bond-Material, das zwischen dem Interkonnektor 120 und der Dreischicht 115 angeordnet ist). Viele verschiedene keramische Zusammensetzungen können für die Flußschicht/die Flußschichten verwendet werden, solange sie mit der Separatorschicht/den Separatorschichten und der Dreischicht 115 oder dem Bond-Material kompatibel sind (siehe die nachfolgenden Beispiele für eine detailliertere Diskussion).
Zum Beispiel können der Separator, die Brennstoffflußstruktur und die Luftflußstruktur ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZA) wie z. B. ein 3 Mol-% Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid aufweisen. Andere mögliche keramische Materialien umfassen Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumspinell, Lanthan, Chromit und Mischungen dieser Materialien mit YSZ (es ist offensichtlich, daß diese Beispiele lediglich beispielhaft sind, statt exklusiv, da der Fachmann leicht zahlreiche keramische Materialien identifizieren kann, welche kompatibel zur Verwendung in SOFC-Stapeln sind). Es ist offensichtlich, daß im Kontrast zu der dichten Separatorplatte 122 es keine bestimmte Dichteanforderung für die Blätter 124 bis 127 gibt (in einigen Fällen kann es trotzdem er wünscht sein, eine relativ poröse Keramik zu verwenden, um den Reaktantenfluß weiter zu fördern). Ähnlich gibt es, während das Verfahren zum Herstellen des Stapels es erfordern kann, das gleiche Material für die Separatorplatte 122 und für die Blätter 124 bis 127 zu verwenden, keine spezifische Anforderung, durchwegs den gleichen Typ von Material zu verwenden (z. B. könnte es möglich sein, YSZ für den Separator zu verwenden und irgend ein anderes Material, wie z. B. eine YSZ-Aluminiumoxidzusammensetzung für die perforierten keramischen Blätter, etc.).
Gasflußdurchflußdurchgangswege werden in einem oder mehreren der keramischen Blätter 124 bis 127 durch Erzeugen von Perforationen 130 darin gebildet. Die Perforationen 130 überlappen auf allen benachbarten Blättern, so daß ein gewundener Pfad gebildet wird, der sowohl die Oberfläche des Dreischicht-/Bondmaterials als auch die Separatorplatte 122 kontaktiert. 3a bis 3c stellen eine bevorzugte Orientierung der Perforationen in Bezug auf jedes Blatt dar. Insbesondere zeigt 3a das Blatt 124, 3b zeigt das Blatt 125 und 3c zeigt wie die Blätter 124, 125 übereinandergelegt werden. Die tatsächliche Anzahl, Größe und Form der Löcher kann aus vielerlei Gründen variiert werden, so wie es detaillierter nachfolgend diskutiert wird.
Die Durchgänge 160b, 160c können gleichförmig über die keramischen Schichten 124 bis 127 verteilt sein, um einen optimalen Stromfluß durch den Zellenstapel 100 bereitzustellen. Die Perforationen 130 können vorzugsweise in einem in etwa hexagonalen Array innerhalb jeder keramischen Schicht auf eine Weise angeordnet sein, so daß sie überlappen, um durchgängige Durchgangwege durch die zwei Schichten zu bilden. 3c zeigt eine mögliche Anordnung, welche die vorliegende Erfindung wiedergibt.
3b stellt die Gasseparatorplatte 122 dar, welche in Verbindung mit den Konfigurationen aus 3a bis 3c verwendet werden könnte. So wie die in 3a und 3b gezeigten keramischen Blätter 124, 125, sind die Durchgänge 160a der Separatorplatte 122 in einem im Wesentlichen hexagonalen Muster angeordnet. Zu beachten ist, daß 3d frei von irgendwelchen Perforationen ist, so daß Gas, welches auf irgendeiner Seite der Platte 122 in Kontakt kommt, vom Fließen durch diese abgehalten wird.
Das Reaktantengas fließt durch solch eine zweischichtige Struktur in einem Serpentinenmuster 140, so wie es teilweise in 4a und 4b dargestellt ist. 4a ist tatsächlich eine Ansicht von oben der übereinanderliegenden keramischen Blätter, so wie sie in 3c gezeigt sind. Die Linie A-A ist in 4a als Bezugnahme auf die übrigen Zeichnungen aufgenommen. Es ist wichtig zu berücksichtigen, daß alle anderen Bezugselemente die gleichen sind wie in den anderen hierin dargestellten Zeichnungen. Am Bedeutsamsten wurde die Linie 114 auch aufgenommen, um den Serpentinenflußpfad der Reaktantengase, die sich horizontal durch die Interkonnektorstruktur 100 bewegen, darzustellen.
4b zeigt eine Seitenansicht aus 4a, aufgenommen entlang der Linie A-A. Wie oben weist die Flußfeldstruktur zwei oder mehr Schichten keramischen Materials 124, 125 (oder 126, 127) auf, die eine Mehrzahl von Perforationen 130 aufweisen. Die Linie 140 stellt den Serpentinenflußpfad der Reaktantengase, welche sich durch die Interkonnektorstruktur 100 bewegen, dar.
Daher ist es, wenn die Reaktantengasflußpfade 140 aus 4a und 4b zusammen berücksichtig werden, offensichtlich, daß sich die Reaktantengase durch die Interkonnektorstruktur auf einem dreidimensionalen, gewundenen Flußpfad bewegen. Insbesondere ist in dem vorangegangenen Beispiel dieser Fluß ähnlich einer Spirale, obwohl beinahe jeder Flußpfad gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien umfasst ist.
In einer Ausführungsform sind die Durchgänge 160a, 160b, 160c ausgerichtet, um einen effektiven Pfadweg für eine elektronische Leitung wie in 5 gezeigt, bereitzustellen. Es ist offensichtlich, daß die Querschnittsansicht aus 5 entlang einer Linie ähnlich der in 4a gezeigten Linie A-A dargestellt ist, um die relative Orientierung der Durchgänge 160a, 160b, 160c zu zeigen.
Die Anzahl von keramischen Schichten, welche für die Brennstoffgas- und Luftflußstrukturen verwendet werden, und die Dicke jeder Schicht können gemäß den relativen elektrischen und physikalischen Eigenschaften des erwünschten Interkonnektors/Brennstoffzellenstapels verändert werden. Insbesondere kann die Verwendung von drei oder mehr Schichten auf jeder Seite der Gasseparatorplatte das Vorsehen diskreter Durchgangswege ermöglichen, um die Verteilung der Reaktantengase zu verbessern. In dieser Anordnung würde ein Teil der Reaktantengase/des Reaktantengases durch das Interkonnektorflußfeld (d. h. die perforierten keramischen Schichten) fließen, ohne in Kontakt mit der Dreischicht zu treten bis das Gas an einem Punktstrom abwärts relativ zu dem Ort angelangt ist, an dem der verbleibende Teil des Gases zuerst in Kontakt mit der Dreischicht kam. Folglich würden die Perforationen und/oder die Anzahl von keramischen Blättern verwendet, um Beipass-Kanäle zu erzeugen, so daß eine gleichmäßige Reaktantenverteilung längs der Fläche der Dreischicht sichergestellt wird.
Insoweit diese Beipass-Kanäle in den Interkonnektor selbst integriert wären, um die Konstruktion zu vereinfachen und die Leistungsfähigkeit zu erhöhen (verglichen mit dem zusätzlichen Halteplatten wie in US Patentanmeldung Nr. 09/618,525 dargelegt) stellt die vorliegende Erfindung eine merkliche Verbesserung gegenüber dieser anhängigen Anmeldung dar. Bemerkens werterweise ist es bei dieser alternativen Anordnung wichtig leitfähige Durchgänge für einen Stromfluß in einer gleichförmigen, regelmäßigen Weise vorzusehen, um eine Degradierung der Stapelleistungsfähigkeit zu vermeiden.
Die Anzahl, Größe, Anordnung und Positionierung der Perforationen 130 innerhalb jeder Schicht kann auch so optimiert werden, daß die Flußverteilung von Gasen durch die Durchgangswege und der Gesamtdruckabfall durch den Stapel gesteuert werden. Entsprechende Auswirkungen auf den spezifischen Flächenwiderstand (Area Specific Resistance; ASR), die Temperaturgradienten und die Gesamtleistungsfähigkeit jeder benachbarten Dreischicht kann ebenfalls vorteilhaft beeinflußt werden.
Zum Beispiel kann durch Erhöhen der Größe der Perforationen 130 in Bereichen hoher elektrochemischer Aktivität der lokalisierte Druckabfall über die Oberfläche jeder Dreischicht reduziert werden. Diese Reduzierung des Druckabfalls würde die lokale Flußrate der Recktantengase erhöhen, wodurch die Konzentration von in den Bereichen mit hoher Aktivität verfügbaren Recktanten erhöht wird.
Ähnlich könnte eine vorsichtige Beeinflussung der relativen Flußmuster des Brennstoffgases gegen die Luft zu einer Leistungsänderung führen. Zum Beispiel kann eine Kreuzflußanordnung verwendet werden, wenn das allgemeine Flußmuster des Brennstoffgases senkrecht zu dem Fluß der Luft ist. Ähnlich können Gleichfluß- und Gegenflußanordnungen verwendet werden. In jedem Fall wird ein entsprechender Effekt auf die Reaktivität und den Temperaturgradienten auf jeder Dreischichtoberfläche (oder darauf aufgetragenem Bondmaterial) beobachtet.
Zuletzt kann die Form der Perforation 130 verändert werden, um den Zusammenbau zu vereinfachen. Wie es detaillierter nachfolgend diskutiert wird, kann das genaue Verfahren zum Erzeugen jedes keramischen Blatts die einfachsten und effizientesten Formen für die Perforationen vorgeben und ein Fachmann wird einfach den Einfluß, den die Verwendung zirkularer, ovaler, dreieckiger, rechteckiger, hexagonaler oder anderer polygonaler Formen (und/oder Kombinationen davon) auf die Flußmuster haben werden, verstehen. Zusätzlich oder alternativ kann die Lochgröße so gewählt sein, daß sie den Druckabfall vorteilhaft beeinflußt, wobei Löcher variierender Größen über den Flußpfad der Zelle verwendet werden (was dadurch zu einer erhöhten oder verringerten Flußrate führt, wenn das Reaktantengas über die Oberfläche streicht).
In der Summe sollte ein Array überlappender Löcher für eine gleichmäßige Verteilung von Reaktantengasen über die dreischichtigen Zellen 115 innerhalb des Stapels 100 bereitgestellt werden. Alternativ kann es wünschenswert sein, nicht gleichförmige Arrays von Löchern zu ver wenden, um die Reaktantengasflußmuster so zu ändern, daß Temperaturgradienten, Flußfehler und ähnliche nicht gleichförmige Phänomene, die auf der Oberfläche jeder Dreischicht 115 auftreten, kompensiert werden. Zuletzt können die Vorteile beim Betrieb von Festoxidbrennstoffzellenstapeln durch Bereitstellen einer kontrollierten Reaktantengasverteilung von einem Fachmann leicht verstanden werden.
Wie in 2, 3a–3d, 4 und 5 gezeigt, weisen die leitenden Durchgänge 160a, 160b, 160c Öffnungen auf, die sich durch jede keramische Schicht erstrecken, die den Interkonnektor aufweisen, die mit einem leitenden Füllmaterial gefüllt sind. Verschiedene Dimensionen und Formen der Durchgänge sind durch diese Offenbarung in Erwägung zu ziehen.
Allgemein gesprochen sind die brennstoffseitigen Durchgänge in der Brennstoffflußstruktur des Interkonnektors enthalten (d. h. der auf einer Seite der Separatorplatte erzeugten Flußstruktur). Das brennstoffseitige Durchgangsmaterial sollte eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen und chemisch mit den keramischen Schichten kompatibel sein, so daß keine schädlichen Reaktionen während der Herstellung des Interkonnektors auftreten. Das Durchgangsmaterial muß auch mit dem Durchgangsmaterial kompatibel sein, welches für den Gasseparator und die Anode (oder falls vorhanden die Anodenbondschicht) der benachbarten dreischichtigen Zelle verwendet wird. Zusätzlich muß das brennstoffseitige Durchgangsmaterial in einer reduzierenden Brennstoffgasatmosphäre während dem Betrieb des Festoxidbrennstoffzellenstapels stabil sein. Brennstoffseitige Durchgangsmaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Edelmetalle, wie z. B. Silber, Palladium, Gold oder Platin oder Legierungen, die aus diesen Metallen gebildet sind, Nickel, Chrom oder Legierungen mit hohem Chromanteil und keramische-Metallverbundstoffe (Cermete), die durch Kombinieren irgendwelcher solcher Metalle mit keramischen Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumspinell, Ceroxid, YSZ, Titanoxid, dotiertes Titanoxid und anderen solchen Oxidleitern vom n-Typ, hergestellt werden.
Eine Bondschicht und/oder eine brennstoffseitige Kontaktfläche können auf der äußeren Oberfläche der Brennstoffflußstruktur und in Kontakt mit den brennstoffseitigen Durchgängen gebildet werden. Solch eine Schicht stellt eine gute elektrische Verbindung zwischen der Anode (oder falls vorhanden einer Anodenbondschicht) und dem Interkonnektor sicher. Wenn es verwendet wird, muß das Bondschichtmaterial kompatibel zu diesen Materialien sein, mit denen es in Kontakt kommt, entweder bei Herstellung des Interkonnektors oder während dem Betrieb des Stapels. Insbesondere weisen diese Materialien diejenigen Materialien auf, die für die brennstoffseitigen Durchgänge und das Anodenmaterial verwendet werden.
Ähnlich sind die luftseitigen Durchgänge in der Luftflullstruktur des Interkonnektors vorgesehen (d. h. der Flußstruktur, die auf der anderen Seite der Separatorplatte erzeugt wird, gegenüber der zuvor erwähnten Brennstoffflußstruktur). Das luftseitige Durchgangsmaterial sollte eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen und chemisch kompatibel zu den keramischen Schichten sein. Das Durchgangsmaterial muß auch mit dem Durchgangsmaterial kompatibel sein, welches für den Gasseparator und die Kathode (oder die Kathodenbondschicht, falls vorhanden) der benachbarten dreischichtigen Zellen verwendet wird. Zusätzlich muß das luftseitige Durchgangsmaterial in einer oxidierenden Atmosphäre (z. B. Luft) während des Stapelbetriebs stabil sein. Luftseitige Durchgangsmaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Edelmetalle, wie z. B. Silber, Palladium, Gold oder Platin oder Legierungen, die aus diesen Metallen gebildet sind, und Cermete, die hergestellt werden durch Kombinieren irgendwelcher solcher Metalle mit keramischen Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumspinell und YSZ. Leitende Oxidkeramiken, einschließlich Leitern vom p-Typ, Sn- oder Pr-dotiertes Indiumoxid und/oder Oxide wie diejenigen, die allgemein als in der Perovskit-Familie liegend, klassifiziert werden oder Mischungen solcher Keramiken und der zuvor erwähnten Metalle können ebenfalls verwendet werden. In Form eines Beispiels und nicht beschränkend umfassen solche Perovskite dotierte Seltenerdmanganite, dotierte Seltenerdcobaltite und dotierte Seltenerdferrite und Mischungen davon. Andere Oxidleiterzusammensetzungen umfassen Mischungen von Indiumoxid, Zirkonoxid, Praseodymoxid, Zinnoxid und Titanoxid.
Eine luftseitige Bondschicht oder Kontaktfläche kann auf der äußeren Oberfläche der Luftflußstruktur und im Kontakt mit den luftseitigen Durchgängen gebildet sein. Solche Schichten stellen eine gute elektrische Verbindung zwischen der Kathode (oder der Kathodenbondschicht, falls vorhanden) und dem Interkonnektor sicher. Wenn es verwendet wird, muß das luftseitige Bondschichtmaterial zu den Materialien kompatibel sein, mit denen es in Kontakt kommt, entweder während der Herstellung des Interkonnektors oder während des Stapelbetriebs. Insbesondere umfassen diese Materialien diejenigen Materialien, die für die luftseitigen Durchgänge und das Kathodenmaterial verwendet werden.
Die Gasseparatordurchgänge müssen mit dem keramischen Material kompatibel sein, welches der Separator aufweist. Auf der Brennstoffseite muß das Durchgangsmaterial mit den brennstoffseitigen Durchgängen und einer reduzierenden Gasatmosphäre kompatibel sein. Auf der Luftseite muß das Durchgangsmaterial mit den luftseitigen Durchgängen und einer oxidierenden Gasatmosphäre kompatibel sein. Während ein einziges Separatordurchgangsmaterial bevorzugt ist, ist es angedacht, daß zwei verschiedene Durchgangsmaterialien innerhalb der gleichen Durchgangsöffnung verwendet werden können, insbesondere in dem Fall, daß verschiedene Durchgangsmaterialien auf der Brennstoffseite und der Luftseite verwendet werden (ein Material, welches in der Lage ist, einer Oxidation zu widerstehen, wäre auf der Luftseite des Separa tors freiliegend und ein brennstoffkompatibles Material wäre auf der Brennstoffseite des Separators freiliegend, wobei die unterschiedlichen Materialien einander elektrisch innerhalb der Öffnung der Separatorplatte selbst kontaktieren würden). Natürlich müssen in solch einem Fall die beiden Durchgangsfüllmaterialien in dem Gasseparator miteinander kompatibel sein und mit dem Material, welches die Separatorplatte selbst bildet.
So wie die Variationen der Größe, Form und Anordnung der Perforation kann eine vernünftige Wahl der Eigenschaften der Durchgänge zu einer Optimierung des ASR und der Gesamtleistungsfähigkeit jeder Dreischicht führen. Insbesondere ist es basierend auf Beobachtungen oder Erfahrungen mit einem bestimmten Stapeldesign möglich, einen geringeren Gesamtwiderstand für die Durchgänge in bestimmten Bereichen des Interkonnektors bereitzustellen, um die Beschränkungen, die durch einen hohen ASR verursacht werden, zu überwinden. Dieser niedrige Widerstand kann erreicht werden durch Erhöhen der relativen Anzahl von Durchgängen, durch Erhöhen des Durchmessers der Durchgänge, durch Verwenden eines Materials mit höherer Leistungsfähigkeit für bestimmte Durchgänge und/oder durch Erhöhen der Kontaktpunkte für bestimmte Durchgänge im Verhältnis zu den anderen innerhalb des Zellenstapels.
Während die bevorzugte Ausführungsform gefüllte Durchgänge verwendet, ist es genauso gut möglich, die Durchgänge nur teilweise zu füllen und/oder eine Bohrungsbeschichtung zusätzlich oder anstelle jedes Durchgangs vorzusehen, ohne von den Prinzipien dieser Erfindung abzuweichen. Entsprechend würden die Kanten zumindest eines Teils der Perforationen mit einem leitenden Material beschichtet, um einen elektronisch leitenden Wegpfad zu erzeugen, der als gefüllter Durchgang/gefüllte Durchgänge dienen würde. Diese bohrungsbeschichteten Durchgänge minimieren die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung der Durchgänge während der Fertigung, obwohl ihre Verwendung die Materialkosten erhöhen kann (in Abhängigkeit von dem Typ des für die Durchgänge verwendeten Materials). In jedem Fall ist es wichtig, zu berücksichtigen, daß eine Bohrungsbeschichtung auf den Perforationen der keramischen Blätter und/oder auf den Durchgängen selbst anstelle oder in Verbindung mit massiv gefüllten Durchgängen verwendet werden kann. Bohrungsbeschichtete Perforationen 132 sind in den Bereichen X und Z aus 6 gezeigt. Der Bereich X zeigt die Verwendung einer Beschichtung 132 anstelle gefüllter Durchgänge keramischer Blätter 160b, 160c, während der Bereich Z die Verwendung einer Beschichtung 132 zusätzlich zu den gefüllten Durchgängen 160b, 160c zeigt. Es ist offensichtlich, daß die Querschnittsansicht in 6 entlang einer Linie aufgenommen ist, welche die Anordnung der Durchgänge zeigt (statt den Flußfeldern, so wie sie in 4 zu sehen sind).
Bei der Herstellung der mehrschichtigen Interkonnektoren mit gefüllten Durchgängen sind eine Reihe von verschiedenen Durchgangsausrichtungen möglich. 2, 3a bis 3b, 4 und 5 zeigen eine grundlegende „gerade durch"-Durchgangsausrichtung, in der die Durchgänge inner halb der Brennstoffflußstruktur, dem Gasseparator und der Luftflußstruktur im wesentlichen durch die Dicke des Interkonnektors ausgerichtet sind. Für solch eine Ausrichtung müssen die Durchgänge innerhalb einer oder mehrerer Schichten eine hohe Dichte aufweisen, um ein Lecken von Brennstoffgas auf die Kathodenseite einer dreischichtigen Zelle oder Luft (oder Sauerstoff) auf die Anodenseite einer dreischichtigen Zelle zu verhindern. Insbesondere ist es wünschenswert, daß das Durchgangsfüllmaterial innerhalb der Separatorschicht dicht ist (d. h. undurchlässig für eine Gasleckage). Im Gegensatz dazu stellt der Bereich Y aus 6 „tick-Zack-Durchgänge" dar. In solch einer Konstruktion sind die Durchgänge 160a, 160b, 160c in einer oder mehreren Schichten gegeneinander verschoben, so daß es keinen Überlapp zwischen den Durchgängen in benachbarten verschobenen Schichten gibt. Wenn Zick-Zack-Durchgänge verwendet werden, muß eine leitende Schicht 134 hinzugefügt werden, um die Durchgänge elektrisch zu verbinden. Die leitende Schicht 134 muß mit benachbarten Durchgangsmaterialien kompatibel sein und wird im Allgemeinen aus Materialien konstruiert, die ähnlich den Durchgängen sind. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die Verwendung von Zick-Zack-Durchgängen die Notwendigkeit für eine Undurchlässigkeit der Füllmaterialien und der chemischen Kompatibilität der Elemente des Interkonnektors und insbesondere der Durchgangsmaterialien verringern sollte.
Wie für irgendeinen Brennstoffzellenstapel, müssen zuletzt die zusammengesetzten Elemente gedichtet werden, um ein Lecken des Reaktantengases zu verhindern. Insbesondere ist die im wesentlichen luftdichte Dichtung um die Kanten der Dreischicht 115 und des Interkonnektor 120 von herausragender Wichtigkeit. Solch eine Dichtung kann auch eine strukturelle Festigkeit und/oder Stabilität bereitstellen. In dieser Beziehung ist die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung gegenüber vorangegangenen Konstruktionen aufgrund dessen, daß die Flußfelder für die Reaktantengase in den Interkonnektor 120 integriert sind, wodurch die Gesamtfläche und das Gesamtvolumen, über das eine luftdichte Dichtung bereitgestellt werden muß, reduziert wird. Darüber hinaus liefert, wie nachfolgend beschrieben, das Co-Brennen der keramischen Bänder, die verwendet werden, um den Interkonnektor zu bilden, eine weniger reaktive, im wesentlichen luftdichte Dichtung, wodurch die Notwendigkeit des Dichtens der verschiedenen keramischen Blätter beseitigt wird.
So wie es für den Fachmann leicht offensichtlich ist, muß das Dichtmaterial/die Dichtmaterialien mit der Keramik der Flußfelder des Interkonnektors kompatibel sein. Ähnlich darf das ausgewählte Material die Anode oder die Kathode der dreischichtigen Zelle nicht mit fremden Spezies kontaminieren, die eine verringerte Leistungsfähigkeit bewirken könnten. Entsprechend weist, obwohl andere Materialien angedacht sind, das Dichtmaterial vorzugsweise das gleiche (oder eines, das im wesentlichen dazu ähnlich ist) Material auf, das verwendet wird, um den Interkonnektor zu konstruieren.
Ein Dichten kann gemäß irgendeiner bekannten Prozedur erreicht werden, obwohl entweder ein co-gebrannter keramischer Ansatz oder ein Ansatz mit einem gesonderten oder nachträglich aufgebrachten dichtenden Material die bevorzugten Verfahren sind. In Bezug auf einen co-gebrannten Ansatz wäre ein gesamter keramischer Stapel (Interkonnektor und Dreischichten) Gegenstand einer Wärmebehandlung auf eine Weise, die eine Verbindung zwischen den Bestandteilen induzieren würde. Obwohl solche co-gebrannten Verfahren immer noch der Gegenstand zahlreicher Entwicklungsbemühungen sind, glauben die Erfinder, daß die hierin offenbarten Materialien und Prinzipien die meist versprechenden im Sinne des Potentials des Co-Brennens sind.
Anwendungen von Dichtungen und die optionale Verwendung anhaltender komprimierender Kräfte erscheinen eine weitere mögliche Option zum Abdichten des Interkonnektors mit den verbleibenden Stapelelementen. Es ist offensichtlich, daß in dem Umfang, in dem der hierin verwendete Interkonnektor in Kombination mit Elementen realisiert sein kann, die nicht leitfähig gegenüber Co-Brennen sind, die Verwendung eines Dichtmittels/einer komprimierenden Kraft für einen effizienten Betrieb des Stapels notwendig sein kann. In jedem Fall sollte das ausgewählte Dichtmittel nicht-leitend und relativ dicht sein, eine feine Porosität aufweisen (um eine Leckage zu minimieren), zu dem CTE der Bestandteile des Stapels passen und an den Oberflächen anhaften, auf die es angebracht wird.
Ein weiterer Schlüsselgegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, den Versatz zu minimieren, welcher durch die thermische Ausdehnung der Stapelkomponenten bei Betriebstemperaturen bewirkt wird. Folglich sollten die CTE der verwendeten Materialien im wesentlichen gleich sein. In dem Maß, in dem die Flußfelder der vorliegenden Erfindung in den Interkonnektor als zusätzliche keramische Blätter des gleichen Materials integriert sind, wird diese Anpassungsaufgabe zu einem bestimmten Grad vereinfacht. Trotzdem ist die Auswahl an Materialoptionen für Festoxidbrennstoffzellenelektrolyte, -anoden und -kathoden in gewissem Maße beschränkt, um die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erreichen.
Z. B. sind Yttriumoxid-stabilisierte Zirkonoxid-(YSZ-)Zusammensetzungen, welche in der Größenordnung von 6 bis 8 Mol-% Yttriumoxid enthalten, die am weitesten verbreiteten für Festoxidbrennstoffzellenelektrolyte. Für eine Zelle, welche auf einem YSZ-Elektrolyt basiert, werden minimale Verschiebungen erreicht, wenn der Interkonnektor hergestellt ist, wobei eine YSZ-Zusammensetzung oder eines der zuvor erwähnten keramischen Materialien, wie z. B. Ceroxid basierte Elektrolyte oder dotierte LaGaO₃-Elektrolyte verwendet werden. Um Versetzungen innerhalb des Verbindungslements zu minimieren, wird jede der keramischen Schichten, welche den Gasseparator, die Brennstoffflußstruktur und die Luftflußstruktur aufweisen, hergestellt, wobei eine YSZ-Zusammensetzung oder eine der zuvor erwähnten keramischen Materialien ver wendet wird. Ähnlich müssen die CTEs im Wesentlichen zwischen dem brennstoffseitigen Durchgangsmaterial und den Brennstoffflußschichten/der Brennstoffflußschicht, zwischen den luftseitigen Durchgangsmaterialien und der Luftflußschicht/den Luftflußschichten und das Seaparatordruchgangsmaterial/die Seapartordurchgangsmaterialien und die Separatorschicht/die Separatorschichten angepasst sein. Während beträchtliche Aufmerksamkeit auf YSZ gerichtet ist, ist es wichtig zu beachten, daß irgendeine Keramik, welche die hierin diskutierten Qualitäten aufweist, durch diese Offenbarung ausdrücklich berücksichtigt ist.
Die folgenden bestimmten Beispiele sind vorgesehen, um spezifische Weisen, die hierin offenbarten Prinzipien zu maximieren, darzustellen. Nichts desto trotz ist es notwendig zu berücksichtigen, daß diese Beispiele lediglich beispielhaft sind und nicht notwendigerweise dazu gedacht sind, die Erfindung der Anmelder zu beschränken, so daß die in den Beispielen beschriebenen Materialien und Verfahren lediglich beispielhaft statt beschränkend sind.
Beispiel I
In einem ersten Beispiel wird ein Kreuzflußlnterkonnektor mit zwei keramischen Blättern in dem Brennstoffgasflußfeld und vier keramischen Blättern in dem Luftflußfeld berücksichtigt. Das Hinzufügen von zwei weiteren Schichten für die Separatorplatte ergibt insgesamt acht Schichten aus 3 mol-% Ytterbiumoxid-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ). Diese sind mit einer gleichmäßigen Dicke zwischen 0,3 und 0,7 mm gegossene Bänder. Ein Durchgangsöffnungsmuster wird dann ausgewählt, um eine Funktionalität in Übereinstimmung mit den hierin oben beschriebenen Prinzipien zu optimieren und die Durchgangsöffnungen werden dann in alle acht Schichten gemäß bekannten keramischen Bearbeitungsprozeduren gestanzt.
Diese Durchgangsöffnungen werden dann gefüllt, wobei eine Paste oder Tinte verwendet wird, die in jede Durchgangsöffnung siebgedruckt wird. Idealerweise enthält die Paste/Tinte gleiche Volumenmengen von Pt und 3 mol-% YSZ. In jedem Fall sollte die Paste, wenn sie gebrannt wird, ein Material mit einer Leitfähigkeit zwischen 500 und 700 S/cm ergeben. Der Durchmesser der Durchgangsöffnungen liegt optimalerweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm. Zuletzt kann der Durchmesser der Durchgangsöffnungen erhöht werden, um eine Durchgangspaste mit geringerer Leitfähigkeit als ideal vorgesehen zu kompensieren.
Ein zusätzlicher Satz von Öffnungen zwischen 4 und 5 mm im Durchmesser wird in sechs der acht Schichten in einem in etwa hexagonalen Muster gestanzt mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen 6 und 6,4 mm, um die passenden Reaktantenflußfelder zu bilden. Es muß Aufmerksamkeit darauf verwenden werden, sicherzustellen, daß die Durchgänge in einer geraden Durchgangsorientierung richtig ausgerichtet sind. Insbesondere weist die Brennstoffgasflußstruktur zwei Blätter in einem versetzten Muster auf. Die Öffnungen sollten zwischen 0,7 und 1,3 mm überlappen, so daß geeignete GasflußDurchgänge gebildet werden. Ein Verzweigen und Dichten eines Gasflusses ist in einer Kreuzflußorientierung relativ zu dem Luftfluß vorgesehen. Das Luftflußfeld besteht aus vier Blättern, wobei zwei Blätter mit der gleichen Öffnungsorientierung obendrauf angeordnet sind und die verbleibenden zwei Blätter in einer verschobenen Orientierung (relativ zu den oberen Blättern) untendrunter angeordnet sind. Die Öffnungsdurchmesser und Abstände in den Luftflußblättern sind gleich den Brennstoffflußblättern.
Die letzten zwei Nur-Durchgangsblätter sind zwischen den Brennstoffgas- und Luftblattschichten angeordnet, um eine Gasseparatorplatte zu bilden. Diese acht Schichten werden dann laminiert, um eine monolithische "grüne" Struktur zu bilden. Überschüssige grüne Teile des Monolithen werden aus der Struktur herausgeschnitten und der geschnittene laminierte Monolith wird bei einer ausreichend hohen Temperatur, vorzugsweise über 1300°C co-gebrannt. Zuletzt sollte das co-gebrannte Produkt dann auf strukturelle Integrität und richtige Durchgangsausrichtung überprüft werden, bevor es zwischen dreischichtigen Zellen in einem fertigen SOFC-Stapel eingebaut wird.
Jedoch ist es offensichtlich, daß massive Durchgänge, so wie sie durch dieses Verfahren erzeugt werden, die Bildung relativ kleiner Öffnungen in jeder Schicht fordern. Diese Öffnungen werden dann mit einer Paste durch Siebdrucken (oder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Techniken) gefüllt. Nach dem Co-Brennen werden die Teilchen in der Paste zusammengesintert, um einen relativ dichten "Stopfen" zu bilden. Der Durchmesser eines massiven Durchgangs ist im Allgemeinen auf einen Maximalwert beschränkt, der in der Größenordnung der Dicke der individuellen Schichten liegt. Folglich ist die Querschnittsfläche des Durchgangs und somit die Leitfähigkeit begrenzt.
Beispiel II
Ein zweites Beispiel konzentriert sich auf bohrungsbeschichtete Durchgänge im Gegensatz zu den massiven Durchgängen des zuvor genannten Beispiels I. Wie oben erwähnt muß die Leitfähigkeit des Durchgangsleiters/der Durchgangsleiter relativ hoch sein, um das gewünschte Niveau an Widerstand für den Interkonnektor zu erreichen. Für die in Beispiel I gezeigte Konstruktion kann der Zielwiderstand erreicht werden, wobei Durchgänge mit einem Durchmesser von 0,5 mm verwendet werden, wenn das Durchgangsmaterial eine Leitfähigkeit von ungefähr 600 S/cm oder höher aufweist. Jedoch kann es für luftseitige Durchgänge schwierig sein, Materialien mit ausreichender Leitfähigkeit zu entwickeln, währen sie zur gleichen Zeit eine vertretbare CTE-Anpassung aufweisen.
Wie oben erwähnt, ist es ein möglicher Ansatz, um diese Aufgabe zu lösen, einfach die Durchgänge größer zu machen. Jedoch ist der Durchmesser der massiven Durchgänge im All gemeinen aufgrund der mit den konstruierenden keramischen Blätter verbundenen Schwierigkeiten auf ungefähr die Dicke jeder individuellen Schicht beschränkt. Bohrungsbeschichtete Durchgänge liefern alternative leitende Wegpfade innerhalb der Gasflußstrukturen, die die Verwendung von Materialien mit geringerer Leitfähigkeit ermöglichen. So wie es nachfolgend erklärt wird, weisen die bohrungsbeschichteten Durchgänge zusätzliche Vorteile auf.
Bohrungsbeschichtete Durchgänge verwenden bestehende Löcher (oder Schlitze), die in den Schichten für andere Funktionen (wie z. B. einen Reaktantengasfluß) gebildet sind. In diesem Fall werden die Löcher in jeder Schicht, welche einen Luft- und Brennstoffgasfluß bereitstellen, verwendet. Die bohrungsbeschichteten Durchgänge werden erzeugt durch Aufbringen der gewünschten Leiterpaste in die interne Bohrung der ausgewählten Löcher, wobei ein Siebdruckverfahren verwendet wird. Eine Leiterpaste (möglicherweise mit anderer Zusammensetzung) muß auch auf die Oberfläche jeder Schicht an ausgewählten Orten aufgebracht werden, um die Durchgänge in einer Schicht mit den Durchgängen in benachbarten Schichten zu verbinden. Herkömmliche Laminierungs- und Co-Brennschritte werden verwendet, um die Herstellung des Interkonnektors zu vervollständigen. Nichts desto trotz ist irgendein bekanntes Verfahren zum Abscheiden oder auf sonstige Weise Erzeugen einer Beschichtung auf den freiliegenden Oberflächen der Löcher der Blätter angedacht (unabhängig davon, ob sie individuell während des ursprünglichen Bandgießens/Konstruktion oder als Ganzes erfolgen nachdem die Blätter zusammengebaut/gebrannt wurden).
Es gibt zahlreiche Vorteile, die durch Verwendung bohrungsbeschichteter Durchgänge gegenüber massiven Durchgängen angeboten werden. Zuvorderst bieten bohrungsbeschichtete Durchgänge eine erhöhte Querschnittsfläche für die Leiter, wodurch ein niedrigerer Widerstand für den Stromfluß bereitgestellt wird, verglichen mit massiven Durchgängen, wenn das gleiche Leitermaterial verwendet wird. Widerstandsprobleme sind insbesondere störend, wenn Perovskitoxidleiter verwendet werden (die bevorzugte Familie von Leitermaterialien für luftseitige Durchgänge), da Zusammensetzungen mit der höchsten Leitfähigkeit im Allgemeinen auch unakzeptabel hohe CTE-Werte aufweisen. Ein Ändern der Zusammensetzung, um den CTE auf annehmbare Niveaus zum Anpassen an den CTE der Interkonnektorschichten zu reduzieren, führt zu Materialien mit zur Verwendung in massiven Durchgängen ungeeigneter Leitfähigkeit. Daher liefern bohrungsbeschichtete Durchgänge eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Durchgangszusammensetzungen.
Bohrungsbeschichtete Durchgänge liefern auch eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Materialien, die kompatibel zu dem Herstellungsverfahren sind. Insbesondere ist es vorteilhaft den Schritt des Co-Brennens für Interkonnektoren auszuführen, wobei eine oxidierende Atmosphäre (z. B. Luft) verwendet wird. Zur gleichen Zeit sind Ni-Cermete bevorzugte Materialien für brennstoffseitige Durchgänge, da sie so formuliert werden können, daß sie eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und unter der reduzierenden Brennstoffgasatmosphäre, die während des Stapelbetriebs vorhanden ist, stabil sind. Jedoch wird, wenn solche Ni-Cermete in Luft gebrannt werden, das Ni oxidiert, so daß NiO gebildet wird, welches nicht elektrisch leitfähig ist, so daß das NiO zurück zu Ni reduziert werden muß, bevor der Brennstoffzellenstapel betrieben wird (wodurch die Herstellungskosten erhöht werden). Darüber hinaus wird es, wenn dichte, massive Ni-Cermetdurchgänge verwendet werden, schwierig, wenn nicht unmöglich, das NiO vollständig zurück zu Ni zu reduzieren, da die reduzierende Gasatmosphäre nicht einfach auf die Durchgänge zugreifen kann, welche innerhalb der Brennstoffflußstruktur vergraben sind. Im Gegensatz dazu ist, wenn die bohrungsbeschichteten Durchgänge benutzt werden, das NiO-Material auf den freiliegenden Wänden der Öffnungen vollständig der reduzierenden Gasatmosphäre ausgesetzt, wodurch die Reduzierung von NiO zu Ni erleichtert wird, so daß das erwünschte leitende Cermit gebildet wird.
Bohrungsbeschichtete Durchgänge sind auch weniger empfindlich auf fehlangepasste CTE-Werte und allgemeine thermische Ausdehnungsverschiebungen im Vergleich zu massiven Durchgängen aufgrund dessen, daß massive Durchgänge innerhalb der Schicht aus keramischem Material vergraben und daher mechanisch umschlossen sind. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den CTE-Werten für das massive Durchgangsfüllmaterial und für den keramischen Körper würde zu hohen Spannungen und schädlichen Verschiebungen führen, wenn der Interkonnektor Temperaturveränderungen ausgesetzt ist. Auf der anderen Seite erfährt das Material, da bohrungsbeschichtete Durchgänge Beschichtungen auf der Innenseite der Bohrungen der Löcher (oder Schlitze) sind, nicht die gleichen Typen von Einschränkungen. Folglich sind die Spannungen und die zugehörigen Verschiebungen geringer, wenn bohrungsbeschichtete Durchgänge verwendet werden. Im Wesentlichen ermöglichen die geringeren Spannungen für eine gegebene CTE-Fehlanpassung die Verwendung von Durchgangsmaterialien mit einer größeren Fehlanpassung (und halten die Spannungen unterhalb einem kritischen Niveau).
In der Praxis sind die innenseitigen Bohrungen der Löcher innerhalb der Brennstoffflußstruktur mit einem brennstoffseitigen Durchgangsmaterial beschichtet. Ein brennstoffseitiges Leitermaterial wird auf ausgewählte Orte auf der Oberfläche der keramischen Schichten, welche die Brennstoffflußstruktur aufweisen, aufgetragen. Dieser Leiter verbindet die bohrungsbeschichteten Durchgänge miteinander während gleichzeitig sowohl die Zelle/den Interkonnektor (obere Oberfläche) und die Luftflußstruktur/brennstoffseitigen Durchgänge mit dem Separator verbunden werden. Ähnlich wird ein luftseitiger Leiter auf die innenseitige Bohrung von Löchern innerhalb der Luftflußstruktur für im Wesentlichen die gleichen Zwecke aufgetragen.
Die Leiterzusammensetzung der bohrungsbeschichteten Durchgänge für jede Seite (Brennstoff ohne Luft) kann die gleiche sein, wie die, welche für den Oberflächenleiter verwendet wird (und/oder für irgendwelche massiven Durchgänge, die in der Gesamtinterkonnektorstruktur vorhanden sind). Materialien, die für die brennstoffseitigen bohrungsbeschichteten Durchgänge und für die Oberflächenleiter verwendet werden, können umfassen (sind aber nicht beschränkt auf): Edelmetalle, wie z. B. Silber, Palladium, Gold oder Platin, oder Legierungen, die aus diesen Materialien gebildet sind und keramische Metallzusammensetzungen (Cermete). Cermete können hergestellt werden durch Kombinieren irgendwelcher solcher Metalle mit keramischen Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumspinell, YSZ, Titanoxid und Ceroxid (nur brennstoffseitig). Zusammensetzungen, welche Nickel, Chrom, Legierungen mit hohem Chromanteil, NiO oder Cr₂O₃ (NiO und Cr₂O₃ müssen nachfolgend zur Metallform reduziert werden, wobei irgendeine Anzahl von bekannten Prozessen verwendet wird, damit die Interkonnektorstruktur am effizientesten arbeitet) können ebenfalls auf der Brennstoffseite verwendet werden. Leitende Oxidkeramiken, wie z. B. diejenigen, die im Allgemeinen als in der Perovskit-Familie liegend klassifiziert werden, oder Mischungen solcher Keramiken und der zuvor erwähnten Metalle können auf der Luftseite verwendet werden. Beispiele solcher Perovskite umfassen dotierte Seltenerdmanganite, dotierte Seltenerdcobaltite und dotierte Seltenerdferrite und Mischungen davon. Andere Oxidleiterzusammensetzungen umfassen Mischungen von Indiumoxid, Zirkonoxid, Praseodymoxid, Zinnoxid und Titanoxid.
Ungeachtet der vorangehenden Diskussion ist es wichtig zu bemerken, daß wie bei einem Interkonnektor mit massiven Durchgängen, die Separatorplatte innerhalb eines bohrungsbeschichteten Interkonnektors noch ausreichend dicht sein muß, um die Reaktantengase zu trennen. Daher müssen immer noch massive Durchgänge die Separatorplatte durchdringen. Auch kann wie oben erwähnt eine Leiterschicht zwischen der Separatorplatte und den keramischen Blättern, welche die Flußfelder bilden, angeordnet sein, um eine elektrische Verbindung zwischen den Durchgängen der Separatorplatte und den bohrungsbeschichteten Durchgängen sicherzustellen. Solche Materialien sind dem Fachmann bekannt.
Zuletzt kann die Verwendung sowohl von massiven Durchgängen als auch von bohrungsbeschichteten Durchgängen insbesondere in dem Fall nützlich sein, daß ein Durchgangsmaterial eine exzellente CTE-Anpassung, jedoch eine relativ geringe Leitfähigkeit aufweist (eine wahrscheinliche Situation, insbesondere für die Luftflußstruktur). Die Verwendung beider Typen von Durchgängen liefert in dieser Situation einen maximalen Querschnitt des Leiters für die Luftflußstruktur und daher den geringsten Widerstand.
Beispiel III
Ein abschließendes Beispiel konzentriert sich auf eine Co-Flußkonstruktion mit massiven gefüllten Durchgängen und individuellen kanalförmigen Öffnungen innerhalb der keramischen Blätter. Diese Konstruktion umfasst anfängliche Verteilungskanäle, wodurch Co-Fluß- oder Gegenflußanordnungen für Brennstoff- und Luftfluß ermöglicht werden. Eine schlitzähnliche Anordnung von Öffnungen ist individuell mit den Verteilern für eine Reihe von begrenzenden Düsen verbunden und weiter stromabwärts ist ein Kreuzfluß zwischen den individuellen Schlitzen optimal minimiert oder vollständig unterdrückt. Solch eine Anordnung sollte eine Co-Flußkonfiguration sein, um eine bessere Verteilung von Reaktantengasen und Gesamtleistungsfähigkeitssteuerung für den Stapel zu ermöglichen. Dieser Aufbau steht auch im Gegensatz zu den überlappenden Löchern und der Kreuzflußanordnung in Beispiel I. Diese besondere Konstruktion kann leicht in eine Gegenflußanordnung umgewandelt werden, einfach durch Bereitstellen der Reaktantengasquellen an gegenüberliegenden Enden des Stapels.
Die Verwendung von ausgedehnten Schlitzen sollte die Bildung einer Durchgangsanordnung erleichtern. Insbesondere müssen die Durchgänge nur in Streifen angeordnet sein, so daß keine Flußfeldöffnung zwischen Durchgängen längs einer einzigen Linie angeordnet sind (im geometrischen Sinne betrachtet, gäbe es eine Durchgangsanordnung nur entlang der X-Achse, während Öffnungen zwischen jeder Reihe von Durchgängen auf der Y-Achse angeordnet wären). Die Schlitze wiederum würden in der gleichen Richtung überlappen wie der Reaktantengasfluß und ein seitwärtiger Fluß ist unterdrückt. Diese Anordnung sollte die Gesamtstärke der resultierenden keramischen Blätter erhöhen, während die Kosten in dem Falle minimiert werden, daß eine Bondschicht oder Kontaktflächen verwendet werden, um elektrische Verbindungen zwischen den Durchgängen in jeder Schicht zu fördern. Wenn sie zusammengestapelt werden, bilden die Blätter eine Reihe von ausgezeichneten Kanälen, deren Flußpfad zwischen der Dreischicht und der Separatorplatte wellenförmig verläuft.
Die Co-Fluß- und Gegenflußstapelkonstruktionen bieten andere signifikante Vorteile gegenüber der Kreuzflußkonstruktion. Zum Beispiel können diese Vorteile umfassen: Reduzierte Luftflußanforderungen aufgrund der verbesserten Reaktantenverteilung über die gesamte Dreischichtoberfläche sowie geringere Temperaturgradienten und eine verbesserte Luft- und Brennstoffverteilung innerhalb des Stapels. Darüber hinaus zieht diese Konstruktion Vorteil aus den Stärken, die mit mehrschichtigen keramischen Herstellungsverfahren verbunden sind. Die Konstruktionsmaterialien und die grundlegenden Prozesse, die zur Herstellung des Co-Fluß-(oder Gegenfluß-)Interkonnektors verwendet werden, sind ähnlich denjenigen, die verwendet werden, um Kreuzflußinterkonnektoren herzustellen. Die Dicke individueller Schichten und die Größe und der Abstand der Schlitze sind durch Druckabfallüberlegungen getrieben, basierend auf bestimmten genäherten Betriebsbedingungen (Gesamtluft- und Brennstoffflußraten, Reaktivität der dreischichtigen Zellen, Temperaturgradienten, etc.). Wenn sie verwendet werden, sind die Verteiler- und Düsengrößen durch fluiddynamische Überlegungen vorgegeben, welche dem Fachmann wohl bekannt sind, obwohl es offensichtlich ist, daß individuelle Düsen, die in dieser Anordnung vorgesehen sind, notwendigerweise wesentlich kleiner sind als die Öffnungen, mit denen sie in Fluidverbindung stehen, und die Düsen müssen in einer Position stromaufwärts relativ zu den Öffnungen/Kanälen angeordnet sein. Die Verwendung von Düsen in Verbindung mit als individuelle Kanäle angeordneten Öffnungen sollte eine besondere Anwendbarkeit auf der Brennstoffgaseinlaßseite jeder Dreischicht finden. Zuletzt kann wie oben erwähnt die Durchgangsgröße und der Durchgangsabstand so beeinflußt werden, daß ein ausreichender Querschnitt von Leitern bereitgestellt wird, um sicherzustellen, daß der Zielwiderstand erreicht wird.
Eine Anpassung an die Größe der Öffnungen, das Vorsehen von Düsen und des Verteilers selbst sollte helfen, Beschränkungen zu kompensieren, die durch bestimmte keramische Herstellungstechniken vorhanden sind. Z. B. kann es in dem Maße, wie die genaue Reproduzierbarkeit der Dicken und der Ebenheit der keramischen Blätter, welche die Flußfelder und/oder die Separatorplatte bilden, schwierig sein kann, die oben beschriebene Anordnung fein angestimmt werden, insbesondere in Bezug auf die Größe der Düsen, um diese Herstellungsschwankungen auszugleichen. In jedem Fall ist es für den Fachmann auf dem Gebiet der Fluiddynamik offensichtlich, daß ein Steuern des Oberflächenbereichs und/oder Durchmessers der Öffnungen und/oder der Düsen einen direkten und wesentlichen Einfluß auf den beobachteten Druckabfall hat, welcher wiederum zu der gesteuerten Bereitstellung von Recktanten an irgendeinen Teil der dreischichtigen Zelle/dreischichtigen Zellen und zu der Leistungsfähigkeit des Stapels selbst beiträgt.
Während bestimmte Ausführungsformen und/oder Details der Erfindung oben gezeigt und beschrieben wurden, um die Anwendung von Prinzipien der Erfindung darzustellen, ist es offensichtlich, daß diese Erfindung ausgeführt werden kann, so wie es vollständiger in den Ansprüchen beschrieben ist oder wie es dem Fachmann sonst bekannt ist (einschließlich einigen und allen Äquivalenten), ohne von solchen Prinzipien abzuweichen.

Claims

Festoxidbrennstoffzellenanordnung mit: ersten und zweiten Brennstoffzellenschichten (115), die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytschicht, welche die Anode und die Kathode trennt, aufweisen, einer Separatorplatte (12) mit einer definierten Dicke, einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, einem ersten Flußfeldelement (124, 125), das zwischen der oberen Fläche der Separatorplatte (122) und der ersten Brennstoffzellenschicht angeordnet ist, wobei das erste Flußfeldelement eine definierte Dicke und ein integriertes Mittel (130) zum Bereitstellen eines Reaktantengases durch das erste Flußfeldelement und an die erste Brennstoffzellenschicht aufweist, einem zweiten Flußfeldelement (126, 127), das zwischen der unteren Fläche der Separatorplatte (122) und der zweiten Brennstoffzellenschicht (115) angeordnet ist, wobei das zweite Flußfeldelement eine definierte Dicke aufweist und ein integriertes Mittel (130) zum Bereitstellen eines Reaktantengases durch das zweite Flußfeldelement und zu der zweiten Brennstoffzellenschicht und ein Mittel (160a, 160b, 160c) zum Leiten eines elektrischen Stroms von der ersten Brennstoffzellenschicht (115) durch das erste Flußfeldelement (124, 125), die Separatorplatte (122) und das zweite Flußfeldelement (126, 127), wobei das Mittel zum Leiten in einen Teil der Dicke der Separatorplatte (122), des ersten Flußfeldelements (124, 125) und des zweiten Flußfeldelements (126, 127) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Flußfeldelement eine Mehrzahl von flachen Elementen aufweist, wobei jedes Element eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist und wobei die Elemente in einem Stapel angeordnet sind, so daß die Öffnungen einen Flußpfad für das Reaktantengas bilden.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Elemente aus einem keramischen Material gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die enthält: Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxidspinell, Titandioxid, Cerdioxid und Mischungen davon.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Separatorplatte aus einem dichten keramischen Material gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte keramische Material mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die enthält: Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxidspinell und Mischungen davon.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms ein verbundenes Muster von leitfähigen Durchgängen aufweist, die durch die Separatorplatte und jedes flache Elements des ersten Flußfeldelements und des zweiten Flußfeldelements vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der leitfähigen Durchgänge mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die gebildet wird aus: Edelmetallen, Edelmetallegierungen, Nickel, Chrom, Chromlegierungen, leitenden Oxidkeramiken und keramischen Metallverbundwerkstoffen.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Leiten eines elektrischen Stroms darüber hinaus eine leitende Beschichtung aufweist, die auf mindestens einen Teil jedes der folgenden Elemente aufgetragen ist: einer äußeren Fläche jedes flachen Elements des ersten Durchflußelements, der oberen Fläche des Separators, der unteren Fläche des Separators und einer äußeren Fläche des zweiten Flußfeldelements und daß die leitfähige Beschichtung elektrisch mit mindestens einem Teil der leitfähigen Durchgänge verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Beschichtung irgendeine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die gebildet wird aus: Edelmetallen, Edelmetallegierungen, Nickel, Chrom, Chromlegierungen, leitenden Oxidkeramiken und keramischen Metallverbundwerkstoffen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, darüber hinaus mit einer leitfähigen Beschichtung, die auf mindestens einen Teil jedes der folgenden Elemente aufgebracht ist: einer äußeren Fläche jedes flachen Elements des ersten Flußfeldelements, der oberen Fläche des Separtors, der unteren Fläche des Separators und einer äußeren Fläche des zweiten Flußfeldelements.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Beschichtung mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die gebildet ist aus: Edelmetallegierungen, Edelmetallen, Nickel, Chromlegierungen, leitenden Oxidkeramiken und keramischen Metallverbundwerkstoffen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen ausgedehnte Schlitze sind, die in einer Serie von Reihen angeordnet sind, wobei der Flußpfad eine Serie von individuellen wellenförmigen Kanälen ist.
Anordnung nach Anspruch 13, darüber hinaus mit einschränkenden Düsen zum Regulieren des Flusses von Reaktantengas in die individuellen wellenförmigen Kanäle.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, darüber hinaus mit einem integrierten Verteilerkanal, der nahe an einer äußeren Kante des ersten Flußfeldelements und in Fluidkontakt mit den Düsen angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in einem überlappenden Muster von Löchern ausgeführt sind, die einen Durchmesser aufweisen, der so gewählt ist, daß die Flußeigenschaften des Reaktantengases, das durch die Öffnungen tritt, optimiert werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, darüber hinaus mit einem Dichtmittel zum Halten von Gases innerhalb eines Bereichs, der die Separatorplatte, die ebenen Elemente des ersten Flußfeldelements, des zweiten Flußfeldelements und die ersten und zweiten Brennstoffzellenschichten umgibt.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmittel aus einem dichtenden Material oder einem Mittel zum Ausüben einer Kompressionskraft besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Separatorplatte aus einem dichten keramischen Material gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte keramische Material mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxidspinell und Mischungen davon.
Verfahren zum Aufbauen einer Verbindungsvorrichtung zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Mehrzahl von ebenen Elementen (124–127), die in der Lage sind, ein getrenntes Reaktantengasflußfeld zu bilden, Bereitstellen einer undurchlässigen Separatorplatte (122), Bilden eines Musters von Öffnungen (130) in jedem flachen Element, Bereitstellen eines Materials, das einen elektrischen Strom zu der Separatorplatte (122) und zu mindestens einem Teil der flachen Elemente (124–127) leitet, Stapeln der flachen Elemente (124–127) auf beiden Seiten der Separatorplatte (122), so daß sie die Separatorplatte umgeben, Ausrichten der flachen Elemente (124–127) auf jeder Seite der Separatorplatte (122), so daß eine durchgängige elektrische Verbindung durch die flachen Elemente (124–127) und die Separatorplatte (122) besteht und so daß sichergestellt wird, daß das Muster der Öffnungen (130) in den gestapelten Elementen ein Flußfeld für Reaktantengase auf jeder Seite der Separatorplatte (122) bildet und Dichten der gestapelten und ausgerichteten ebenen Elemente (124–127) und der Separatorplatte (122), so daß sichergestellt wird, daß Reaktantengase innerhalb des Flußfeldes auf jeder Seite der Separatorplatte (122) gehalten werden, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Materials, das in der Lage ist, einen elektrischen Strom zu leiten, das Bilden von Öffnungen in der Separatorplatte (122) und das Anordnen eines dichten leitenden Materials in den Öffnungen der Separatorplatte (122) aufweist, so daß leitende Durchgänge (160a) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente aus einem keramischen Material gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxidspinell, Titandioxid, Cerdioxid und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Separatorplatte aus einem dichten keramischen Material gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material mindestens eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumaluminiumoxidspinell und Mischungen davon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Materials, das in der Lage ist, einen elektrischen Strom zu leiten, darüber hinaus aufweist: Bilden von Öffnungen in jedem flachen Element und Anordnen eines leitenden Materials in den Öffnungen jedes flachen Elements.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bereitstellens eines Materials, das in der Lage ist, einen elektrischen Strom zu leiten, darüber hinaus aufweist: Abscheiden einer durchgehenden Schicht eines leitenden Materials auf mindestens einem Teil von freiliegenden Flächen des Flußfeldes auf mindestens einer Seite der Separatorplatte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der Öffnungen darüber hinaus aufweist: Bilden eines Musters von Öffnungen in jedem flachen Element in mindestens einer Form, die ausgewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus: Kreisen, Ovalen, Dreiecken, Rechtecken, Pentagons, Hexagons und Polygonen höherer Ordnung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ausrichtens der flachen Elemente darüber hinaus aufweist: Sicherstellen, daß das Flußfeld auf jeder Seite der Separatorplatte einen Einlaß, der in Fluidverbindung zu jedem Flußfeld längs einer Kante der gestapelten und ausgerichteten flachen Elemente und der Separatorplatte steht und einen Auslaß aufweist, der mit jedem Flußfeld längs einer getrennten Kante der gestapelten und ausgerichteten flachen Elemente und der Separatorplatte in Fluidverbindung steht und wobei der Schritt des Dichtens der gestapelten und ausgerichteten flachen Elemente und der Separatorplatte darüber hinaus aufweist: Sicherstellen, daß Reaktantengase nur durch die Einlässe in die gestapelten und ausgerichteten ebenen Elemente und die Separatorplatte eintreten und daß Reaktantengase nur durch die Auslässe austreten.
Verfahren nach Anspruch 29, darüber hinaus vor dem Dichten der gestapelten und ausgerichteten flachen Elemente und der Separatorplatte mit Bilden mindestens einer einschränkenden Düse an einem Ort stromaufwärts, relativ zu den Einlässen.
Verfahren nach Anspruch 30, darüber hinaus vor dem Dichten der gestapelten ausgerichteten ebenen Elemente und der Separatorplatte mit Bilden eines Verteilerkanals, der mit der beschränkenden Düse in Fluidverbindung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Elemente durch ein Foliengießverfahren gebildet werden.