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Gebiet und Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den beigefügten
Zeichnungen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, bezeichnen
die in den Zeichnungen gezeigten Bezugszeichen durchwegs gleiche
oder entsprechende Teile.
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1 ist
eine geschichtete perspektivische Ansicht des SOFC-Interkonnektors,
welcher von Hartvigson et al. berücksichtigt wurde.
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2 ist
eine geschichtete perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3a und 3b sind
Ansichten von oben der perforierten keramischen Blätter der
vorliegenden Erfindung.
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3c ist
eine Ansicht von oben auf die bevorzugte Kombination der in 3a und 3b abgebildeten
keramischen Blätter.
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3d ist
eine Ansicht von oben der Gasseparatorplatte, die in Verbindung
mit der in 3c abgebildeten Kombination
verwendet wird.
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4a ist
eine Ansicht von oben von zwei gestapelten keramischen Blättern der
vorliegenden Erfindung, welche den Reaktantengasflußpfad zeigen.
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4b ist
eine seitliche Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie
A-A aus 4a, welche den Reaktantengasflußpfad zeigt.
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5 ist
eine seitliche Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie
A-A aus 4a, welche einen geraden Durchgang
durch Ausrichten der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ist
eine Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie A-A aus 4a,
welche verschobene und bohrungsbeschichtete Durchgangsausrichtungen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel III
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.