DE60310543T2 - Mehrlagendichtung für elektrochemische apparate - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung unter der Vertragsnummer DE-AC0676RL01830 gemacht, die durch das US-Energieministerium zuerkannt wurde. Die Regie rung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Vorrichtungen, die arbeiten, indem sie separate Gasströmungen aufrechterhalten und bewirken, dass Reaktionen an den Oberflächen leitfähiger Schichten benachbarter Komponenten auftreten.
  • Elektrochemische Vorrichtungen mit mehreren Komponenten, wie etwa zum Beispiel Festoxid-Brennstoffzellen- (SOFC-) Stapel, Synthesegas-Membranreaktoren, Sauerstoffgeneratoren und dergleichen, erfordern eine kritische Dichtungstechnologie, um Gasströmungen (z.B. H2 und O2) zu trennen und um zu verhindern, dass sich die Strömungen miteinander mischen. Ein Mischen der Gasströmungen hat eine Vielzahl negativer Konsequenzen, die von der Art der Vorrichtung und der Zusammensetzung der Gasströmungen abhängen. Ein Hauptproblem, das sich aus dem Mischen solcher Gase ergibt, ist die Möglichkeit thermischer Verbrennungen der Gase und das sich daraus ergebene Versagen der Vorrichtung.
  • Eine Art elektrochemischer Vorrichtungen, die erhebliche Beachtung gefunden hat und diese weiterhin findet, ist eine Brennstoffzellenvorrichtung. Brennstoffzellenvorrichtungen sind bekannt und werden zur unmittelbaren Erzeugung von Elektrizität aus Standard-Brennstoffmaterialien einschließlich fossiler Brennstoffe, Wasserstoff und dergleichen durch unmittelbares Umwandeln chemischer Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie verwendet. Diese Umwandlung wird erreicht, indem der Brennstoff ohne eine Zwischenstufe thermischer Energie oxidiert wird. Brennstoffzellen enthalten typischerweise eine poröse Anode, eine poröse Kathode und einen festen oder flüssigen Elektrolyten zwischen diesen. Der Anode wird Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt, wo er oxidiert wird und Elektronen an den externen Schaltkreis abgegeben werden. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) zugeführt, wo es reduziert wird und Elektronen aus dem externen Schaltkreis angenommen werden. Der Elektronenstrom durch den externen Schaltkreis erzeugt Gleichstromelektrizität. Der Elektrolyt leitet Ionen zwischen den zwei Elektroden.
  • Brennstoffzellen werden gemäß dem Elektrolyten, der verwendet wird, um während des Betriebs einen Ionentransport zu ermöglichen, in verschiedene Typen eingeteilt. Beispiele für Elektrolyten umfassen wässriges Kaliumhydroxid, konzentrierte Phosphorsäure, geschmolzenes Alkalicarbonat, feste Polymere, z.B. eine feste Polymer-Ionenaustauschmembran, und feste Oxide, z.B. ein stabilisiertes Zirkoniumoxid. Festoxid-Brennstoffzellen- ("SOFC"-) Vorrichtungen haben erhebliche Aufmerksamkeit als die Brennstoffzellen der dritten Generation erregt, die Phosphorsäure-Brennstoffzellen und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen der ersten bzw. der zweiten Generation folgen. SOFC-Vorrichtungen haben einen Vorteil, der darin besteht, dass sie die Effizienz der Erzeugung von Elektrizität einschließlich des Abwärmemanagements mit ihrem Betrieb bei hohen Temperaturen von typischerweise über ungefähr 650 °C verbessern.
  • Diejenigen, die an Forschung und Entwicklung der SOFC-Technologie beteiligt sind, betrachten die SOFC-Energieerzeugung als eine aufkommende, realisierbare Alternative zu der Verwendung von Verbrennungskraftmaschinen. Im Unterschied zu interner Verbrennung wird der Sauerstoff in einer SOFC-Vorrichtung über den Leerstellenmechanismus durch einen dichten Keramike lektrolyten transportiert und dann elektrochemisch mit dem Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Weil die SOFC die chemische Energie ohne den Zwischenschritt thermischer Energie in elektrische Energie umwandelt, unterliegt die Umwandlungseffizienz nicht der Carnotgrenze. Im Vergleich zu konventioneller Energieerzeugung bietet die SOFC-Technologie mehrere Vorteile, die zum Beispiel eine wesentlich höhere Effizienz, einen modularen Aufbau, minimale Ortsbeschränkungen und eine viel geringere Luftverschmutzung umfassen.
  • In einer typischen SOFC trennt ein fester Elektrolyt, der aus einer dichten Yttrium-stabilisierten Zirkoniumoxid- (yttria-stabilized zirconia, YSC-) Keramik hergestellt ist, eine poröse Keramikanode von einer porösen Keramikkathode. Die Anode ist typischerweise aus Nickel/YSC-Cermet hergestellt, und die Kathode ist typischerweise aus dotiertem Lanthan-Magnanit hergestellt. In einer solchen Brennstoffzelle, von der ein Beispiel schematisch in 1 gezeigt ist, reagiert der zu der Anode strömende Brennstoff mit Oxidionen, um Elektronen und Wasser zu erzeugen. Das Wasser wird in der Brennstoffflussströmung entfernt. Die Elektronen fließen von der Anode durch einen externen Schaltkreis und dann zu der Kathode. Der Sauerstoff reagiert an der Kathodenoberfläche mit den Elektronen, um Oxidionen zu bilden, die durch den Elektrolyten zu der Anode diffundieren. Der Elektrolyt ist ein keramisches Material, das für Elektronen ein Nichtleiter ist, was gewährleistet, das sich die Elektronen durch den externen Schaltkreis bewegen müssen, um Nutzarbeit zu verrichten. Der Elektrolyt erlaubt es den Sauerstoffionen jedoch, von der Kathode zu der Anode hindurch zu gelangen.
  • Wenn der Anode Brennstoff zugeführt wird und der Kathode Oxidationsmittel zugeführt wird, wird durch den Fluss von Elektronen durch den externen Schaltkreis von der Anode zu der Kathode elektrochemisch ein nutzbarer elektrischer Strom er zeugt. Als ein Beispiel ist in Gleichung (1) die chemische Reaktion für eine Brennstoffzelle gezeigt, die Wasserstoff als den Brennstoff und Sauerstoff als das Oxidationsmittel verwendet. H2 + ½ O2 → H2O (Gleichung 1)
  • Dieser Prozess ereignet sich durch zwei Redoxreaktionen oder separate Halbreaktionen, die wie folgt an den Elektroden stattfinden:
  • Anodenreaktion
    • H2 + O2– → H2O + 2e (Gleichung 2)
  • Kathodenreaktion
    • ½ O2 + 2e → O2– (Gleichung 3)
  • In der Anoden-Halbreaktion wird der Wasserstoffbrennstoff durch Sauerstoffionen aus dem Elektrolyten oxidiert und gibt dadurch Elektronen (e) an den externen Schaltkreis ab, wie es in Gleichung (2) gezeigt ist und wie es schematisch in 1 gezeigt ist. Die Sauerstoffionen wandern durch den Brennstoffzellenelektrolyten von der Kathode zu der Anode. In der Kathoden-Halbreaktion wird der Kathode Sauerstoff zugeführt, wo er die Sauerstoffionen (O2–) durch Annehmen von Elektronen von dem externen Schaltkreis an den Elektrolyten liefert. Die Bewegung von Sauerstoffionen durch den Elektrolyten erhält das Gesamtgleichgewicht elektrischer Ladung aufrecht, und der Fluss von Elektronen in dem externen Schaltkreis liefert Nutzleistung. Als Alternativen zu Wasserstoff umfassen nützliche Brennstoffe zur Brennstoffzellen-Energieerzeugung zum Beispiel Kohlenmonoxid und Methan.
  • Weil jede einzelne elektrochemische Zelle, die aus einer einzelnen Anode, einem einzelnen Elektrolyten und einer einzelnen Kathode hergestellt ist, eine Leerlaufspannung von ungefähr einem Volt erzeugt und jede Zelle Elektrodenaktivierungs-Polarisationsverlusten, elektrischen Widerstandsverlusten und Ionenbeweglichkeits-Widerstandsverlusten unterliegt, die ihre Ausgabe bei einem Nutzstrom auf noch niedrigere Spannungen verringern, ist eine Brennstoffzellenanordnung erforderlich, die eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweist, die elektrisch miteinander verbunden sind, um die gewünschte Spannung oder den gewünschten Strom zu erzeugen, um kommerziell brauchbare Energiemengen zu erzeugen.
  • Gegenwärtig gibt es zwei grundlegende Ausgestaltungen für SOFC-Anwendungen: Rohrförmig und eben. In Bezug auf ebene SOFC-Ausgestaltungen sind die einzelnen elektrochemischen Zellen typischerweise in Reihe miteinander verbunden, um einen Stapel zu bilden. Zum Beispiel weisen ebene Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel typischerweise eine Vielzahl gestapelter Kathode-Elektrolyt-Anode-Verbindung-Wiederholungseinheiten auf, und der Brennstoffzellenstapel enthält eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode und der Anode benachbarter Zellen. Die Brennstoffzellenanordnung enthält außerdem Leitungen oder Sammelleitungen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel in den Stapel hinein und aus dem Stapel heraus zu leiten. Gewöhnlich sind Kanäle für die Gasströmung, entweder in einer Kreuzströmungs- oder einer Co-Strömungs- oder einer Gegenströmungs-Anordnung, in der Kathode, der Anode und/oder der Verbindung enthalten. Es wird angenommen, dass ebene Ausgestaltungen im Vergleich mit rohrförmigen Ausgestaltungen potentiell niedrigere Kosten und eine höhere Energiedichte pro Einheitsvolumen bieten; ebene Ausgestaltungen weisen jedoch viele Probleme auf, die überwunden werden müssen.
  • Zusätzlich zu den Herausforderungen bei der Entwicklung von Materialien für Elektrolyten, Anoden und Kathoden erfordern ebene SOFC-Ausgestaltungen Dichtungen bzw. Abdichtungen zwischen jeder einzelnen Zelle, um das Austreten von Gasen aus dem Stapel sowie das Mischen von Brennstoff- und Oxidationsmittelgasen zu verhindern (oder zumindest ausreichend zu minimieren). Niedrige Brennstoff-Austrittsraten sind erforderlich, wenn SOFC-Stapel sicher und ökonomisch arbeiten sollen. Außerdem muss die Dichtung bei den erhöhten Temperaturen und den harten (oxidierenden, reduzierenden und feuchten) Umgebungen Langzeitstabilität aufweisen, die für SOFCs während des Betriebs typisch sind. Außerdem sollten die Dichtungen keine Korrosion oder eine andere Verschlechterung der Materialien verursachen, mit denen sie in Kontakt sind (z.B. stabilisiertes Zirkoniumoxid, Verbindung und Elektroden). Es ist vielleicht am bedeutsamsten, dass die Dichtung geeignet haltbar sein muss, um ihre Abdichtungsfunktion unter wiederholter Temperaturwechselbeanspruchungen zu erfüllen.
  • Eine Vielzahl von Merkmalen eines SOFC-Stapels tragen zu der Schwierigkeit des Erzielens einer guten Abdichtung bei. Zum einen sind sowohl die Zelle (einschließlich Anoden-, Elektrolyt- und Kathodenschichten) als auch die Verbindung, ob aus keramischem oder metallischem Material, starr. Als eine Folge müssen die zusammenpassenden Oberflächen zwischen der Zelle und der Verbindung flach und parallel sein, um eine effektive Abdichtung zu erreichen. Weil alle Komponenten starr sind, ist es sogar bei guter Ebenheit dennoch notwendig, die Oberflächen in irgendeiner Weise abzudichten, um den Austritt der Gase zu verhindern.
  • Ein weiteres Merkmal elektrochemischer Vorrichtungen, wie etwa SOFCs, das zu der Schwierigkeit der Erzielung einer guten Abdichtung beiträgt, bezieht sich auf den Umstand, dass verschiedene Zusammensetzungen als die Komponenten einer SOFC- Vorrichtung verwendet werden und die verschiedenen Zusammensetzungen unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen. In diesem Zusammenhang wird in verschiedenen Arten von Brennstoffzellenanordnungen, die zur Verwendung bei hohen Betriebstemperaturen angepasst sind, eine monolithische Ausgestaltung verwendet, bei der die gesamte Konstruktion aus Keramiken hergestellt ist. In anderen Ausgestaltungen sind einzelne Komponenten starr und unter Verwendung von zum Beispiel Glasdichtungen, Glaskeramik-Dichtungen, Cermetdichtungen oder metallischer Hartlötung hermetisch abgedichtet. Auch wenn derartige monolithisch oder starr ausgebildete Brennstoffzellen gut ausgestattet sind, um Gasaustritt zu verhindern, haben Keramiken die inhärente Materialeigenschaft niedriger Duktilität und niedriger Festigkeit. Dementsprechend sind sie anfällig gegenüber Beschädigungen durch mechanische Vibrationen und Erschütterungen. Außerdem, und vielleicht problematischer, sind derartige Anordnungen extrem anfällig gegenüber thermischen Schocks und gegenüber thermisch induzierten mechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungseigenschaften der Komponenten.
  • Eine große Vielzahl von Anwendungen, für die SOFC-Vorrichtungen vorteilhaft verwendet werden können, umfassen einen abwechselnden Gebrauch und Nicht-Gebrauch und somit wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungs-Zyklen. In Anbetracht der Vielzahl von Materialien, die verwendet werden, um eine einzelne Zelle herzustellen, und der Schwierigkeit der Auswahl geeigneter Materialien, die präzise aufeinander abgestimmte thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, ist es unmittelbar ersichtlich, dass die Verwendung starrer Dichtungen erhebliche Probleme schafft. Außerdem können in Fällen, in denen die Brennstoffzelle ausgestaltet ist, um bei niedrigeren Temperaturen mit einem keramischen Niedertemperaturelektrolyten verwendet zu werden, einige Komponenten der Brennstoffzelle aus Metallen hergestellt sein, die im Allgemeinen weniger teuer in der Her stellung als keramische Komponenten sind und den Vorteil verbesserter Duktilität und Bruchfestigkeit haben, was sie gegenüber Beschädigungen durch mechanische und thermische Schocks widerstandsfähiger als Keramiken macht. Jedoch ist bei einer Brennstoffzelle, die Metalle für zumindest einige Komponenten und Keramiken für zumindest einige Komponenten verwendet, eine starre Abdichtung vielleicht ein noch größeres Problem, weil die meisten Legierungen, die potentiell für die SOFC-Verbindungs-Anwendungen geeignet sind, viel größere thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, als es Keramiken haben, was große thermische Spannungen und Beanspruchungen zur Folge hat, die während des Betriebs einer solchen Brennstoffzelle erzeugt werden. Wenn eine Metall/Keramik-Brennstoffzelle erwärmt und abgekühlt wird, ändern sich die Abmessungen der Metallkomponenten mehr als die Abmessungen der keramischen Komponenten, was zu thermischen Beanspruchungen innerhalb der Konstruktion führt. Diese thermischen Beanspruchungen erzeugen thermische Spannungen, die zu einem Versagen der keramischen Komponenten oder der starren Dichtungen zwischen den keramischen und metallischen Komponenten führen können.
  • Eine andere Art von Dichtungen, die zur Verwendung in Verbindung mit SOFC-Vorrichtungen in Betracht gezogen worden ist, ist eine kompressive Dichtung bzw. Druckdichtung. In einer Vorrichtung, die zur Verwendung einer kompressiven Dichtung ausgestaltet ist, ist eine Schicht aus inertem Material zwischen Komponenten der SOFC angeordnet, und in einem Versuch, den Austritt zwischen den Komponenten zu blockieren, wird eine kompressive Kraft bzw. Druckkraft auf die Komponenten und das Material zwischen diesen ausgeübt. Im Vergleich zu starren keramischen Dichtungen, Glasdichtungen oder metallischen Dichtungen bieten kompressive Dichtungen potentiell mehrere Vorteile. Da sie nicht starr mit den Zellen verbunden sind, ist die Notwendigkeit zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (coefficients of thermal expansion, CTE) aller Stapelkomponenten reduziert oder beseitigt. Die Zellen und Verbindungen können sich während einer Temperaturwechselbeanspruchung und des Betriebs freier ausdehnen und zusammenziehen, wodurch eine strukturelle Verschlechterung während einer Temperaturwechselbeanspruchung und des Routinebetriebs verhindert wird. Die Beseitigung der Notwendigkeit angepasster CTEs erweitert die Liste von Kandidaten-Verbindungsmaterialien, ob keramisch oder metallisch, erheblich. Die kompressiven Dichtungen haben gegenüber starren Dichtungen auch zwei einzigartige Vorteile. Einer besteht darin, dass Zellen in Stapeln wiederverwendbar sein können, da sie nicht miteinander verbunden bzw. verklebt sind. Zweitens ist eine nicht-zerstörerische Analyse nach dem Betrieb möglich.
  • Die Forschung auf dem Gebiet der kompressiven Dichtungen ist noch in ihrem frühen Stadium, und es sind sehr wenige Daten verfügbar. Eine Gruppe diskutierte die Verwendung von komprimiertem Glimmer in einem Einzellen-SOFC-Aufbau; die Effektivität wurde jedoch nicht diskutiert. (Kim und Virkar, Solid Oxide Fuel Cells (SOFC VI) Proceedings of the Sixth International Symposium, herausgegeben von S.C. Sighal und M. Dokiya, The Elektrochemical Society, Tagungsband 99-19 830 (1999)). Eine kürzliche Veröffentlichung diskutiert eine Arbeit, die sich auf Glimmer in Papierform und gespaltene einkristalline Glimmer als kompressive Dichtungen für SOFC-Anwendungen bezieht. (Simner et al. "Compressive mica seals for SOFC applications", J. Power Sources, 102 [1-2], 310-316 (2001)). Die Ergebnisse zeigten, dass Blätter aus gespaltenem natürlichem Glimmer im Vergleich zu Glimmerpapieren bei weitem überlegen waren. Für die Glimmerblätter wurden Austrittsraten von ungefähr 0,33 bis 0,65 sccm/cm (Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter) bei 800 °C und 100 psi (0,69 MPa) an kleinen Prüfabschnitten gemessen, die eine einzelne Verbindung/Dichtung/Zelle/Dichtung/Verbindung-Einheit simulierten. Es wird jedoch angenommen, dass sich eine Abschnitts- Austrittsrate von 0,33 bis 0,65 sccm/cm für tatsächliche SOFC-Stapel, bei denen mehrere Komponenten voller Größe mit den Dichtungen zwischen jeder Komponente zusammengestapelt sein würden, in inakzeptabel hohe Austrittsraten übersetzt.
  • In Anbetracht des obigen Hintergrundes ist es ersichtlich, dass eine wichtige Herausforderung bei der Entwicklung von SOFC-Anordnungen und anderen elektrochemischen Vorrichtungen in der Entwicklung einer Abdichtungstechnologie besteht, die geeignet niedrige Austrittsraten bietet. Es besteht ein anhaltender Bedarf an weiteren Entwicklungen auf dem Gebiet von Dichtungen für solche elektrochemischen Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt diesen Bedarf und stellt ferner damit in Zusammenhang stehende Vorteile bereit.
  • DE-A-196 08 727 offenbart eine elektrisch isolierende Schicht, die elektrisch leitende Komponenten einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle verbindet und die eine Lage von Keramiken aufweist, die zwischen einer Lage von Glaslötmittel auf jeder Seite davon angeordnet ist. DE-A-196 40 805 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stapels, der derartige Schichten enthält. US-A-6 165 632 offenbart eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit zwei Komponenten, die durch eine Schicht miteinander verbunden sind. Die Schicht enthält eine Keramiklage, die zwischen einer Lage von Glaslötmittel auf jeder Seite angeordnet ist. DE-A-195 42 808 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einer Schicht einer glasartigen Substanz durch Aufsprühen der glasartigen Substanzen auf das Substrat.
  • BE-A-1 006 102 offenbart eine Spiralringdichtung von Hochtemperaturstabilität insbesondere zur Verwendung in Flanschverbindungen von Auslassdichtungen von Verbrennungskraftmaschinen. Die Dichtung weist einen Stahlstreifen auf, der zusammen mit einem interkalierten Band aus Glimmerpapier in eine Spirale aufgewickelt ist. Eine ähnliche Anordnung einer Auslassdichtung ist in DE-A-4 325 224 offenbart. US-A-156 533 offenbart ein Dichtungsmaterial, das ein röhrenförmiges Gehäuse aus gewobenen Filamenten mit einem Kern kombiniert, der einen größeren Anteil intumeszenten Materials, wie etwa Vermiculit, aufweist, das bevorzugt in eine ausreichende Feinheit mit anderen Materialien gemahlen worden ist, so dass eine Kernzusammensetzung als ein Ganzes leicht ausgebildet wird, z.B. durch Extrusion.
  • Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 18, 34, 40 und 46 angegeben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, Vorrichtungen und Verfahren zur Abdichtung zwischen Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, wie etwa zum Beispiel einem Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel, einem Synthesegas-Membranreaktor, einem Sauerstoffgenerator und dergleichen.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel und andere elektrochemische Vorrichtungen bereitzustellen, die großen Veränderungen in der Temperatur ohne ein schnelles Versagen aufgrund von Brechen ausgesetzt werden können.
  • Noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel und andere elektrochemische Vorrichtungen bereitzustellen, für die eine Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen ihren Komponenten nicht erforderlich ist.
  • Diese Aufgaben werden durch die Erfindung verwirklicht, wie sie in den Ansprüchen 1, 18, 34, 40 und 46 angegeben ist.
  • Diese und andere Aufgaben dieser Erfindung werden durch die vorliegende Erfindung verwirklicht, die elektrochemische Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel Festoxid-Brennstoffzellen-Vorrichtungen, Synthesegas-Membranreaktoren, Sauerstoffgeneratoren und dergleichen, bereitstellt, die neue Mehrschicht-Dichtungen bzw. -Abdichtungen zwischen Komponenten enthalten, um eine Vermischung verschiedener Gasströmungen zu verhindern.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel und andere elektrochemische Vorrichtungen bereit, die großen Veränderungen in der Temperatur ohne ein schnelles Versagen aufgrund von Brechen ausgesetzt werden können.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch Festoxid-Brennstoffzellen-Stapel und andere elektrochemische Vorrichtungen bereit, für die eine Anpassung der thermischen Ausdehnung zwischen ihren Komponenten nicht erforderlich ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch neue kompressive Mehrschicht-Dichtungen bzw. Druck-Mehrschicht-Dichtungen, die exzellente Austrittsbarrieren bei hohen Temperaturen bereitstellen, und Verfahren zur Herstellung und Verwendung derselben bereit.
  • Weitere Formen, Ausführungsformen, Aufgaben, Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung ersichtlich, die hierin enthalten ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Auch wenn charakteristische Merkmale dieser Erfindung besonders in den Ansprüchen herausgestellt sind, kann die Erfindung selbst und die Art und Weise, in der sie durchgeführt und verwendet werden kann, besser durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verstanden werden, die einen Teil hiervon bilden.
  • 1 zeigt ein allgemeines schematisches Diagramm, das die Funktion einer Festoxid-Brennstoffzelle zeigt.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Mehrschicht-Dichtung gemäß der Erfindung.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm einer Mehrschicht-Dichtung, wie sie in 2 gezeigt ist, die zwischen Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist.
  • 4 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer Mehrschicht-Dichtung gemäß der Erfindung, die zwischen Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung ausgerichtet ist.
  • 5 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung der Erfindung.
  • 6 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung der Erfindung.
  • 7 ist eine optische Mikroaufnahme, die die Oberflächentextur des Phlogopitpapiers im Anlieferzustand zeigt, das in der in den Beispielen dargelegten Arbeit verwendet wurde, und zeigt große diskrete Phlogopitblättchen, die einander überlappen.
  • 8 ist eine optische Mikroaufnahme, die die Oberflächentextur des Muscovit-Einkristalls im Anlieferzustand zeigt. Das Material ist lichtdurchlässig, und die Oberfläche ist sehr glatt und hat weniger Defekte, auch wenn einige Kratzer sichtbar sind.
  • 9 ist eine optische Mikroaufnahme, die die Oberflächentextur des Muscovit-Einkristalls nach einer Wärmebehandlung bei 800 °C zeigt, wie sie in den Beispielen beschrieben ist, und zeigt, dass das Material nach Erwärmung lichtundurchlässig wird und auch Mikrorisse entwickelt.
  • 10 ist eine Rasterelektronenmikroaufnahme, die die Spaltung des Muscovit-Einkristalls nach Wärmebehandlung bei 800 °C zeigt.
  • 11 zeigt die chemischen Bestandteile des Muscovit-Einkristalls nach Wärmebehandlung bei 800 °C, wie sie unter Verwendung von energiedispersiver Spektrometrie bestimmt wurden.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm, das den experimentellen Aufbau für einen Dichtheitstest zeigt, wie er in den Beispielen beschrieben ist.
  • 13A und 13B sind Mikroaufnahmen, die die Oberflächenmorphologie von (A) einem Inconelrohr, das mit einem Papier der Körnung #400 (bar = 50 μm) geschliffen wurde, und (B) einem Aluminiumoxidsubstrat (bar = 20 μm) zeigen, die deutlich machen, dass Oberflächendefekte kontinuierliche gerade Vertiefungen (A) und unregelmäßige Sintervertiefungen (B) umfassen.
  • 14 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer kompressiven Mehrschicht-Dichtungs-Anordnung zur Dichtigkeitsprüfung zeigt, wie sie in den Beispielen beschrieben ist.
  • 15 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Muscovitglimmer in der einkristallinen Form zusammengesetzt ist, mit und ohne Glaszwischenschichten bei 800 °C zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 16 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Muscovitglimmerpapier zusammengesetzt ist, mit und ohne Glaszwischenschichten bei 800 °C zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 17 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Phlogopitglimmerpapier zusammengesetzt ist, mit und ohne Glaszwischenschichten bei 800 °C zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 18 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Muscovitglimmer in der einkristallinen Form zusammengesetzt ist, mit und ohne metallische Zwischenschichten bei 800 °C und einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) über der Dichtung zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 19 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Muscovitglimmer papier zusammengesetzt ist, mit und ohne metallische Zwischenschichten bei 800 °C und einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) über der Dichtung zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 20 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Dichtungen, die einen Dichtungskörper aufweisen, der aus Phlogopitglimmerpapier zusammengesetzt ist, mit und ohne metallische Zwischenschichten bei 800 °C und einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) über der Dichtung zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 21 ist eine Auftragung, die den Einfluss der Druckspannung auf die normalisierte Austrittsrate von Mehrschicht-Dichtungen, die eine Dichtungskörperschicht aus Muscovitglimmer in der einkristallinen Form aufweisen und Silberzwischenschichten unterschiedlicher Dicken aufweisen, bei 800 °C und einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) über der Dichtung zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • 22 ist ein schematisches Diagramm, das den experimentellen Aufbau für eine Dichtigkeitsprüfung mehrerer Dichtungen zeigt, wie es in den Beispielen beschrieben ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zum Zweck der Förderung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun auf bevorzugte Ausführungsformen Bezug genommen, und eine spezielle Sprache wird verwendet, um diese zu beschreiben. Es ist dennoch ersichtlich, dass dadurch keine Beschränkung des Bereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Jegliche Änderungen und weiteren Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen und jegliche weitere Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, werden in Betracht gezogen, wie es normalerweise für einen Fachmann ersichtlich werden würde, auf den sich die Erfindung bezieht.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Weise der Abdichtung benachbarter Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung bereit, um den Austritt von Gasen zwischen den Komponenten zu verhindern. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Mehrschicht-Dichtung an der Verbindung zwischen zwei benachbarten Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung angeordnet, und eine kompressive Kraft wird auf die Komponenten und die Dichtung ausgeübt, um eine Abdichtung zu erreichen. Auf die Ausführungsform Bezug nehmend, die in 2 angegeben ist, ist die Mehrschicht-Dichtung 100 aus einem Dichtungskörper 110 zusammengesetzt, der zwischen zwei nachgiebigen Zwischenschichten 120, 130 angeordnet ist. Wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Zwischenschicht" auf eine Schicht der Mehrschicht-Dichtung, die bei Anordnung zur Verwendung zwischen dem Dichtungskörper 110 und einer benachbarten Komponente liegt, wie es in 3 gezeigt ist. Wenn eine erfindungsgemäße Mehrschicht-Dichtung in einer Verbindung zwischen benachbarten Komponenten angeordnet ist, wie es in 3 gezeigt ist, ist somit die Zwischenschicht 120 zwischen dem Dichtungskörper 110 und der Komponente 140 angeordnet, und die Zwischenschicht 130 ist zwischen dem Dichtungskörper 110 und der Komponente 150 angeordnet. Der Dichtungskörper 110 ist ausgebildet, um eine erste und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche 112, 114 zu bilden, die ausgestaltet sind, um den Oberflächen 142, 152 der Komponenten 140 bzw. 150 zu entsprechen. Es ist beabsichtigt, dass der Begriff "entsprechen" angibt, dass die Oberflächen 112, 114 des Dichtungskörpers 110 geformt sind, um im Wesentlichen unabhängig davon zu den Oberflächen 142, 152 der Komponenten 140 bzw. 150 zu passen, ob die Oberflächen 142, 152 eben sind. Zum Beispiel sind in einer Ausführungsform, bei der die Komponentenoberflächen 142 und 152 nicht eben sind, wie es in 4 gezeigt ist, die Oberflächen 212, 214 des Dichtungskörpers 210 geformt, um diesen entlang zumindest eines Teils der Verbindung zu entsprechen. Es ist natürlich ersichtlich, dass die in 4 angegebene Ausführungsform dazu beabsichtigt ist, ein Beispiel einer Verbindung bereitzustellen, in der die Komponentenoberflächen 242, 252 nicht eben sind, aber nicht dazu beabsichtigt ist, die Erfindung auf den gezeigten Oberflächentyp zu beschränken. Es liegt ohne weiteres im Bereich eines Fachmanns, alternative Verbindungsoberflächenausgestaltungen gemäß der Erfindung vorzusehen, herzustellen und zu verwenden. Es ist natürlich ersichtlich, dass die Zwischenschichten 120, 130, 220, 230 zwischen den entsprechenden Oberflächen 112, 114, 212, 214 des Dichtungskörpers 110, 210 und den Oberflächen 142, 152, 242, 252 der Komponenten 140, 150, 240 bzw. 250 liegen. Wenn auf die Komponenten 140, 150, 240, 250 und die Mehrschicht-Dichtung 100, 200 eine kompressive Kraft ausgeübt wird, stellt die Mehrschicht-Dichtung eine effektive Barriere gegen einen Austritt von Gasen durch die Verbindung bereit.
  • Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass es in elektrochemischen Vorrichtungen häufig notwendig ist, diskrete elektrische Schaltkreise aufrechtzuerhalten, von denen bestimmte Komponenten der elektrochemischen Vorrichtung häufig ein integraler Teil sind. In diesem Zusammenhang ist es häufig wichtig, eine nicht-leitende oder isolierende Dichtung zwischen den Komponenten zu verwenden, um elektrische Kurzschlüsse innerhalb der Vorrichtung zu verhindern. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung weist der Dichtungskörper 110, 210 nicht-leitendes Material auf. In anderen Ausführungsformen weist mindestens eine der Zwischenschichten 120, 130, 220, 230 ein nichtleitendes Material auf. In noch anderen Ausführungsformen sind der Dichtungskörper 110, 210 und die Zwischenschichten 120, 130, 220, 230 aus nicht-leitenden Materialien ausgebildet.
  • Der Dichtungskörper weist Glimmer auf. Der Begriff "Glimmer" umfasst eine Gruppe komplexer Aluminosilikat-Mineralien mit einer Schichtstruktur mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen und physikalischen Eigenschaften. Genauer ist Glimmer ein komplexes, wässriges Silikat aus Aluminium, das Kalium, Magnesium, Eisen, Natrium, Fluor und/oder Lithium und außerdem Spuren verschiedener anderer Elemente enthält. Es ist stabil und gegenüber der Wirkung von Wasser, Säuren (mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure und konzentrierter Schwefelsäure), Alkalien, Konventionslösungsmitteln und Ölen vollständig inert und ist durch Atmosphäreneinflüsse im Wesentlichen unbeeinflusst. Stöchiometrisch können gewöhnliche Glimmer wie folgt beschrieben werden: AB2-3(Al,Si)Si3O10(F, OH)2, wobei A = K, Ca, Na oder Ba und manchmal andere Elemente, und wobei B = Al, Li, Fe oder Mg. Auch wenn es eine große Vielzahl von Glimmern gibt, bilden die folgenden sechs Formen den Hauptteil der gewöhnlichen Arten: Biotit (K2(Mg,Fe)2(OH)2(AlSi3)10)), Fuchsit (Eisen-reiches Biotit), Lepidolit (LiKAl2(OH,F)2(Si2O5)2, Muscovit (KAl2(OH)2(AlSi3O10)), Phlogopit (KMg3Al(OH)Si4O10)) und Zinnwaldit (ähnlich zu Lepidolit, aber Eisen-reich). Glimmer ist kommerziell entweder in Papierform oder in einer einkristallinen Form erhältlich, von denen jede Form durch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erfasst wird. Glimmer in Papierform ist typischerweise aus Glimmerspänen bzw. -blättchen und einem Bindemittel zusammengesetzt, wie etwa zum Beispiel einem organischen Bindemittel, wie etwa einem Silikonbindemittel oder einem Epoxid, und kann in verschiedenen Dicken ausgebildet werden, häufig von ungefähr 50 μm bis zu einigen Millimetern. Glimmer in einkristalliner Form wird durch direkte Spaltung von natürlichen Glimmerablagerungen erhalten und ist typischerweise nicht mit Polymeren oder Bindemitteln gemischt.
  • Glimmer sind in der Richtung der Grundebene spaltbar, was es ihnen erlaubt, sich leicht in optisch ebene dünne Schichten aufzuspalten, manchmal so dünn wie 1 μm in der Dicke. Wenn sie in dünnen Schichten aufgespalten werden, bleiben sie sogar bei hohen Temperaturen zäh und elastisch. Viele Formen von Glimmer sind lichtdurchlässig, farblos in dünnen Blättern bzw. Folien, flexibel und im Allgemeinen inkompressibel. In Bezug auf elektrische Eigenschaften weist Glimmer die einzigartige Kombination großer dielektrischer Stärke, gleichförmiger Dielektrizitätskonstante und Kapazitätsstabilität, niedrigem Energieverlust (hohem Q-Faktor), hohem spezifischen elektrischen Widerstand und niedrigem Temperaturkoeffizienten und Kapazität auf. Es ist für seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Bogen- und Koronaentladung ohne permanente Beschädigungen bekannt. In Bezug auf thermische Eigenschaften ist Glimmer brandsicher, nicht schmelzbar, unbrennbar und nicht entzündbar und kann in Abhängigkeit von der Art von Glimmer Temperaturen oberhalb von 600 °C und beträchtlich höher widerstehen. Es hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, exzellente thermische Stabilität und kann ohne erkennbaren Effekt hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Glimmer ist auch relativ weich und kann handgeschnitten, maschinell verarbeitet oder gestanzt werden. Es ist flexibel, elastisch und zäh, weist eine hohe Zugfestigkeit auf und kann einem großen mechanischen Druck senkrecht zu der Ebene widerstehen, aber die Schichtung weist eine Spaltung auf und kann leicht in sehr dünne Blätter aufgespalten werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Muscovit zur Verwendung als der Dichtungskörper ausgewählt. In einer anderen Ausführungsform weist der Dichtungskörper Muscovit in einkristalliner Form auf. In noch einer weiteren Ausführungsform weist der Dichtungskörper Muscovit in Papierform auf. In noch einer anderen Ausführungsform wird Phlogopit zur Verwendung als der Dichtungskörper ausgewählt. In einer ande ren Ausführungsform weist der Dichtungskörper Phlogopit in einkristalliner Form auf. In noch einer weiteren Ausführungsform weist der Dichtungskörper Phlogopit in Papierform auf. In einer anderen Ausführungsform weist der Dichtungskörper einen Glimmer auf, der aus der Gruppe ausgewählt ist, wie aus Biotit, Fuchsit, Lepidolit, Muscovit, Phlogopit und Zinnwaldit besteht. In einer anderen Ausführungsform weist der Dichtungskörper synthetischen Glimmer auf, von dem eine Vielzahl von Formen kommerziell erhältlich sind. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass andere Materialien zur Verwendung gemäß der Erfindung als der Dichtungskörper ausgewählt werden können, wie es für einen Fachmann ersichtlich sein würde. Es liegt ohne weiteres im Bereich eines Fachmanns, einen Glimmer zur Verwendung beim Ausbilden des Dichtungskörpers in Abhängigkeit von der Art elektrochemischer Vorrichtungen, die konstruiert wird, und der Betriebsbedingungen der Vorrichtung auszuwählen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Dichtungskörper eine Dicke von ungefähr 25 μm bis ungefähr 2 mm auf.
  • Wie oben beschrieben ist, enthält die Mehrschicht-Dichtung auch eine nachgiebige Zwischenschicht an jeder gegenüberliegenden Oberfläche des Dichtungskörpers. Wie er hierin verwendet wird, soll der Begriff "nachgiebig" eine Eigenschaft des Materials bezeichnen, wodurch das Material unter Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung unter einer gegebenen kompressiven Kraft einen Grad an plastischer Verformung hat, um Gasaustrittswege durch die Verbindung zu blockieren. Derartige Gasaustrittswege können sich zum Beispiel aus Defekten in den benachbarten Oberflächen der Komponenten oder anderen Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen ergeben, einschließlich Vertiefungen an einer Metallkomponente oder Vertiefungen oder Hohlräumen an einer keramischen Komponente. Materialien, die verwendet werden können, um die nachgiebigen Zwischenschichten in verschiedenen Ausführungsformen zu bilden, umfassen zum Beispiel und ohne Beschränkung ein Glas, eine Glaske ramik, eine Glimmer-Glaskeramik, ein Phasen-separiertes Glas, einen Glasverbundstoff, ein Cermet, ein Metall, eine Metalllegierung und einen Metallverbundstoff. Um eine Mehrschicht-Dichtung gemäß der Erfindung herzustellen, können nachgiebige Zwischenschichten auf eine Vielzahl von Weisen auf den Dichtungskörper aufgebracht werden, wie zum Beispeil und ohne Beschränkung Tauchbeschichtung, Anstreichen, Siebdruck, Abscheidung, Verspritzen, Foliengießen und Sedimentation. Darüber hinaus kann das nachgiebige Zwischenschichtmaterial in einer Vielzahl von Formen vorgesehen sein, einschließlich zum Beispiel als Fasern, Körner, Pulver, Schlämme, flüssige Suspensionen, Pasten, keramische Bänder, metallische Folien und andere.
  • Wie oben angegeben wurde, verformen sich nachgiebige Zwischenschichten unter einer kompressiven Kraft und unter Betriebsbedingungen einer elektrochemischen Vorrichtung, um sich an die Oberflächen, einschließlich Oberflächenunregelmäßigkeiten, benachbarter Komponenten anzupassen und um dadurch eine Barriere gegenüber dem Austritt von Gasen unter Betriebstemperaturen und -bedingungen der elektrochemischen Vorrichtung zu schaffen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Fähigkeit von zumindest einer der Materialgrenzflächen an der Verbindung, wie etwa zum Beispiel einer Komponente/Zwischenschicht-Grenzfläche oder einer Zwischenschicht/Dichtungskörper-Grenzfläche, während des Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung einschließlich Erwärmungs- und/oder Abkühlungs-Zyklen ungebunden zu bleiben. Wie er hierin verwendet wird, soll der Begriff "ungebunden" in Bezug auf solche Materialien an einer Grenzfläche bedeuten, dass sich die an der Grenzfläche in Kontakt befindlichen Komponenten unabhängig voneinander frei bewegen können (d.h. expandieren, kontrahieren oder gleiten). Auf diese Weise bilden die erste Komponente, die erste Zwischenschicht, der Dichtungskörper, die zweite Zwischenschicht und die zweite Komponente während eines Erwärmens und/oder Abkühlens der elektrochemischen Vorrichtung keine starre Masse, wie es zum Beispiel in Vorrichtungen mit Glasdichtungen geschieht, die unter Betriebstemperaturen schmelzen und dann benachbarte Teile bei einem Abkühlen starr miteinander verbinden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist eine Zwischenschicht der Mehrschicht-Dichtung ein nachgiebiges Material auf, wie etwa zum Beispiel ein metallisches Material, das eine Schmelztemperatur hat, die größer als die Betriebstemperatur einer elektrochemischen Vorrichtung ist, in der die Mehrschicht-Dichtung verwendet werden soll. In dieser Ausführungsform schmilzt die Zwischenschicht nicht und verbindet sich unter Betriebsbedingungen auch nicht mit einer Komponente oder dem Dichtungskörper. Der Dichtungskörper weist Glimmer auf, für das durch die vorliegenden Erfinder herausgefunden wurde, dass es zufriedenstellend widerstandsfähig gegenüber einer Verbindung mit Materialien ist, die es während eines Betriebs bei hohen Temperaturen berührt, gleichgültig ob die Zwischenschicht ein Material aufweist, das unter den Betriebstemperaturen schmilzt. In einer Ausführungsform ist der Glimmer ein einkristalliner Glimmer. Obwohl es nicht beabsichtigt ist, dass die vorliegende Erfindung durch irgendeine Theorie beschränkt ist, durch die sie ein vorteilhaftes Ergebnis erreicht, wird angenommen, dass eine Zwischenschicht, die unter Betriebstemperaturen schmilzt, beim Abkühlen an die Oberfläche eines einkristallinen Glimmers binden kann, aber dass es die physikalischen Eigenschaften des Glimmers zulassen, dass sich einige wenige Teilschichten des Glimmerkristalls von dem Dichtungskörper abspalten und auf diese Weise eine ungebundene Grenzfläche aufrechterhalten.
  • In einer Ausführungsform weist die nachgiebige Zwischenschicht Glas auf. Auch wenn eine große Vielzahl von Glaszusammensetzungen verwendet werden kann, wie es für einen Fachmann ersichtlich sein würde, ist es wichtig, dass die zur Verwendung ausgewählte Glaszusammensetzung einen Erweichungspunkt hat, der niedriger oder gleich der Betriebstemperatur der Vorrichtung ist, in der die Dichtung verwendet werden soll. Der Erweichungspunkt oder die Erweichungstemperatur von Glas ist unter ASTM C338 als die Temperatur definiert, bei der sich eine gleichförmige Faser von Glas (0,55 bis 0,75 mm Durchmesser und 23,5 cm Länge) unter ihrem eigenen Gewicht mit 1 mm/min verlängert, wenn die oberen 10 cm mit 5 °C/min erwärmt werden. Für Glas mit einer Dichte von 2,50 g/cm3 entspricht dies einer Viskosität von ungefähr 106,6 Pa·s. Beim Auswählen einer Glaszusammensetzung für die Zwischenschicht ist es auch wünschenswert, eine Glaszusammensetzung auszuwählen, die gegenüber Oberflächen der Komponenten nicht korrosiv ist, die mit der Zwischenschicht unter Betriebsbedingungen in Kontakt kommen, wie etwa zum Beispiel metallische Komponenten, keramische Komponenten und der Dichtungskörper. In einer Ausführungsform ist die zur Verwendung ausgewählt Glaszusammensetzung ein Aluminosilikatglas. In einer anderen Ausführungsform ist die zur Verwendung ausgewählte Glaszusammensetzung ein Borsilikatglas. In einer weiteren Ausführungsform enthält das zur Verwendung ausgewählt Glas ein Erdalkalielement, wie etwa zum Beispiel Strontium, Magnesium und/oder Calcium, oder ein Alkaliadditiv, wie etwa zum Beispiel Natrium, Kalium und/oder Lithium. In anderen Ausführungsformen weist die Zwischenschicht ein Glaskeramikmaterial (d.h. ein Glaskeramikmaterial, wie es in Lahl et al., "Aluminosilicate glass ceramics as sealant in SOFC stacks" in Solid Oxidee Fuel Cells (SOFC VI) Proceedings of the Sixth International Symposium, herausgegeben von S.C. Singhal und M. Dokiya, The Electrochemical Society, Tagungsband 99-19, 1057-1065 (1999)) oder ein Glimmer-Glaskeramikmaterial auf (d.h. ein Glimmer-Glaskeramikmaterial, wie es in Yamamoto et al., "Compatibility of mica glassceramics as gas-sealing materials for SOFC", Denki Kagaku 64 [6] 575-581 (1996)).
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Mehrschicht-Dichtung mindestens eine metallische Zwischenschicht auf. In einer Ausführungsform weist die metallische Zwischenschicht ein Edelmetall auf, wie etwa zum Beispiel Gold, Silber, Palladium oder Platin. In einer andere Ausführungsform weist die metallische Zwischenschicht eine Hochtemperaturlegierung auf. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass andere Metalle verwendet werden können, die gegenüber einer Oxidation unter Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung beständig sind. Metallische Zwischenschichten können in einfacher Weise in der Form einer metallischen Folie bereitgestellt werden, wie etwa einer Folie mit einer Dicke von ungefähr 0,005 mm bis ungefähr 1 mm. In einer anderen Ausführungsform hat die metallische Folie eine Dicke von ungefähr 0,01 mm bis ungefähr 0,5 mm. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Zwischenschicht Silber auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Zwischenschicht eine Silberfolie mit einer Dicke von ungefähr 1 mil (25 μm) bis ungefähr 10 mil (250 μm) auf. In noch einer anderen Ausführungsform weist die Zwischenschicht eine Silberfolie mit einer Dicke von ungefähr 5 mil (12,5 μm) auf. Metallische Schichten, die in verschiedenen Ausführungsformen andere Metalle aufweisen, können ebenfalls in der Form von Folien vorgesehen sein, einschließlich Folien mit Dicken, wie sie oben angegeben sind.
  • Um eine Verbindung zwischen benachbarten Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung abzudichten, ist eine Mehrschicht-Dichtung, wie sie hierin bereitgestellt wird, so zwischen den benachbarten Komponenten angeordnet, dass jede nachgiebige Zwischenschicht zwischen dem Dichtungskörper und einer der Komponenten angeordnet ist. Die Abdichtung wird dann durch Ausüben einer kompressiven Kraft bzw. Druckkraft auf die Komponenten und die Dichtung erreicht, um die Dichtung in Position zu halten und zu bewirken, dass sich die nachgiebigen Zwi schenschichten unter Betriebsbedingungen der Vorrichtung an Oberflächendefekte in den Oberflächen der Komponenten des Dichtungskörpers anpassen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die kompressive Kraft eine Kraft von ungefähr 5 bis ungefähr 500 Pfund pro Quadratinch (psi) (0,0345 MPa bis ungefähr 3,45 MPa). In einer anderen Ausführungsform ist die kompressive Kraft eine Kraft von ungefähr 10 bis ungefähr 400 psi (0,069 MPa bis ungefähr 2,76 MPa). In einer anderen Ausführungsform ist die kompressive Kraft eine Kraft von ungefähr 15 bis ungefähr 300 psi (0,104 MPa bis ungefähr 2,07 MPa).
  • Bei dem Betrieb einer elektrochemischen Vorrichtung, die eine erfindungsgemäße Dichtung enthält, erhöht sich die Temperatur der Dichtung, wenn sich die Temperatur der elektrochemischen Vorrichtung in Richtung auf ihre normale Betriebstemperatur erhöht. In einer Ausführungsform, die eine Glaszwischenschicht aufweist, verformt sich das Glas bei einer Erhöhung der Temperatur über die Erweichungstemperatur des Glases hinaus unter der kompressiven Kraft, um sich an Oberflächenunregelmäßigkeiten anzupassen. Wenn eine metallische Zwischenschicht verwendet wird, tritt dasselbe Phänomen auf, wenn die Betriebstemperatur der elektrochemischen Vorrichtung den Schmelzpunkt des zur Verwendung ausgewählten metallischen Materials überschreitet. Sogar dann, wenn die Betriebstemperatur den Schmelzpunkt des metallischen Materials nicht überschreitet, verformt sich die zur Verwendung ausgewählte metallische Zwischenschicht gemäß der Erfindung unter der kompressiven Kraft, um während des Betriebs der Vorrichtung effektiv eine Barriere gegenüber dem Austritt von Gasen durch die Verbindung zu bilden.
  • Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass eine Vielzahl elektrochemischer Vorrichtungen, wie etwa zum Beispiel und ohne Beschränkung, Festoxid-Brennstoffzellen, Synthesegas-Membranreaktoren und Sauerstoffgeneratoren, eine Vielzahl benachbar ter funktioneller Einheiten haben, um die Effizienz der Vorrichtung zu erhöhen und die Ausgangsleistung der Vorrichtung auf ein nützlicheres Niveau zu erhöhen, gleichgültig ob die Ausgabe der Vorrichtung Elektrizität, Synthesegas, Sauerstoff oder etwas anderes ist. Eine Anordnung einer Vielzahl von Einheiten wird häufig durch Vorsehen gestapelter ebener Einheiten erreicht. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass derartige ebene Einheiten als Grenzen zwischen verschiedenen gasförmigen Strömungen wirken und, wenn sie sich in einer gestapelten Anordnung befinden, eine Vielzahl von Verbindungen zwischen ihnen bilden.
  • Daher ist in einem Aspekt der Erfindung eine elektrochemische Vorrichtung mit einer Vielzahl benachbarter Komponenten vorgesehen, die eine erfindungsgemäße Mehrschicht-Dichtung enthält, die an einer oder mehreren Verbindungen und bevorzugt mehreren Verbindungen angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Vorrichtung an jeder derartigen Verbindung eine erfindungsgemäße Mehrschicht-Dichtung. Nun auf 5 Bezug nehmend, enthält die elektrochemische Vorrichtung 300 mehrere Komponenten, zum Beispiel die Komponenten 340, 350, 360, 370, 380, 390, mit dazwischen angeordneten Mehrschicht-Dichtungen, zum Beispiel Dichtungen 345, 355, 365, 375, 385, 395. Die Vorrichtung 300 enthält auch ein Kompressions- bzw. Druckelement 301, das ausgestaltet ist, um eine kompressive Kraft auf die Komponenten und die Dichtung auszuüben. In einer Ausführungsform, wie sie in 6 gezeigt ist, enthält das Kompressionselement 301 Endplatten 302, 303, und die Vorrichtung 300 wird zwischen den Endplatten 302, 303 komprimiert und in ihrem zusammengebauten Zustand gehalten. In einer Ausführungsform enthält das Kompressionselement 310 eine oder mehrere Metallzugstangen oder -zugelemente. Die Zugstangen können durch Bohrungen verlaufen, die in den Endplatten 302, 303 ausgebildet sind, und haben zugehörige Muttern oder andere Verbindungsmittel, um sie in der Stapelanordnung zu befesti gen. Die Zugstangen können extern sein, d.h. nicht durch die Brennstoffzelleneinheiten verlaufen, oder es können eine oder mehrere interne Zugstangen verwendet werden, die zwischen den Stapelendplatten durch Öffnungen in den Brennstoffzelleneinheiten verlaufen, wie es zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 5,484,666 beschrieben ist. In anderen Ausführungsformen enthält das Kompressionselement 301 Federn, hydraulische oder pneumatische Kolben, Druckleisten oder andere elastische kompressive Mittel, um mit Zugstangen und Endplatten zusammen zu wirken oder als Alternativen zu Zugstangen, um die zwei Endplatten in Richtung aufeinander zu drücken, um die Brennstoffzellenstapelkomponenten zusammen zu drücken. Es ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung durch die Art von Kompressionselement beschränkt ist, das zur Ausübung der kompressiven Kraft ausgewählt ist, und eine Vielzahl geeigneter Mechanismen befinden sich ohne weiteres im Bereich eines Fachmanns. Weitere Beispiele werden in den US-Patenten mit den Nummern 4,478,917 und 5,176,966 geliefert.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die elektrochemische Vorrichtung eine Festoxid-Brennstoffzellen- ("SOFC"-) Anordnung zum elektrochemischen Reagieren eines Brennstoffgases mit einem strömenden Oxidationsmittelgas bei einer erhöhten Temperatur, um eine Gleichstrom-Ausgangsspannung zu erzeugen. Die SOFC enthält eine Vielzahl im Wesentlichen ebener integraler Brennstoffzelleneinheiten. Unter Bezugnahme auf zum Beispiel 5 ist in einer SOFC-Stapelanordnung jede Komponente 340, 350, 360, 370, 380, 390 eine integrale Brennstoffzelleneinheit, die eine Schicht eines keramischen, ionenleitenden Elektrolyten aufweist, die zwischen einer leitenden Anodenschicht und einer leitenden Kathodenschicht angeordnet ist. Die Einheiten sind aufeinander entlang einer Längsachse (Y) senkrecht zu den ebenen Einheiten angeordnet, um einen Brennstoffzellen-Stapel zu bilden. Mehrschicht-Dichtungen 345, 355, 365, 375, 385, 395 sind zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht benachbarter Brennstoffzelleneinheiten angeordnet, wobei optional eine Verbindungseinrichtung (nicht gezeigt) ebenfalls in Kontakt mit der Anoden- und/oder Kathodenschicht angeordnet ist. Die SOFC enthält auch eine Kompressionselement 301, das ausgestaltet ist, um eine kompressive Kraft bzw. Druckkraft entlang der Längsachse auszuüben.
  • Wie für einen Fachmann angesichts der vorliegenden Beschreibung ersichtlich ist, ist in einer Form der vorliegenden Erfindung eine Mehrschicht-Dichtung zur Abdichtung einer Verbindung zwischen benachbarten Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung vorgesehen. Die Mehrschicht-Dichtung enthält einen Dichtungskörper, der erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen definiert, wobei der Dichtungskörper aus einem einzigen Blatt Glimmer besteht, eine erste nachgiebige Zwischenschicht, die benachbart zu der ersten Oberfläche angeordnet ist, und eine zweite nachgiebige Zwischenschicht, die benachbart zu der zweiten Oberfläche angeordnet ist. In einer Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Oberflächen des Dichtungskörper ausgestaltet, um Verbindungsoberflächen der benachbarten Komponenten der elektrochemischen Vorrichtung zu entsprechen. In einer anderen Ausführungsform ist jede der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten angeordnet, um zwischen dem Dichtungskörper und den Verbindungsoberflächen von einer der benachbarten Komponenten angeordnet zu sein. In noch einer weiteren Ausführungsform weist der Dichtungskörper einen einkristallinen Glimmer auf. Der Glimmer kann zum Beispiel Muscovit, Phlogopit, Biotit, Fuchsit, Lepidolit oder Zinnwaldit sein. In noch einer anderen Ausführungsform weist die mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten ein Element auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Glas, einer Glaskeramik, einer Glimmer-Glaskeramik, einem phasenseparierten Glas, einem Glasverbundstoff, einem Cermet, einem Metall, einer Metalllegierung und einem Metallverbundstoff besteht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten Glas auf. In einer anderen Ausführungsform hat das Glas einen Erweichungspunkt, der niedriger oder gleich der Betriebstemperatur der elektrochemischen Vorrichtung ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten ein Metall auf. In einer anderen Ausführungsform ist das Metall aus der Gruppe ausgewählt, die aus Gold, Silber, Palladium und Platin besteht. In noch einer anderen Ausführungsform ist mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten eine metallische Folie mit einer Dicke von ungefähr 0,005 mm bis ungefähr 1 mm. In noch einer anderen Ausführungsform ist mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten eine metallische Folie mit einer Dicke von ungefähr 0,01 mm bis ungefähr 0,5 mm.
  • In einer anderen Form der Erfindung wird eine elektrochemische Vorrichtung bereitgestellt, die eine Vielzahl von Komponenten enthält, wobei die Komponenten mindestens eine Grenze zwischen verschiedenen gasförmigen Strömungen bilden und mindestens eine Verbindung zwischen den Komponenten definieren. Eine Mehrschicht-Dichtung ist an der Verbindung angeordnet, wobei die Dichtung aus einem zwischen zwei nachgiebigen Zwischenschichten angeordneten Dichtungskörper zusammengesetzt ist. Mit der auf diese Weise angeordneten Dichtung ist jede nachgiebige Zwischenschicht zwischen dem Dichtungskörper und einer der Komponenten angeordnet. Die elektrochemische Vorrichtung enthält auch ein Kompressionselement zum Ausüben einer kompressiven Kraft auf die Komponenten und die Dichtung.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die Dichtung eine nicht-leitende Dichtung. Der Dichtungskörper weist Glimmer auf. In einer Ausführungsform hat der Dichtungskörper der Mehrschicht-Dichtung eine Dicke von ungefähr 25 μm bis ungefähr 2 mm. In noch einer anderen Ausführungsform weist minde stens eine der nachgiebigen Zwischenschichten Glas auf. In bestimmten Ausführungsformen hat das Glas einen Erweichungspunkt, der niedriger oder gleich den Betriebstemperaturen der Vorrichtung ist. Das Glas ist bevorzugt ein Glas, das unter Betriebsbedingungen nicht korrosiv gegenüber Oberflächen der Komponenten ist, die mit dem Glas in Kontakt sind. In einer Ausführungsform ist die zur Verwendung ausgewählt Glaszusammensetzung ein Aluminosilikatglas. In einer anderen Ausführungsform ist die zur Verwendung ausgewählte Glaszusammensetzung ein Borsilikatglas. In einer anderen Ausführungsform enthält das zur Verwendung ausgewählte Glas ein Erdalkalielement wie etwa zum Beispiel Strontium, Magnesium und/oder Calcium, oder ein Alkaliadditiv, wie etwa zum Beispiel Natrium, Kalium und/oder Lithium. In noch einer anderen Ausführungsform hat jede der Glaszwischenschichten vor der Erwärmung eine Dicke von ungefähr 0,005 mm bis ungefähr 5 mm. In noch einer anderen Ausführungsform hat die Glaszwischenschicht vor dem Erwärmen eine Dicke von ungefähr 0,05 mm bis ungefähr 0,5 mm.
  • In einer anderen Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung weist mindestens eine der nachgiebigen Schichten ein Metall auf. Das zur Verwendung ausgewählte Metall ist bevorzugt gegenüber einer Oxidation unter Betriebsbedingungen der Vorrichtung beständig. In einer Ausführungsform ist das Metall aus der Gruppe ausgewählt, die aus Gold, Silber, Palladium und Platin besteht. In einer anderen Ausführungsform ist die nachgiebige Zwischenschicht eine metallische Folie mit einer Dicke vor dem Erwärmen von ungefähr 0,005 mm bis ungefähr 1 mm.
  • Eine andere Form der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschicht-Dichtung, das (1) das Bereitstellen eines Dichtungskörpers, der aus einem einzigen Blatt Glimmer besteht und erste und zweite im Wesentlichen ebene gegenüberliegende Oberflächen definiert, und (2) das Aufbringen eines nachgiebigen Materials auf die ersten und zweiten Oberflächen, um erste und zweite nachgiebige Zwischenschichten zu bilden. In bestimmten Ausführungsformen weist der Dichtungskörper Glimmer auf und/oder mindestens eine der nachgiebigen Zwischenschichten weist ein Element auf, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Glas, einer Glaskeramik, einer Glimmer-Glaskeramik, einem phasenseparierten Glas, einem Glasverbundstoff, einem Cermet, einem Metall, einer Metalllegierung und einem Metallverbundstoff besteht. Das nachgiebige Material kann auf die ersten und zweiten Oberflächen des Dichtungskörpers zum Beispiel durch Tauchbeschichtung, Bestreichen, Siebdrucken, Abscheidung, Spritzen, Foliengießen oder Sedimentation aufgebracht werden.
  • In einer anderen Form der Erfindung wird ein Verfahren zum Abdichten einer Verbindung zwischen benachbarten keramischen oder metallischen Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung bereitgestellt, das (1) das Anordnen einer Mehrschicht-Dichtung, die aus einem zwischen einer ersten nachgiebigen Zwischenschicht und einer zweiten nachgiebigen Zwischenschicht angeordneten Dichtungskörper zusammengesetzt ist, wobei jede der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten zwischen dem Dichtungskörper und einer der Komponenten angeordnet ist, zwischen den benachbarten Komponenten und (2) das Ausüben einer kompressiven Kraft auf die Komponenten und die Dichtung umfasst. In einer Ausführungsform ist die kompressive Kraft eine Kraft von ungefähr 5 bis ungefähr 500 psi (0,0345 MPa bis ungefähr 3,45 MPa).
  • In einer anderen Form der Erfindung wird eine Festoxid-Brennstoffzellen-Anordnung zum elektrochemischen Reagieren eines Brennstoffgases mit einem strömenden Oxidationsmittelgas bei einer erhöhten Temperatur zur Erzeugung einer Gleichstrom-Ausgangsspannung bereitgestellt, die Festoxid-Brennstoffzelle. Die SOFC-Anordnung enthält eine Vielzahl im Wesentlichen ebener integraler Brennstoffzelleneinheiten, wobei jede Einheit eine Schicht eines keramischen, ionenleitenden Elektrolyten aufweist, der zwischen einer leitenden Anodenschicht und einer leitenden Kathodenschicht angeordnet ist, und die Einheiten aufeinander entlang einer Längsachse senkrecht zu den ebenen Einheiten angeordnet sind, um einen Brennstoffzellen-Stapel zu bilden. Die Anordnung enthält auch eine mehrschichtige, nicht-leitende Dichtung, die zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht benachbarter Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist. Die Dichtung ist aus einem zwischen zwei nachgiebigen Zwischenschichten angeordneten Dichtungskörper zusammengesetzt. Die Anordnung enthält auch ein Kompressionselement zur Ausübung einer kompressiven Kraft entlang der Längsachse.
  • In einer Ausführungsform ist die kompressive Kraft eine Kraft von ungefähr 5 bis ungefähr 500 psi (0,0345 MPa bis ungefähr 3,45 MPa).
  • Nun wird auf spezielle Beispiele Bezug genommen, die verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, wie sie oben beschrieben ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beispiele geliefert werden, um bevorzugte Ausführungsformen zu veranschaulichen, und dass dadurch keine Beschränkung des Bereichs der Erfindung beabsichtigt ist.
  • BEISPIEL 1
  • DICHTIGKEITSPRÜFUNG
  • VERGLEICHSDATEN
  • 1. Einfache Glimmerdichtung (kompressive Glimmerdichtungen)
  • In dieser Untersuchung wurden drei Glimmer verwendet: Muscovit- (KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2) Papier, ein gespaltenes, einkristallines Muscovitblatt und Phlogopit- (KMg3(AlSi3O10)(OH)2) Papier. Alle drei Glimmer sind ungefähr 0,1 mm dick. Der Muscovitglimmer verliert bei ungefähr 600 °C ungefähr 4 % che misches Wasser. Phlogopitglimmer ist bei hohen Temperaturen stabiler und verliert sein chemisches Wasser bei ungefähr 950 °C. Die Glimmer vom Papiertyp sind aus diskreten, großen Glimmerspänen bzw. blättchen zusammengesetzt, die mit organischen Bindemitteln verbunden und in dünne Blätter gepresst sind. 7 zeigt die typische Oberflächenmorphologie des Phlogopitglimmerpapiers. Es ist klar, dass es große Hohlräume (nicht überlappte Bereiche) gibt und die Oberfläche relativ rau ist. Das Muscovitglimmerpapier zeigt ebenfalls ähnliche Oberflächenmerkmale. Auf der anderen Seite sind die gespaltenen, einkristallinen Muscovitglimmerblätter im Anlieferungszustand lichtdurchlässig und haben viel glattere Oberflächen, obwohl einige Kratzer vorhanden sind (8). Nach einer Behandlung bei 800 °C verlor der Einkristall chemisches Wasser, was mehr Defekte der Oberfläche zur Folge hatte (9). Er ist auch in viele parallele Teilschichten (10) aufgespalten. Energiedispersive Spektrometrie (EDS, 11) zeigte, dass der Muscovit-Einkristall zusätzlich zu den Hauptbestandteilen (K, Al und Si) auch kleine Mengen Na, Fe und Ti enthielt.
  • Glimmerproben 410 wurden in Quadrate von 1½ Inch (38,1 mm) mit einem zentralen Loch von einem ½ Inch (12,7 mm) Durchmesser geschnitten. Dann wurden die Glimmerquadrate 410 zwischen ein Inconelrohr 420 (Außendurchmesser = 1,3 Inch (33,02 mm) und Innendurchmesser = 1,0 Inch (25,4 mm)) und einem dichten Aluminiumoxidsubstrat 430 gepresst. Die Proben wurden in einem Zweischalenofen 440 mit einer Erwärmungsrate von ungefähr 2 °C/min auf 800 °C erwärmt. Die Last wurde unter Verwendung einer universellen mechanischen Prüfeinrichtung 450 mit einer konstanten Laststeuerung (Modell 5581, Instron, Chanton, MA) ausgeübt. Der experimentelle Aufbau ist schematisch in 12 gezeigt. Ein großes Reservoir 460 bekannten Volumens (370 cm3) wurde bei Umgebungsbedingungen gehalten und über ein 1/8 Inch (3,18 mm) Kupferrohr 462 mit der Probe verbunden.
  • Durch Aufbauen eines Vakuums in dem System über die Vakuumpumpe 464 (anfänglich so niedrig wie ungefähr 100 mTorr (13,3 Pa)) wurde die Austrittsrate unter Verwendung. eines Drucksensors 466 durch Überwachen der Druckänderung mit der Zeit gemessen. Der Enddruck war ungefähr 2 Torr. Daher konnte der Druckgradient über die Glimmerdichtung als im Wesentlichen konstant bei 14,7 psi (0,101 MPa) angesehen werden. Unter Annahme des idealen Gasgesetzes wurde die Austrittsrate (L) durch die folgende Gleichung berechnet: L = Δn/Δt = (nf – ni)/(tf – ti) = (pf – pi)V/RT(tf – ti),wobei n das Mol des Gases ist, T die Temperatur ist, V das Reservoirvolumen ist, R die Gaskonstante ist, t die Zeit ist und p der Druck ist. Die tiefgestellten Indizes f und i repräsentieren den End- und Anfangszustand. Die berechnete Austrittsrate (L in Standardkubikzentimetern pro Minute bei STP, sccm) wurde ferner durch die folgende Gleichung in Bezug auf die äußere Austrittslänge (10,5 cm) des Inconelrohrs und auf einen Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) normalisiert: L = L × 2/(10,5 × 14,7) (= L × 0,0138/(10,5 × 0,101)).
  • Somit ist die Einheit für die Austrittsrate Standardkubikzentimeter pro Minute pro Zentimeter ("sccm/cm") bei STP und mit einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa).
  • Vor jedem Durchlauf wurde auch die Austrittsrate des Hintergrunds (oder des Systems ohne Testproben) gemessen und von den tatsächlichen Testdurchläufen abgezogen. Um eine konstante Temperatur zu gewährleisten, wurden alle Dichtigkeitsprüfungen ungefähr ½ Stunde nach Erreichen der erwünschten Temperaturen (800 °C) durchgeführt.
  • Daten, die für die Vergleichstestdurchläufe mit einer einfachen Glimmerdichtung gesammelt wurden, sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben.
  • Tabelle I. Normalisierte Austrittsrate (sccm/cm) für einfache kompressive Glimmerdichtungen bei 800 °C.
    Figure 00360001
  • 2. Starre Glasdichtung
  • Zum Vergleich wurde auch ein Test einer nur Glas aufweisenden Dichtung unter Verwendung desselben Aufbaus, wie er oben beschrieben wurde, unter Verwendung einer einzigen Schicht von Glas ohne die Glimmerfolie durchgeführt. Es ist erwähnenswert, dass unabhängig von der Form des Glases vor dem Test das Glas bei allen in dem Test verwendeten Temperaturen erweichte und sich dann wieder verfestigte, wenn sich die Vorrichtung nach dem Testen abkühlte, um eine starre Glasdichtung zu bilden. Für eine starre Glasdichtung wurde herausgefunden, dass die Austrittsrate unter Verwendung des gegenwärtigen Testaufbaus ungefähr 5 × 10–5 sccm/cm bei 800 °C bei einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa) war. Idealerweise sollte die Austrittsrate für eine hermetische Dichtung Null sein, wenn das Glas die in Kontakt befindlichen Oberflächen benetzt. In der Realität waren die tatsächlichen niedrigen Austrittsraten durch den Hintergrund des Systems begrenzt, da Ventile und Rohrverbindungen in dem Aufbau vorhanden waren.
  • 3. Diskussion von Vergleichsdaten
  • In Bezug auf die kompressiven Glimmerdichtungen berichteten Simner et al. eine Austrittsrate von 0,65 sccm/cm bei denselben Bedingungen und einer Druckspannung von 100 psi (0,69 MPa) unter Verwendung des einkristallinen Muscovit-Blatts (ungefähr 0,1 mm dick). (S.P. Simner und J.W. Stevenson, "Compressive mica seals for SOFC applications", J. Power Sources, 102 [1-2] 310-316 (2001)). Es ist angemessen zu fragen, warum das anscheinend flexible, dünne Glimmerblatt eine Austrittsrate ermöglichte, die ungefähr 104 mal höher als die einer Glasdichtung war (das einkristalline Muscovit-Blatt im Anlieferungszustand wird bei einer Erwärmung auf 800 °C flexibel (und brüchig), obwohl es im Anlieferungszustand relativ steif ist). Wenn man einen komprimierten Glimmer zwischen dem Inconelrohr und dem Aluminiumoxidsubstrat betrachtet, kann man sich vorstellen, dass es zwei mögliche Wege für Austritte bzw. Undichtigkeiten gibt. Einer ist die Grenzfläche zwischen dem Metallrohr (oder dem keramischen Substrat) und dem Glimmer. Der andere ist durch den Glimmer selbst, da er sich nach dem Verlust seines chemisch gebundenen Wassers bei erhöhten Temperaturen (Simner et al.) in viele Teilschichten aufspaltet. Wenn man die Oberflächen der Kontaktmaterialien (dichtes Aluminiumoxid als das Stützsubstrat und das Inconelrohr als der Druckkolben, 13A und 13B) betrachtet, war ersichtlich, dass viele Defekte vorhanden waren, einschließlich langer Vertiefungen an dem Metall und unregelmäßiger Vertiefungen (Hohlräume) an dem keramischen Substrat. Daher erscheint es wahrscheinlich, dass die Hauptundichtigkeiten für die kompressive Glimmerdichtung durch diese Grenzflächen auftraten.
  • BEISPIEL 2
  • DICHTIGKEITSPRÜFUNG
  • GLIMMER-DICHTUNGSKÖRPER MIT GLASZWISCHENSCHICHTEN
  • Es wurde dasselbe Protokoll wie in Beispiel 1 verwendet, aber die Glimmerdichtungen wurden durch Mehrschicht-Dichtungen ersetzt, in denen Glaszwischenschichten 412, 414 zwischen den Inconelrohren 420/Glimmer 416- und Glimmer 416/Aluminiumoxid 430-Grenzflächen angeordnet waren, wie es in 14 gezeigt ist. Für die Glaszwischenschichten wurde ein Borsilikatglas-Filterpapier verwendet. Das Borsilikatglas enthält ungefähr 58 % SiO2, ungefähr 9 % B2O3, ungefähr 11 % Na2O, ungefähr 6 % Al2O3, ungefähr 4 % BaO und ZnO, CaO und K2O. Die Ergebnisse der Mehrschicht-Dichtung sind in der nachstehenden Tabelle II angegeben.
  • Tabelle II. Normalisierte Austrittsrate (sccm/cm) für die Mehrschicht-Dichtungen (Glaszwischenschichten) bei 800 °C.
    Figure 00380001
  • Es ist zu sehen, dass die besten Ergebnisse unter Verwendung von einkristallinem Muscovitglimmer erhalten wurden. Die normalisierte Austrittsrate für diese Dichtung bei 800 °C war nur 1,55 × 10–4 sccm/cm bei einer Spannung von 100 psi und ei nem Druckgradienten von 2 psi, was eine Austrittsrate ist, die ungefähr 4300 mal niedriger als die Austrittsrate einer einfachen Glimmerdichtung bei dieser Temperatur ist. Auf den anderen kommerziellen Glimmern (Muscovit- und Phlogopitglimmerpapiere) basierende Dichtungen zeigten ebenfalls überlegene Austrittsraten (ungefähr 0,011 sccm/cm) im Vergleich zu einfachen Glimmerdichtungen ohne die nachgiebige Glaszwischenschicht (ungefähr 6 bis ungefähr 9 sccm/cm).
  • Es zeigte sich, dass die Mehrschicht-Dichtungen mit Glaszwischenschichten in Anbetracht der niedrigen Austrittsraten, die oben berichtet wurden, eine exzellente Abdichtfunktion für elektrochemischen Vorrichtungen zeigen. Für einen 60-Zellen-(14 cm × 14 cm aktive Fläche pro Zelle) Stapel, der 0,5 W/cm2 oder 5,9 kW Gesamt-Bruttoleistung auf dampfreformiertem Methan (Dampf-Kohlenstoff-Molverhältnis von 3,0) bei 65 % Brennstoffnutzung, 20 % Sauerstoffnutzung erzeugt, wird die gesamte Strömungsgeschwindigkeit des reformierten Gases, die in die Anode eintritt, auf ungefähr 1,36 × 105 sccm (STP) geschätzt. Unter der Annahme, dass die Austrittsrate (pro cm Dichtungslänge), die in dieser Studie gemessen wurde, auf Stapel voller Größe Anwendung findet, würde die Gesamt-Austrittsrate für einen 60-Zellen-Stapel bei 800 °C nur 0,0019 % der Gesamt-Brennstoffrate für die Mehrschicht-Dichtung sein, die einen einkristallinen Muscovitglimmer-Dichtungskörper und Glaszwischenschichten unter einer Spannung von 25 psi (0,173 MPa) und einem 2 psi (0,0138 MPa) Druckgradienten enthält (für jede Schicht wurde eine Austrittslänge von 124 cm angenommen).
  • BEISPIEL 3
  • MATERIALBESCHÄDIGUNGSANALYSE
  • GLIMMER-DICHTUNGSKÖRPER MIT GLASZWISCHENSCHICHTEN
  • Die Mikrostruktur des Glimmers wurde vor und nach den Dichtigkeitsprüfungen bei 800 °C unter Verwendung von Rasterelek tronenmikroskopie untersucht, um zu bewerten, ob die Verwendung eines niedrigschmelzenden Glases als die Dichtungszwischenschicht, insbesondere unter den Druckspannungen, die Materialien beschädigen können, mit dem es sich in Kontakt befindet (z.B. Metall, Keramik und der Glimmer selbst). Obwohl Langzeit-Stabilitätstests laufen, zeigten vorläufige Ergebnisse keine wesentliche Korrosion oder kein wesentliches Schmelzen der in Kontakt befindlichen Materialien. Die Korrosion an der Glas/Metall-Grenzfläche war auf eine Tiefe von wenigen μm beschränkt. Dies kann eine Folge des Umstands sein, dass der Hauptteil des Glases bei erhöhten Temperaturen unter den Druckspannungen aus dem Zwischenraum zwischen den Komponenten herausgequetscht wurde. Wenn nur eine dünne Glaszwischenschicht zurückgelassen wird, würde wahrscheinlich nur eine begrenzte Korrosion oder ein begrenztes Schmelzen stattfinden. Wie für den Glimmer selbst könnte eine Schädigung aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Glimmer (einem Aluminosilikat) und dem Borsilikatglas erwartet werden, aber es wurde keine wesentlichen Schädigung beobachtet. Der Glimmer blieb mit Ausnahme einiger weniger Oberflächenteilschichten intakt, die an das Metallrohr und das Keramiksubstrat banden, wenn die Testproben nach dem Testen auseinandergebaut wurden.
  • BEISPIEL 4
  • EFFEKTE DER DRUCKSPANNUNG AUF DIE AUSTRITTSRATE
  • GLIMMER-DICHTUNGSKÖRPER MIT GLASZWISCHENSCHICHTEN UND VERGLEICHSDATEN
  • Die Austrittsraten bei 800 °C für die drei Glimmer mit und ohne Glaszwischenschichten und bei verschiedenen Druckspannungen sind in der nachstehenden Tabelle III zusammengefasst.
  • Tabelle III. Normalisierte Austrittsrate (sccm/cm) für die Mehrschicht-Dichtungen und einfache kompressive Glimmerdichtungen bei 800 °C.
    Figure 00410001
  • Die Ergebnisse sind auch als eine Funktion der Druckspannungen für ein einkristallines Muscovitglimmerblatt (15), Muscovitglimmerpapier (16) und Phlogopit-Glimmerpapier (17) aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Austrittsraten für Mehrschicht-Dichtungen im Vergleich mit einfachen kompressiven Glimmerdichtungen stark verringert waren. Zum Beispiel zeigte der einkristalline Muscovitglimmer eine äußerst geringe Austrittsrate von 1,55 × 10–4 sccm/cm bei 800 °C und einer Druckspannung von 100 psi (0,69 MPa). Für den einfachen einkristallinen Muscovitglimmer, d.h. ohne die Glaszwischenschichten, waren die Austrittsraten bei denselben Testbedingungen 0,66 sccm/cm, ungefähr 4300 mal höher. Ähnliche Verhalten wurden für die Muscovit- und Phlogopitglimmer vom Papiertyp (diskrete, mit organischen Bindemitteln gebundene Glimmerspäne bzw. -blättchen) beobachtet. Zum Beispiel waren die Austrittsraten für die Mehrschicht-Dichtung, die einen Muscovit-Papier-Dichtungskörper und Glaszwischenschichten enthielt, 0,0126 sccm/cm, ungefähr 460 mal niedriger als das ein fache Muscovitglimmerpapier (5,77 sccm/cm) bei 800 °C und einer Spannung von 100 psi (0,69 MPa). Die Austrittsraten für die Mehrschicht-Dichtung, die einen Phlogopitglimmerpapier-Dichtungskörper und Glaszwischenschichten enthielt, waren 0,0108 sccm/cm, ungefähr 820 mal niedriger als die des einfachen Phlogopitglimmerpapiers (8,85 scmm/cm). Die Ergebnisse zeigen klar, dass die Hauptundichtigkeiten an den Inconelrohr/Glimmer- und Glimmer/Keramiksubstrat-Grenzflächen auftraten.
  • Es ist erwähnenswert, dass der Effekt des Erhöhens der ausgeübten Druckspannung für die Mehrschicht-Dichtungen viel geringer als für die einfachen Glimmerdichtungen war. Dies ist insbesondere für die Papiertypglimmer ersichtlich. Zum Beispiel verringerte sich die Austrittsrate für Phogopitglimmerpapier um ungefähr 81 % (von 8,85 sccm/cm auf 1,68 sccm/cm), wenn sich die Druckspannung ungefähr 400 % von 100 psi auf 500 psi (0,69 MPa auf 3,45 MPa) erhöhte. Für die Mehrschicht-Form verringerte sich die Austrittsrate nur um ungefähr 10 % (von 0,0108 sccm/cm auf 0,0098 sccm/cm) für eine 300 % Erhöhung in der Spannung von 100 psi auf 400 psi (0,69 MPa auf 2,76 MPa). Ähnliche Ergebnisse waren auch für das Muscovitglimmerpapier ersichtlich. Es wurde kein wesentlicher Unterschied zwischen dem Phlogopitglimmerpapier und dem Muscovitglimmerpapier beobachtet, obwohl das erstere bei hohen Temperaturen stabiler als das letztere ist. Die Ergebnisse sind mit vorher berichteten Daten konsistent. Simner et al. berichteten eine ähnliche Verringerung für ein dickeres Phlogopitpapier (0,5 mm) bei der Verwendung von hochreinem Helium bei einem positiven Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa). In dieser Studie fiel die Austrittsrate um ungefähr 85 % von 6,26 sccm/cm auf 0,97 sccm/cm, wenn sich die ausgeübte Spannung von 100 psi auf 500 psi erhöhte (0,69 MPa auf 3,45 MPa) (Simner et al.).
  • In dem Fall des einkristallinen Muscovitglimmers gab es eine starke Abhängigkeit von der ausgeübten Druckspannung für sowohl die Mehrschicht-Dichtungen als auch für einfachen Glimmerdichtungen. Jedoch betrug der Spannungsbereich für die Mehrschicht-Dichtung mit einkristallinem Glimmer nur von 25 psi bis 100 psi (0,173 MPa bis 0,69 MPa) (bei höheren Spannungen lagen die Austrittsraten bei dem Hintergrund des Systems, so dass keine Tests durchgeführt wurden). Es wird erwartet, dass die Mehrschicht-Dichtung mit einkristallinem Glimmer auch eine geringere Abhängigkeit von der Spannung bei höheren kompressiven Lasten zeigen würde, da die Teilschichten (nach dem Verlust chemischen Wassers bei erhöhten Temperaturen 10) dichter miteinander überlappen. Der Umstand, dass die Mehrschicht-Dichtungen weniger abhängig von den Druckspannungen waren, ist mit dem Umstand konsistent, dass die Hauptundichtigkeiten an den Grenzflächen zwischen dem Glimmer und dem Metallrohr oder der Grenzfläche zwischen dem Glimmer und dem Keramiksubstrat auftraten. Das als die Zwischenschicht verwendete Glas ist ein Borsilikatglas, das bei ungefähr 600 °C schmilzt und daher Oberflächendefekte, wie etwa lange Vertiefungen oder Hohlräume, füllen und abdichten kann.
  • Insgesamt ist es klar, dass die einkristallinen Muscovitglimmer gegenüber Glimmerpapieren in Mehrschicht-Dichtungen eine überlegene Leistung zeigen. Zum Beispiel war die Austrittsrate für eine Muscovit-Mehrschicht-Dichtung nur 3,59 × 10–4 sccm/cm bei einer niedrigen Druckspannung von 25 psi (0,173 MPa). Auf Basis einer mikrostrukturellen Untersuchung dieser Materialien beruht dies wahrscheinlich auf der Tatsache, dass die Papiertyp-Glimmer aus diskreten Glimmerspänen/plättchen zusammengesetzt sind, so dass die Austrittswege dreidimensional sind, während die einkristallinen Glimmer gewöhnlich nur zweidimensionale Austrittswege haben (durch die Spaltebenen). Auch wenn die einkristallinen Glimmerfolien nach dem Verlust chemischen Wassers bei erhöhten Temperaturen eini ge Defekte bildeten, waren diese Defekte (Mikrorisse) in ihrer Größe im Vergleich zu den verbundenen Hohlräumen klein, die in den Glimmerpapieren überwogen.
  • BEISPIEL 5
  • UNDICHTIGKEITSPRÜFUNG
  • GLIMMER-DICHTUNGSKÖRPER MIT METALLISCHEN ZWISCHENSCHICHTEN
  • Das in Beispiel 2 angegebene Protokoll wurde unter Verwendung einer Mehrschicht-Dichtung wiederholt, die aus einem Glimmer-Dichtungskörper und zwei nachgiebigen metallischen Zwischenschichten zusammengesetzt war. Das metallische Material, das als die nachgiebigen Schichten in diesen Tests verwendet wurde, war Silber in der Form einer dünnen Folie.
  • Die Ergebnisse der Prüfung von Mehrschicht-Dichtungen mit metallischen Zwischenschichten sind nachfolgend in Tabelle IV angegeben, die auch Daten für die einfachen kompressiven Glimmerdichtungen und Mehrschicht-Dichtungen mit Glaszwischenschichten enthält, wie sie in Tabelle III angegeben sind.
  • Tabelle IV. Normalisierte Austrittsraten (sccm/cm) für die einfachen Glimmerdichtungen und die Mehrschicht-Dichtungen bei 800 °C.
    Figure 00450001
  • Es ist zu sehen, dass die Austrittsraten im Vergleich zu den einfachen kompressiven Glimmerdichtungen auch für die Mehrschicht-Dichtungen mit metallischen Zwischenschichten stark verringert sind. Es ist auch zu sehen, dass die besten Ergebnisse wieder unter Verwendung von einkristallinem Muscovitglimmer erhalten wurden. Die normalisierte Austrittsrate für die Mehrschicht-Dichtung mit 5 mil (25 μm) Silberzwischenschichten bei 800 °C betrug nur 8,9 × 10–4 sccm/cm bei einer Spannung von 100 psi (0,69 MPa) und einem Druckgradienten von 2 psi (0,0138 MPa), was eine Austrittsrate ist, die ungefähr 740 mal geringer als die Austrittsrate einer einfachen Glimmerdichtung bei dieser Temperatur ist. Auf anderen kommerziellen Glimmern (Muscovit- und Phlogopitglimmerpapieren) basierende Dichtungen zeigten ebenfalls überlegene Austrittsraten (ungefähr 9,5 × 10–2 sccm/cm) im Vergleich zu einfachen Glim merdichtungen ohne die nachgiebige metallische Zwischenschicht (ungefähr 6 bis ungefähr 9 sccm/cm).
  • Es hat sich auch gezeigt, dass die Mehrschicht-Dichtungen mit metallischen Zwischenschichten in Anbetracht der oben berichteten niedrigen Austrittsraten eine exzellente Dichtungsfunktion für elektrochemische Vorrichtungen zeigen. Für einen 60-Zellen- (14 cm × 14 cm aktiver Fläche pro Zelle) Stapel, der 0,5 W/cm2 oder 5,9 kW Gesamt-Bruttoleistung auf dampfreformiertem Methan (Dampf-Kohlenstoff-Molverhältnis von 3,0) bei 65 % Brennstoffnutzung, 20 % Sauerstoffnutzung erzeugt, wird die gesamte Strömungsrate reformierten Gases, die in. die Anode eintritt, auf 1,36 × 105 sccm/cm (STP) geschätzt. Unter der Annahme, dass die Austrittsrate (pro cm Dichtungslänge), die in dieser Studie gemessen wurde, auf Stapel voller Größe Anwendung findet, würde die gesamte Austrittsrate für einen 60-Zellen-Stapel bei 800 °C nur 0,026 % der gesamten Brennstoffrate für die Mehrschicht-Dichtung sein, die einen einkristallinen Muscovitglimmer-Dichtungskörper und metallische Zwischenschichten unter einer Spannung von 25 psi (0,173 MPa) und einem 2 psi (0,0138 MPa) Druckgradienten enthält (für jede Schicht wurde eine Austrittslänge von 124 cm angenommen).
  • BEISPIEL 6
  • EFFEKTE DER DRUCKSPANNUNG AUF DIE AUSTRITTSRATE
  • GLIMMER-DICHTUNGSKÖRPER MIT METALLISCHEN ZWISCHENSCHICHTEN UND VEGLEICHSDATEN
  • Für die drei Glimmer wurden Austrittsraten auch bei verschiedenen kompressiven Drücken bestimmt, und die Ergebnisse sind oben in Tabelle IV zusammengefasst. Tabelle IV enthält Daten der Mehrschicht-Dichtungen (mit Glaszwischenschichten und metallischen Zwischenschichten) und der einfachen kompressiven Glimmerdichtungen. Die Ergebnisse sind ebenfalls als eine Funktion der Druckspannungen für einkristalline Muscovit glimmerblätter (18), Muscovitglimmerpapier (19) und Phlogopitglimmerpapier (20) aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass die Austrittsraten für die Mehrschicht-Dichtungen mit metallischen Zwischenschichten im Vergleich zu den einfachen kompressiven Glimmerdichtungen stark verringert waren.
  • Der Effekt des Erhöhens der ausgeübten Druckspannung war auch für die Mehrschicht-Dichtungen mit metallischen Zwischenschichten sehr viel schwächer als für die einfachen Glimmerdichtungen. Dies ist insbesondere für die Papiertypglimmer klar. Zum Beispiel verringerte sich die Austrittsrate für Phlogopitglimmerpapier um ungefähr 81 % (von 8,85 sccm/cm auf 1,68 sccm/cm), wenn sich die Druckspannung um 400 % von 100 psi auf 500 psi (0,69 MPa auf 3,45 MPa) erhöhte (Tabelle I). Für die Mehrschicht-Form verringerte sich die Austrittsrate für dieselbe Erhöhung in der Spannung nur um ungefähr 62 % (von 9,8 × 10–2 sccm/cm auf 3,7 × 10–2 sccm/cm. Ähnliche Ergebnisse waren auch für das Muscovitglimmerpapier ersichtlich. Zwischen dem Phlogopitglimmerpapier und dem Muscovitglimmerpapier wurde kein wesentlicher Unterschied beobachtet, obwohl das Erstere bei höheren Temperaturen stabiler als das Letztere ist. Diese Ergebnisse sind auch mit früher berichteten Daten konsistent.
  • BEISPIEL 7
  • EFFEKT DER DICKE DER METALLISCHEN ZWISCHENSCHICHT AUF DIE AUSTRITTSRATE
  • 21 zeigt die Austrittsraten bei 800 °C der Mehrschicht-Dichtung unter Verwendung von einkristallinem Muscovitglimmer und Silberzwischenschichten von zwei Dicken: 1 mil (25 μm) und 5 mil (125 μm). Es ist ersichtlich, dass die dickeren Silberzwischenschichten niedrigere Austrittsraten haben. Zum Beispiel waren die Austrittsraten bei einer Druckspannung von 100 psi (0,69 MPa) unter Verwendung der 5 mil (125 μm) Ag-Schichten 8,9 × 10–4 sccm/cm und waren 3,0 × 10–3 sccm/cm unter Verwendung von 1 mil (25 μm) Ag.
  • Die Dickenänderung entlang der Abschnitte des gepressten Rings (1,3 Inch (33,01 mm) Außendurchmesser und 1,0 Inch (25,4 mm) Innendurchmesser) wurde mit einem digitalen Mikrometer entlang der 12 Stunden-Positionen gemessen. Es hat sich herausgestellt, dass ein Aluminiumoxidsubstrat in der Dicke gleichförmiger ist (mit einer maximalen Dicke von 514 μm und einer minimalen Dicke von 507 μm), während der einkristalline Muscovitglimmer im Anlieferungszustand in der Dicke mehr variierte (mit einer maximalen Dicke von 122 μm und einer minimalen Dicke von 107 μm). In Anbetracht der Fluktuation von 7 μm an der Aluminiumoxidsubstratoberfläche und der Fluktuation von 15 μm in der Glimmeroberfläche würde der Zwischenraum zwischen den Oberflächen im schlimmsten Fall 7 + 15 = 22 μm sein. Eine Bestimmung der Oberflächenvariation wurde für die Inconelrohroberfläche nicht durchgeführt.
  • Der Unterschied in 21 beruht wahrscheinlich auf der Dickenvariation verwendeter Proben, die nicht perfekt eben sind (d.h. nicht dieselbe Dicke über den gepressten Ringabschnitt). Die Verwendung einer dickeren Silberfolie scheint bei der Raum/Defekt-Füllung für die in diesem Test verwendeten Komponenten effektiver zu sein. Es ist jedoch auch erwähnenswert, dass dünnere (1 mil) Silberzwischenschichten für die meisten Anwendungen geeignete Abdichtungen liefern und weniger teuer sind.
  • BEISPIEL 8
  • GLASZWISCHENSCHICHTTEST MIT MEHREREN GESTAPELTEN KOMPONENTEN, DIE MEHRSCHICHT-DICHTUNGEN DAZWISCHEN AUFWEISEN
  • Es wurde auch eine simulierte Mehrkomponentenanordnung geprüft. In diesem Test wurden sechs Mehrschicht-Dichtungen mit Dichtungskörpern aus einkristallinem Muscovitglimmer und Borsilikatglaszwischenschichten verwendet. Fünf Schichten aus Metallfolie (SS 430 mit einer nominellen Foliendicke von 0,010 Inch) wurden zwischen den Mehrschicht-Dichtungen angeordnet, wie es in 22 gezeigt ist. Es wurde ein 8-Zyklus-Durchlauf durchgeführt, bei dem die Temperatur der Vorrichtung zwischen 100 °C und 800 °C unter einer Druckspannung von 100 psi (0,69 MPa) zyklisch geändert wurde. Die Ergebnisse dieser Dichtigkeitsprüfung sind nachfolgend in Tabelle V angegeben. Für jeden Zyklus wurden mehrere Messungen durchgeführt, wie es in Tabelle V gezeigt ist.
  • Tabelle V. Gesamte und normalisierte Austrittsraten einer Anordnung mit sechs Mehrschicht-Dichtungen nach Temperaturwechselbeanspruchung von 100 °C bis 800 °C in Luft bei einer konstanten Spannung von 100 psi (0,69 MPa).
    Figure 00500001
  • Es ist ersichtlich, dass die Mehrschicht-Dichtung eine sehr gute Stabilität unter thermischer Wechselbeanspruchung zeigte. Auch optische Mikroskopie bestätigte, dass kein Schmelzen von Glimmer beobachtet wurde, und die einzelnen Schichten (SS430 und Glimmerschichten) wurden nach dem Test leicht getrennt.
  • Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben worden ist, sind diese als veranschaulichend und nicht von beschränkendem Charakter zu betrachten, wobei darauf hinzuweisen ist, dass nur ausgewählte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen, Äquivalente und Modifikationen, die in den durch die folgenden Ansprüche definierten Bereich der Erfindung kommen, geschützt werden sollen. Jegliche Experimente, experimentellen Beispiele oder experimentellen Ergebnisse, die hierin geliefert werden, sollen für die vorliegende Erfindung veranschaulichend sein und sollten in Bezug auf den Erfindungsbereich nicht als beschränkend oder begrenzend betrachtet werden. Ferner soll jede Theorie, jeder Mechanismus des Betriebs oder jede Erkenntnis, die hierin angegeben ist, das Verständnis der vorliegenden Erfindung weiter verbessern und ist nicht dazu beabsichtigt, die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise auf eine solche Theorie, einen solchen Mechanismus oder eine solche Erkenntnis zu beschränken.

Claims (49)

  1. Elektrochemische Vorrichtung, welche aufweist: eine Vielzahl von Komponenten, wobei die Komponenten zumindest eine Grenze zwischen verschiedenen Gasströmungen bilden und zumindest eine Verbindung dort dazwischen festlegen; eine Mehrschicht-Abdichtung, die an der Verbindung angeordnet ist, wobei die Abdichtung aus einem Dichtungskörper besteht, welcher Glimmer aufweist und zwischen zwei nachgiebigen Zwischenschichten angeordnet ist, wobei jede nachgiebigen Zwischenschicht zwischen dem Dichtungskörper und einer der Komponenten angeordnet ist; und einen Pressteil zum Ausüben einer Druckkraft auf die Komponenten und die Abdichtung.
  2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abdichtung eine nicht leitende Abdichtung ist.
  3. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eines aus Dichtungskörper/Zwischenschicht-Schnittstelle oder Komponente/Zwischenschicht-Schnittstelle während des Betriebes der Elektrochemischen Vorrichtung unverbunden ist.
  4. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der nachgiebigen Zwischenschichten Glas aufweist.
  5. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Glas einen Erweichungspunkt hat, der geringer oder gleich der Betriebstemperatur der Vorrichtung ist.
  6. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Glas unter Betriebsbedingungen nicht korrosiv gegenüber den Oberflächen der Komponenten ist, die mit dem Glas in Kontakt stehen.
  7. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Glas ein Erdalkali-Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Strontium, Magnesium und Calcium oder ein Alkaliadditiv, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Natrium, Kalium und Lithium.
  8. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Glas ein Borsilikatglas aufweist.
  9. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Glaszwischenschicht vor dem erhitzen eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 5 Millimeter aufweist.
  10. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der nachgiebigen Zwischenschichten ein Metall aufweist.
  11. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Metall unter Betriebsbedingungen der Vorrichtung oxidationsbeständig ist.
  12. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei dass Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Palladium und Platin.
  13. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die nachgiebige Zwischenschicht eine metallische Folie ist, die vor dem Erhitzen eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  14. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Druckkraft eine Kraft von 5 bis 500 psi (0,0345 MPa bist 3,45 MPa) ist.
  15. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungskörper eine Dicke von 25 Mikrometer bis 2 Millimeter aufweist.
  16. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der nachgiebigen Zwischenschichten vor dem Erhitzen eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  17. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrochemische Vorrichtung einen Teil aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Festoxid-Brennstoffzelle, einem Synthesegas-Membranreaktor und einem Sauerstofferzeuger.
  18. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Dichtungskörper Glimmerpapier aufweist.
  19. Mehrschicht-Abdichtung um eine Verbindung zwischen angrenzenden Bauteilen einer elektrochemischen Vorrichtung abzudichten, wobei die Abdichtung aufweist: einen Dichtungskörper, welcher erste und zweite gegenüberliegende Oberflächen festlegt, wobei der Dichtungskörper aus einem einzelnne Blatt Glimmer besteht; eine erste nachgiebige Zwischenschicht die neben der ersten Oberfläche angeordnet ist; und eine zweite nachgiebige Zwischenschicht die neben der zweiten Oberfläche angeordnet ist.
  20. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei die gegenüberliegenden Oberflächen des Dichtungskörpers ausgebildet sind, um Verbindungsflächen angrenzender Komponenten zu entsprechen.
  21. Abdichtung nach Anspruch 20, wobei jede der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten positioniert ist, um zwischen dem Dichtungskörper und der Anschlussoberfläche von einer der angrenzenden Komponenten angeordnet zu sein.
  22. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei der Dichtungskörper aus einem einzelnen Blatt kristallinen Glimmers besteht.
  23. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei der Dichtungskörper Glimmer aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Muskovit, Phlogopit, Biotit, Fuchsit, Lepidolith und Zinnwaldit.
  24. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei zumindest einer der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten einen Teil aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Glas, einer Glaskeramik, einer Glimmer-Glaskeramik, einem Phasengetrennten Glas, einem Glasverbund, einem Cermet, einem Metall, einer Metalllegierung und einem Metallverbund.
  25. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei zumindest einer der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten Glas aufweist.
  26. Abdichtung nach Anspruch 25, wobei das Glas einen Erweichungspunkt hat, der geringer als die oder gleich der Betriebstemperatur der elektrochemischen Vorrichtung ist.
  27. Abdichtung nach Anspruch 25, wobei das Glas ein Erdalkali-Element enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Strontium, Magnesium und Calcium oder ein Alkaliadditiv, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Natrium, Kalium und Lithium.
  28. Abdichtung nach Ansprach 25, wobei das Glas ein Borsilikatglas aufweist.
  29. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei zumindest eine der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten ein Metall aufweist.
  30. Abdichtung nach Anspruch 29, wobei das Metall unter Betriebsbedingungen der elektrochemischen Vorrichtung oxidationsbeständig ist.
  31. Abdichtung nach Anspruch 29, wobei dass Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Palladium und Platin.
  32. Abdichtung nach Anspruch 29, wobei zumindest eine der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten eine metallische Folie ist, die eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  33. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei der Dichtungskörper eine Dicke von 25 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweist.
  34. Abdichtung nach Anspruch 19, wobei jede der nachgiebigen Zwischenschichten eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  35. Verfahren zum Herstellen einer Mehrschicht-Abdichtung, welches aufweist: Vorsehen eines Dichtungskörpers, der aus einem einzelnen Blatt Glimmer besteht und festlegen erster und zweiter im Allgemeinen flacher gegenerberliegender Seiten; und Aufbringen eines nachgiebigen Materials auf die ersten und zweiten Seiten um erste und zweite nachgiebige Schichten zu bilden.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Dichtungskörper aus einem einzelnen Blatt einkristallinen Glimmers besteht.
  37. Verfahren nach Anspruch 35, wobei zumindest einer der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten einen Teil aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Glas, einer Glaskeramik, einer Glimmer-Glaskeramik, einem Phasengetrennten Glas, einem Glasverbund, einem Cermet, einem Metall, einer Metalllegierung und einem Metallverbund.
  38. Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Dichtungskörper eine Dicke von 25 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweist.
  39. Verfahren nach Anspruch 35, wobei jede der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  40. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Aufbringen ein Mitglied aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchbeschichtung, Bemalung, Siebdrucken, Ablagerung, Aufspritzen, Foliengießen und Sedimentation.
  41. Verfahren zum Abdichten einer Verbindung zwischen angrenzenden keramischen oder metallischen Komponenten einer elektrochemischen Vorrichtung, welches aufweist: Positionieren einer Mehrschicht-Abdichtung zwischen den angrenzenden Komponenten, die aus einem Dichtungskörper besteht, welcher Glimmer aufweist, und zwischen einer ersten nachgiebigen Zwischenschicht und einer zweiten nachgiebigen Zwischenschicht angeordnet ist, wobei jede der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten zwischen dem Dichtungskörper und einer der Komponenten positioniert ist; und Aufbringen einer Druckkraft auf die Komponenten und die Abdichtung.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Dichtungskörper einen Teil aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem einkristallinen Glimmer und einem Glimmerpapier.
  43. Verfahren nach Anspruch 41, wobei zumindest einer der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten einen Teil aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas und Metall.
  44. Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Druckkraft eine Kraft von 5 bis 500 psi (0,0345 MPa bis 3,45 MPa) ist.
  45. Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Dichtungskörper eine Dicke von 25 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweist
  46. Verfahren nach Anspruch 41, wobei jeder der ersten und zweiten nachgiebigen Zwischenschichten eine Dicke von 0,005 Millimeter bis 1 Millimeter aufweist.
  47. Festoxid-Brennstoffzellen-Baugruppe um ein Brenngas mit einem fließenden Oxidationsgas bei einer erhöhten Temperatur zu reagieren, um eine Gleichstrom-Ausgangsspannung zu erzeugen, wobei die Festoxid-Brennstoffzelle aufweist: eine Vielzahl im allgemeinen ebener, einteiliger Brennstoffellen-Einheiten, wobei jede Einheit eine Schicht eines keramischen, Ionenleitenden Elektrolyten aufweist, der zwischen einer leitfähigen Anodenschicht und einer leitfähigen Kathodenschicht angeordnet ist, wobei die Einheiten eine auf der anderen entlang einer Längsachse angeordnet sind, welche Normal auf die besagten flachen Einheiten ist, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden; eine nicht leitende Mehrschicht-Abdichtung, die zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht nebeneinander liegender Brennstoffzellen-Einheiten angeordnet ist, wobei die Abdichtung aus einem Dichtungskörper besteht, der Glimmer aufweist, und zwischen zwei nachgiebigen Zwischenschichten angeordnet ist; und ein Pressteil um eine Druckkraft entlang der Längsachse auszuüben.
  48. Baugruppe nach Anspruch 47, wobei die Druckkraft eine Kraft von 5 bis 500 psi (0,0345 MPa bist 3,45 MPa) ist.
  49. Baugruppe nach Anspruch 47, wobei die Anodenschicht aus einem ersten porösen Keramikmaterial besteht und die Kathodenschicht aus einem zweiten porösen Keramikmaterial besteht
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