DE60317424T2

DE60317424T2 - Kapillardichtung für eine Brennkammer

Info

Publication number: DE60317424T2
Application number: DE60317424T
Authority: DE
Inventors: Alan R. Salem Arthur
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-09-16
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP3990662B2; TWI247866B; DE60317424D1; EP1398568A2; US7604240B2; EP1398568B1; US20040053103A1; EP1398568A3; TW200408786A; KR20040024843A; CA2438512A1; JP2004111392A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hitzetolerante Kapillardichtung. Insbesondere liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Implementieren einer Kapillardichtung für eine Brennkammer.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im letzten Jahrhundert nahm und nimmt die Nachfrage nach Energie infolge technischer Weiterentwicklungen exponentiell zu. Mit der wachsenden Nachfrage nach Energie wurden viele verschiedene Energiequellen erforscht und entwickelt. Eine der wichtigsten Energiequellen war und ist weiterhin die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Jedoch ist die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen üblicherweise eine unvollständige Verbrennung, die beide nicht-brennbaren Stoffe freisetzt, die in unterschiedlichem Maße zu Smog und anderen Schadstoffen beitragen.
Infolge der durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugten Schadstoffe nahm in den letzten Jahren der Wunsch nach saubereren Energiequellen zu. Mit zunehmendem Interesse an saubereren Energiequellen wurden alternative Energiequellen wie zum Beispiel Brennstoffzellen immer beliebter und ausgereifter. Forschung und Entwicklung bei diesen alternativen Energiequellen wurde so weit betrieben, dass Viele nun spekulieren, dass sie bezüglich eines Erzeugens von großen Mengen an Elektrizität für Städte bald mit der Gasturbine, bezüglich eines Betreibens von Automobilen mit dem Verbrennungsmotor, und mit Batterien, die eine Vielzahl großer und kleiner elektronischer Vorrichtungen betreiben, konkurrieren werden.
In vielen Fällen arbeiten diese alternativen Energiequellen dadurch, dass sie eine elektrochemische Reaktion durchführen, die Elektrizität und Wärme erzeugt. Manche dieser alternativen Energiequellen sind in der Lage, Leistung in kommerziellem Umfang zu liefern. Jedoch erfordern alternative Energiequellen, die kommerziell arbeiten, häufig hohe Betriebstemperaturen, und sie sind häufig in großen, ortsfesten Kraftwerken untergebracht. Temperaturbereiche erreichen bei derartigen ortsfesten kommerziellen Einheiten oft bis zu 1.000 Grad°C.
Auf Grund der hohen Temperaturen, mit denen gearbeitet wird, sind diese Energieerzeugungseinheiten gewöhnlich in einer Brennkammer untergebracht, um die enormen Temperaturen, die erzeugt oder zum Betrieb benötigt werden, einzuschließen. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument und in den angehängten Patentansprüchen bezieht sich der Begriff „Brennkammer" auf jegliche Einschlussvorrichtung oder -struktur, die dazu verwendet wird, die Leistungserzeugungskomponenten einer Energiequelle zu beherbergen.
Einer der wichtigsten Nachteile eines Hochtemperatursystems besteht darin, dass hohe Betriebstemperaturen einen speziellen, abgedichteten Auslass zwischen dem Raum innerhalb und außerhalb der Brennkammer erfordern, um die erzeugte Leistung aus der Brennkammer heraus zu befördern. Ein Bilden der Dichtung an dem Auslass zu der Brennkammer ist traditionell mit dem Versuch verbunden, hitzebeständige Materialien für die Dichtung und die Brennkammer zu finden, die sehr nahe beieinander liegende Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE – coefficients of thermal expansion) aufweisen. Dies ermöglicht, dass die Brennkammer und die Dichtung unter beliebigen gegebenen Umständen eine aufeinander abgestimmte Ausdehnung aufweisen, und somit verringert dies die Beanspruchung der Dichtung, die während eines Betriebs bei hohen Temperaturen entsteht.
In vielen Fällen ist es schwierig, den CTE der nicht-leitfähigen Dichtungselemente auf den CTE der üblicherweise leitfähigen Brennkammer abzustimmen. Ein Versuch, eine nahezu identische Übereinstimmung der CTEs zu erhalten, kann die Liste von Materialien, die für jede Anwendung zur Verfügung stehen, zu stark einschränken. Wenn Materialien mit ähnlichen CTEs gefunden werden können, sind die Materialien häufig zu teuer, oder sie weisen trotz der übereinstimmenden CTEs vielleicht andere unerwünschte Charakteristika auf.
Ein besonders gutes Beispiel einer alternativen Hochtemperatur-Energiequelle, die einen abgedichteten Auslass zu einer Brennkammer verwendete, ist eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC – solid oxide fuel cell). Die in der Brennkammer einer SOFC benötigte Temperatur erreicht üblicherweise 600°C oder mehr. Bei derartigen hohen Temperaturen besteht ein Bedarf an einem speziellen Auslass, um den Leistungsleiter von der Brennstoffzelle zu beherbergen und dabei gleichzeitig das Entweichen der Reaktanten in der Brennstoffzelle zu verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem von vielen möglichen Ausführungsbeispielen liefert die vorliegende Erfindung eine hitzetolerante Kapillardichtung für eine Brennkammer, die einen Durchgang in einem Auslass der Brennkammer und ein Adhäsionsmaterial in einem Zwischenraum zwischen dem Durchgang und dem Inneren des Auslasses umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und sind ein Bestandteil der Spezifikation. Zusammen mit der folgen den Beschreibung demonstrieren und erläutern die Zeichnungen die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die veranschaulichten Ausführungsbeispiele sind Beispiele der vorliegenden Erfindung und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung dar.
1 ist eine weggeschnittene Ansicht einer Brennstoffzellenbrennkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Durchgangs für eine Kapillardichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine weggeschnittene Ansicht einer Kapillardichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des in 1 veranschaulichten Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
In allen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche, aber nicht unbedingt identische Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
Veranschaulichende Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich für Brennstoffzellenanwendungen. Deshalb sind die enthaltenen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit einer Brennstoffzelle beschrieben. Wie Fachleuten einleuchten wird, kann die vorliegende Erfindung jedoch auch bei einer großen Vielzahl von Hochtemperaturanwendungen implementiert werden, bei denen eine Dichtung zwischen einer Hochtemperaturbetriebsumgebung und einer kühleren Außenumgebung benötigt wird.
Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument und in den beigefügten Patentansprüchen ist eine „Kapillardichtung" als die Trennung zweier oder mehrerer Umgebungen oder Kammern, die üblicherweise unterschiedliche Drücke aufweisen, unter Verwendung der Benetzungs- und Oberflächenspannungseigenschaften einer Flüssigkeit, um eine Dichtung zwischen den Umgebungen, die sich andernfalls ausgleichen würden, herzustellen, definiert. Eine derartige Dichtung ist beispielsweise aus der DE 1227295 B bekannt. Im Fall einer Brennstoffzelle verhindert eine Kapillardichtung, dass die Gase und die Hitze, die für die Leistungserzeugungsreaktion notwendig sind bzw. ist, aus dem Inneren einer gegebenen Reaktionskammer entweichen bzw. entweicht.
Die Brennstoffzellenanwendungen der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), Alkalibrennstoffzellen (AFC – alkali fuel cells), Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC – phosphoric acid fuel cells) und Carbonatschmelzen-Brennstoffzellen (MCFC – molten carbonate fuel cells). Die vorliegende Erfindung ist besonders auf eine SOFC anwendbar. Somit wird hierin das Beispiel einer SOFC verwendet, um einige von vielen möglichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besser zu beschreiben. Als Vorbereitung auf eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird ein Überblick über eine standardmäßige SOFC geliefert.
Eine SOFC verwendet einen harten keramischen Elektrolyten und arbeitet üblicherweise bei Temperaturen bis zu etwa 1.000 Grad C (etwa 1.800 Grad F). Der Elektrolyt ist ein einer Spezialbehandlung unterzogenes nicht-poröses Material hoher Dichte, das lediglich negativ geladene Ionen leitet.
Üblicherweise wird ein Gemisch aus Zirkoniumoxid und Yttriumoxid verwendet, um ein Kristallgitter zu bilden, das zu dem nicht-porösen Elektrolyten hoher Dichte wird. Andere Oxidkombinationen wurden ebenfalls bereits als Elektrolyte verwendet. Der Festelektrolyt ist auf beiden Seiten mit speziellen porösen Elektrodenmaterialien beschichtet. Die speziellen porösen Materialien fungieren als Katalysator, um eine Energieerzeugungsreaktion zwischen Sauerstoff und verschiedenen Brennstoffen zu ermöglichen.
Der Elektrolyt ist in eine Anode der Brennstoffzelle integriert. Die Anode ist der Negativposten der Brennstoffzelle. Bei einer hohen Betriebstemperatur migrieren Sauerstoffionen (mit einer negativen Ladung) durch das Kristallgitter. Wenn ein Brennstoff, der Wasserstoff enthält (üblicherweise Propan oder Butan) über die Anode gelangt, bewegt sich ein Fluss von negativ geladenen Sauerstoffionen über den Elektrolyten hinweg, um den Brennstoff zu oxidieren. Wenn Brennstoffmoleküle oxidiert werden, werden Elektronen befreit, die durch die Anode als ein Strom geleitet werden, der bei einer äußeren Schaltung verwendet werden kann. Um am effektivsten zu arbeiten, muss die Anode in der Lage sein, das Brennstoffgas so gleichmäßig wie möglich über die Oberfläche des Katalysators zu verteilen.
Der Sauerstoff wird, üblicherweise aus Luft, an der Kathode bereitgestellt. Die Kathode ist der Positivposten der Brennstoffzelle und ist desgleichen dahin gehend entworfen, Sauerstoff (üblicherweise Luft) gleichmäßig auf die Oberfläche eines Katalysators zu verteilen.
Elektronen, die an der Anode erzeugt werden, wandern durch eine äußere Last zu der Kathode, wobei sie den Stromkreis schließen und unterwegs elektrische Leistung liefern. Die Leistungserzeugungseffizienz von SOFCs kann bei bis zu etwa 60 Prozent liegen.
Bei einer Konfiguration besteht die SOFC aus einem Array von Röhren. Eine andere Variation umfasst einen herkömmlicheren Stapel von Platten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1, ist eine Veranschaulichung eines SOFC-Reaktors (10) gezeigt. Der Reaktor (10) umfasst eine Brennkammer (100) und ist in einer solchen untergebracht. Wie zuvor erwähnt wurde, ist die Brennkammer (100) vorzugsweise dahin gehend entworfen, Gase und andere reaktive Elemente, die seitens der SOFC zum Erzeugen von Leistung verwendet werden, einzuschließen. Die Brennkammer (100) einer SOFC wird üblicherweise unter Verwendung von Metall oder keramischen Materialien gebaut, die von Temperaturen zwischen 400 und 1.000 C nicht beeinflusst werden.
Eine Dichtung (110) wird zwischen dem Inneren der Brennkammer (100) und der äußeren Umgebung benötigt. Die Dichtung (110) zwischen dem Inneren der Brennkammer (100) und der äußeren Umgebung enthält mehrere Elemente. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument und in den beigefügten Patentansprüchen bezieht sich der Begriff „Auslass" (111) auf die Öffnung durch die Wand der Brennkammer (100), in der die Dichtungselemente angeordnet sind. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Dichtung" (110) auf die Kombination von Elementen, die eine Grenzfläche zwischen dem Inneren der Brennkammer (100) und dem Raum außerhalb derselben bilden, wobei verhindert wird, dass Hitze und Reaktanten, die sich in der Brennkammer (100) befinden, durch den Auslass (111) entweichen.
Die SOFC umfasst vorzugsweise eine Anzahl von Platten oder Röhren, die in der Brennkammer (100) befindlich sind und in denen die Leistungserzeugungsreaktion der Brennstoffzelle erfolgt. In vielen Fällen sind die SOFC-Platten gestapelt und bilden dabei ein Brennstoffzellenarray oder einen Bennstoffzellenstapel (101). Die Brennstoffzellen sind in einem Stapel (101) angeordnet, um die Brennstoffzellenreaktanten problemlos zu verteilen und die Ausgabe jeder Brennstoffzelle zu sammeln. Ein elektrischer Bus (102) ist vorzugs weise an oder nahe dem SOFC-Stapel (101) angeordnet, was ermöglicht, dass die in den einzelnen Platten oder Röhren des Brennstoffzellenstapels (101) erzeugte Leistung aufgefangen wird. Die Ausgabe aus jeder Platte oder Röhre in der Brennstoffzelle ist mit dem elektrischen Bus (102) verbunden. Die in dem Stapel (101) erzeugte Leistung wird dann aus der Brennkammer (100) heraus transferiert, vorzugsweise auf einem Einzelleiter (104), der mit dem elektrischen Bus (102) verbunden ist.
Der Leiter (104) kann ein beliebiges leitfähiges Material sein, das ermöglicht, dass der durch den Brennstoffzellenstapel (101) erzeugte Strom durch die Dichtung (110) hindurch aus der Brennkammer (100) heraus transferiert wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist dieser Leiter (104) einfach ein Draht oder ein Kabel und wird hiernach dementsprechend als „Draht" bezeichnet. Wie oben angegeben wurde, ist der Draht (104) mit dem elektrischen Bus (102) verbunden und ist vorzugsweise ausreichend, um die gesamte durch den Brennstoffzellenstapel (101) erzeugte Leistung zu führen. Der Draht (104) verläuft von dem SOFC-Stapel (101) durch die Dichtung (110) hindurch bis zu dem Raum außerhalb der Brennkammer (100). Außerhalb der SOFC (10) kann der Draht (104) mit einer Last, z. B. einer Vorrichtung, die elektrische Leistung benötigt, verbunden sein. Der Draht (104) liefert somit Leistung von der Brennstoffzelle (10) zu dieser Last.
Der Draht (104) verläuft mittels eines nicht-leitfähigen Durchgangs (105), der ein Bestandteil der Dichtung (110) ist, zwischen dem Inneren der Dichtung (110) und dem Raum außerhalb derselben. Der Durchgang (105) wird vorzugsweise unter Verwendung eines nicht-leitfähigen Materials gebaut, um zu verhindern, dass der Draht (100) mit dem Material der Brennkammer (100) oder des SOFC-Stapels (101), das üblicherweise leitfähig ist, einen Kurzschluss erzeugt. Der Durchgang (105) kann aus einem beliebigen hitzetoleranten, nicht-leitfähigen Material hergestellt sein, ist jedoch vorzugsweise ein keramisches Material, das in der Lage ist, den hohen Temperaturen der Brennkammer (100) und des Leistungsübertragungsdrahtes standzuhalten.
Der Durchgang (105) weist einen Anschlags- oder Rückhaltevorsprung (107) auf, der dahin gehend fungiert, den Durchgang (105) in dem Auslass (111) der Brennkammer (100) zu positionieren. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Auslass (111) vorzugsweise eine ringförmige Rille (112) an der Außenseite der Brennkammer (100), um den Rückhaltevorsprung (107) aufzunehmen. Der Rückhaltevorsprung kann ein separates Element sein, das in Kombination mit dem Durchgang (105) verwendet wird, oder sie kann als fester Bestandteil des Durchgangs (105) gebildet sein. Der Rückhaltevorsprung (107) wird vorzugsweise mit einer Rückhaltekappe (105a) in der Rille (112) gehalten. Der Rückhaltevorsprung (107) kann auch den Durchgang (105) während des Ausdehnungs- und Zusammenziehungsprozesses der Elemente des SOFC-Reaktors (10) sichern, während sich der SOFC-Stapel (101) erhitzt und abkühlt.
Die Wand der Brennkammer (100) und der Durchgang (105) sind vorzugsweise so bemessen, dass zwischen den beiden in dem Auslass (111) ein Zwischenraum vorliegt. Der Zwischenraum ermöglicht vorzugsweise, dass sich Elemente, die sich in der Dichtung (110) befinden, gemäß dem CTE jedes einzelnen ausdehnen, ohne eine mechanische Beanspruchung oder eine übermäßige Größe des Zwischenraums zu bewirken.
Der Zwischenraum ist mit einem ausdehnungsfähigen Adhäsionsmaterial (103) gefüllt. Das Adhäsionsmaterial (103) kann ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, das bzw. die dazu verwendet werden kann, den Zwischenraum zwischen der Brennkammer (100) und dem Durchgang (105) flüssig abzudichten, während die Temperatur in dem SOFC-Reaktor (10) steigt. Das Adhäsionsmaterial (103) wird dazu verwendet, eine Kapillardichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, aufrechtzuerhalten. Ein bevorzugtes Adhäsionsmaterial (103) ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Lötmetall.
Lötmetall (103) ist allgemein ein nicht-eisenhaltiges Füllmetall oder eine nicht-eisenhaltige Füllmetalllegierung, das bzw. die dazu verwendet wird, zwei benetzbare (oder Lötmetall-kompatible) Basismaterialien zu verbinden, von denen jedes üblicherweise einen Schmelzpunkt aufweist, der über dem des Lötmetalls (103) liegt. Derartige Materialien können Zinn, Blei und verschiedene Edelmetalle sowie Legierungen derselben umfassen, sind aber nicht auf diese beschränkt. Das Lötmetall (103) weist einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als die Betriebstemperatur des SOFC-Stapels (101) oder als die erwartete Temperatur der Brennkammer (100), einen hohen Dampfdruck auf, und es ist nicht-oxidierend.
Während die Temperatur in der Brennkammer (100) steigt, wird der mit Lötmetall (103) eines niedrigen Schmelzpunkts gefüllte Zwischenraum erhitzt, wodurch das Lötmetall (103) zum Schmelzen gebracht wird, wobei es zwischen der Wand der Brennkammer (100) und dem Durchgang (105) eine flüssige Kapillardichtung bildet. Die Schmelztemperatur des Lötmetalls (103) ermöglicht, dass die flüssige Kapillardichtung nachgibt, während die Elemente in der Dichtung auf Grund von Temperaturveränderungen in dem SOFC-Reaktor (10) einer umfassenden Ausdehnung oder Zusammenziehung unterworfen werden. Die Lötmetalldichtung (103) ermöglicht, dass die bei der Brennkammer (100) und der Dichtung (110) verwendeten Materialien Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die nicht identisch aufeinander abgestimmt sind. Dies ermöglicht eine wesentlich größere Auswahl bei den verwendeten Materialien und verbessert die Dichtungsfunktionalität.
Die durch das Lötmetall (103) gebildete Kapillardichtung ermöglicht, dass die variierenden Drücke zwischen dem Inneren der Brennkammer (100) und dem Raum außerhalb derselben aufrechterhalten werden, indem sie den Zwischenraum um den Durchgang (105) herum abdichtet. Die Kapillardichtung kann bei Niederdruckanwendungen äußerst nützlich sein, ohne die Dichtungsfunktionalität zu beeinträchtigen.
Falls der Differenzdruck zwischen dem Inneren der Brennkammer (100) und dem Raum außerhalb derselben zu stark ansteigt, ist es wahrscheinlich, dass das Lötmetall (103) verdrängt wird und die Dichtung (110) beeinträchtigt oder freigegeben wird.
Es kann trotzdem wichtig sein, für die Brennkammer (100) und den Durchgang (105) Materialien zu wählen, die einen im Wesentlichen ähnlichen CTE aufweisen. Falls die Differenz zwischen den CTEs der Brennkammer (100) und des Durchgangs (105) zu extrem ist, ist die Lötmetalldichtung eventuell nicht ausreichend, um die gewünschte Dichtung aufrechtzuerhalten. Die Ausdehnung, die sich aus dem Betriebsbeginn der SOFC ergibt, kann zu einer übermäßig großen Zwischenraumgröße führen, was zu einem Bruch des Lötmetalls (103) führt.
Die Brennkammer (100) und der Durchgang (105) weisen vorzugsweise stark benetzbare Oberflächen auf. Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument ist „Benetzbarkeit" die Eigenschaft eines Materials, die die Fähigkeit eines Lötmetalls (103) oder eines ähnlichen Füllmaterials, an seiner Oberfläche anzuhaften, beschreibt. Ein stark benetzbares Material ermöglicht, dass Lötmetall (103) fest und problemlos an seiner Oberfläche anhaftet.
An vielen Materialien, die eine starke Benetzbarkeit erfordern, wird eine Keimschicht verwendet. Eine Keimschicht ist eine dünne Abscheidung eines Materials, das stark benetzbar ist. Dadurch wird ermöglicht, dass ein Material oder Element mit einer geringen Benetzbarkeit in Abschnitten, die die aufgebrachte Keimschicht aufweisen, Eigenschaften einer hohen Benetzbarkeit aufweisen. Die Brennkammer (100) und der Durchgang (105) weisen vorzugsweise eine Keimschicht auf, die auf dem Abschnitt jeder Oberfläche aufgebracht ist, die an dem Zwischenraum und Lötmetall (103) freiliegt, was die Benetzbarkeit jeder derartigen Oberfläche erhöht.
Während des Betriebsbeginns und während der Zeit, in der die Brennstoffzelle läuft, steigt die Temperatur in der Brennkammer (100) beträchtlich an. Der Temperaturanstieg kann ausreichend hoch sein, so dass sich die in 1 gezeigten Elemente beträchtlich ausdehnen.
Das Ausmaß, in dem sich jedes Element ausdehnt, ist für jede Komponente und das Material bzw. die Materialien, aus dem bzw. aus denen sie aufgebaut ist, spezifisch. Es ist wichtig, zu beachten, dass eine Wärmeausdehnung in allen Dimensionen erfolgt und somit der zuvor erwähnte Zwischenraum und das Lötmetall (103) ohne den Umfang einer CTE-Übereinstimmung, der in der Vergangenheit erforderlich war, eine mechanische Beanspruchung effektiv verringern und ein Aufbrechen der Dichtung verhindern können. Eine Verwendung des mit Lötmetall gefüllten Zwischenraums (103) ermöglicht, dass sich die bei der Dichtung (110) verwendeten Materialien auf Grund der niedrigen Fließgrenze des Lötmaterials im Vergleich zu Fließgrenzen des Materials der Brennkammer und des Durchgangs (105) bei minimaler mechanischer Beanspruchung ausdehnen und zusammenziehen.
Es gibt viele Variablen, die beeinflussen, wie viel Druck die Brennkammer (100) standhalten kann, bevor die Kapillardichtung beeinträchtigt und das Lötmetall (103) umgangen wird, während sich der Druck ausgleicht. Manche Variablen, die mögliche aufrechterhaltbare Drücke der Brennkammer (100) beeinflussen, umfassen: Radius des Durchgangs (105), Temperatur, Breite des Zwischenraums, Oberflächenspannung des Lötmetalls (103), Benetzbarkeit der Oberflächen, Kontaktwinkel der Benetzungsoberfläche mit dem Lötmetall (103) sowie verschiedene andere Faktoren. Es ist wichtig zu beachten, dass die Art des Lötmetalls (103), das notwendig ist, um eine ordnungsgemäße Dichtung in der Brennkammer (100) und dem Auslass zu gewährleisten, gemäß den zuvor erwähnten Variablen, der individuellen Anwendung und Druckerfordernissen ausgewählt wird.
Wenn die SOFC-Reaktion angehalten wird, kehrt sich der Dichtungsvorgang vorzugsweise um. Während die Elemente beginnen, sich abzukühlen und zusammenzuziehen, bleibt das Lötmetall (103) eine Flüssigkeit und passt sich weiterhin an die Form des Zwischenraums an, bis die Verfestigungstemperatur des Lötmetalls erreicht ist. Während sich das Lötmetall (103) verfestigt, dichtet es den Zwischenraum zwischen dem Durchgang (105) und der Brennkammer (100) mit gehärteten Lötmittel ab. Dieser Kühlungs- und Umkehrdichtungsvorgang setzt sich fort, bis der SOFC-Reaktor (10) eine Umgebungs- oder Bereitschaftstemperatur erreicht.
2 veranschaulicht eine andere Ansicht der Grenzfläche des Durchgangs (105) der 1, einschließlich des Rückhaltevorsprungs (107) und des Leistungsleitungsdrahtes (104). Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Rückhaltevorsprung (107) eine Montage vereinfachen und den Durchgang (105) stabiler machen.
Der Draht (104) kann in dem nicht-leitfähigen Durchgang (105) mittig angeordnet sein. Der nicht-leitfähige Durchgang (105) verhindert, dass der Draht (104) mit der üblicherweise leitfähigen Brennkammer (nicht gezeigt) einen Kurzschluss erzeugt. Der Rückhaltevorsprung (107). veranschaulicht eine von vielen möglichen Formen eines Rückhaltens für den Durchgang (105). Der Durchgangsvorsprung (107) kann verhindern, dass schwankende Temperaturen den Durchgang (105) aus der Brennkammer (100) verrücken, und liefern mechanische Grenzen zum Verhindern einer übermäßigen Bewegung des Durchgangs (105) in der axialen Richtung (parallel zu dem Draht) während der Ausdehnung, oder einer anderen Erschütterung der in 2 gezeigten Elemente. Die Brennkammer und die Rückhaltekappe liefern die mechanischen Grenzen auf gegenüberliegenden Seiten des Rückhaltevorsprungs (107).
3 zeigt eine Kapillardichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Einzelnen zeigt 3 eine weggeschnittene Ansicht eines Wandauslasses einer Brennkammer (100) und einer Dichtung (110a). Die Dichtung (110a) umfasst einen Durchgang (106) und ein ausdehnungsfähiges Adhäsionsmaterial, z. B. Lötmetall (103), das den Zwischenraum zwischen dem Durchgang (106) und dem Inneren einer Öffnung (115) in der Brennkammer (100) füllt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der nicht-leitfähige Durchgang ein sanduhrförmiger Durchgang oder ein Selbsthalte-Durchgang (106). Die Öffnung (115) in der Brennkammer (100), die den Durchgang (106) aufnimmt, weist eine entsprechende Form auf, wie in 3 gezeigt ist.
Auf Grund der Sanduhrform kann der Selbsthalte-Durchgang (106) das Erfordernis eines Vorsprungs an dem Durchgang eliminieren, wie oben bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Der Auslass (115) der Brennkammer (100), durch den der Selbsthalte-Durchgang (106) verläuft, wird neu geformt, um den Selbsthalte-Durchgang (106) aufzunehmen. Wie zuvor ist der Zwischenraum zwischen dem Durchgang (106) und dem Inneren der Öffnung (115) mit Lötmetall (103) oder einem ähnlichen Material gefüllt.
Wie oben beschrieben wurde, ergeben sich während des Betriebs einer Brennstoffzelle hohe Temperaturen. Folglich können sich der Selbsthalte-Durchgang (106) und die Brennkammer (100) in allen Richtungen ausdehnen. Die Form des Selbsthalte-Durchgangs (106) und der entsprechenden Öffnung (115) der Brennkammer kann eine Beanspruchung, die andernfalls durch eine Ausdehnung des Durchgangs (106) und der Wand der Brennkammer (100) in allen Richtungen bewirkt würde, verringern.
Die Form des Selbsthalte-Durchgangs (106) kann im Wesentlichen dieselbe Funktion wie der zuvor beschriebene Durchgangrückhaltevorsprung erfüllen, indem sie die Bewegung des Selbsthalte-Durchgangs (106) in der Öffnung (115) trotz einer Ausdehnung oder sonstigen Bewegung einschränkt. Während sich die in 3 gezeigten Elemente ausdehnen, bleibt die Breite des Zwischenraums zwischen dem Durchgang (106) und der Wand (100) im Wesentlichen konstant. Dies ist auf eine Ausdehnung des Durchgangs (106) in einer axialen sowie in einer radialen Richtung zurückzuführen.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine Funktionsweise der Ausführungsbeispiele des in 1 veranschaulichten hitzetoleranten Kapillarabdichtsystems gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie bei dem Beispiel der 4 gezeigt ist, beginnt der Prozess, wenn der SOFC-Reaktor gestartet wird (140). An dieser Stelle wird der erforderliche Brennstoff in der Brennkammer freigegeben, und die Elemente in dem und um den SOFC-Reaktor herum beginnen sich zu erhitzen (141), um die optimale Leistungserzeugungstemperatur zu erreichen.
Während die Temperatur ansteigt (141), gibt das Lötmetall in dem Zwischenraum zwischen dem Durchgang und der Brennkammer zuerst plastisch nach und beginnt dann schließlich zu schmelzen (142). Bei dem Schmelzpunkt des Lötmetalls verflüssigt sich das Lötmetall, wobei es an der keimbehafteten Oberfläche des Durchgangs und der Brennkammer anhaftet, um eine flüssige Kapillardichtung zu bilden (143).
Vorzugsweise steigt die Temperatur in der Brennkammer weiterhin an, um die ideale Leistungserzeugungstemperatur des SOFC-Reaktors zu erreichen. Während des Temperaturanstiegs dehnen sich die Elemente in dem SOFC-Reaktor gemäß ihrem jeweiligen CTE aus (144). Die Elemente in der Brennkammer und in dem Auslass können ähnliche CTEs aufweisen, müssen aber nicht. Vorzugsweise sind die Elemente ein wenig aufeinander abgestimmt, so dass der Zwischenraum zwischen den Durchgangselementen und der Wand der Brennkammer nicht extrem groß wird und ein Bersten in dem mit Lötmetall gefüllten Zwischenraum ermöglicht, oder extrem klein wird oder nicht mehr vorhanden ist, was den Ausstoß des Lötmetalls aus dem Zwischenraum bewirkt oder, schlimmer, eine mechanische Beanspruchung zwischen den Elementen hervorruft.
Für den Fall, dass die Ausdehnung nicht übermäßig stark ist, gibt das verflüssigte Lötmetall nach, um die sich ausdehnende oder sich zusammenziehende Zwischenraumgröße zwischen dem Durchgang und der Brennkammer abzudichten (145). Vorzugsweise erreicht der SOFC-Reaktor die Betriebstemperatur (146) ohne eine übermäßige Ausdehnung der Dichtungselemente.
Die durch das Lötmetall gebildete Kapillardichtung verhindert vorzugsweise das Entweichen jeglicher Hitze, Gase und sonstigen reaktiven Elemente, die zum Zweck einer effizienten SOFC-Leistungserzeugung in der Brennkammer benötigt werden (147). Wenn der SOFC-Reaktor ausgeschaltet wird, wird der in 4 gezeigte Prozess vorzugsweise umgekehrt, d. h. der SOFC-Reaktor kühlt sich ab, und das Lötmetall verfestigt sich schließlich, wodurch der Zwischenraum zwischen der Wand der Brennkammer und dem Durchgang bei dem Abkühlvorgang abgedichtet wird.
Die vorstehende Beschreibung wurde lediglich präsentiert, um die Erfindung zu veranschaulichen und zu beschreiben. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf eine bestimmte offenbarte Form beschränken. Angesichts der obigen Lehre sind viele Modifikationen und Variationen möglich.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu veranschaulichen. Die vorstehende Beschreibung soll andere Fachleute in die Lage versetzen, die Erfindung bei verschiedenen Ausführungsbeispie len und mit verschiedenen Modifikationen, wie sie für die jeweilige beabsichtigte Verwendung geeignet sind, am besten zu nutzen. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung durch die folgenden Patentansprüche definiert werde.

Claims

Eine hitzetolerante Kapillardichtung (110) für eine Brennkammer (100), die folgende Merkmale aufweist: einen Durchgang (105), der in einem Auslass (111) der Brennkammer (100) aufgenommen ist; und ein Adhäsionsmaterial (103) zur Verwendung bei einem Zwischenraum zwischen dem Durchgang (105) und einem Inneren des Auslasses (111), wobei sich das Adhäsionsmaterial (103) während des Betriebs der Brennkammer (100) ausgehend von einer festen Form verflüssigt; wobei der Durchgang (105) einen Vorsprung (107) zum Zurückhalten des Durchgangs (105) in dem Auslass (111) der Brennkammer (100) aufweist.
Die hitzetolerante Kapillardichtung (110) gemäß Anspruch 1, bei der das Adhäsionsmaterial (103) Lötmetall ist.
Die hitzetolerante Kapillardichtung (110) gemäß Anspruch 2, die ferner eine Keimschicht an dem Durchgang (105) und in dem Auslass (111) aufweist, um eine Adhäsion des Lötmetalls (103) in dem Zwischenraum zu begünstigen.
Die hitzetolerante Kapillardichtung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Leiter (104) aufweist, der sich durch den Durchgang (105) hindurch erstreckt.
Die hitzetolerante Kapillardichtung (110) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Brennkammer (100) und der Durchgang (105) im Wesentlichen ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass der Auslass (111) und der Durchgang (105) während des Betriebs der Brennkammer (100) keine gegenseitige Beanspruchung ausüben.
Ein Reaktor (10) mit der hitzetoleranten Kapillardichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ein Verfahren zur Verwendung einer hitzetoleranten Kapillardichtung (110), um einen Auslass (111) einer Brennkammer (100) abzudichten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erhitzen der Brennkammer (100), um ein adhäsives Material (103), das in einem Zwischenraum zwischen dem Auslass (111) der Brennkammer (100) und einem Durchgang (105), der in dem Auslass (111) angeordnet ist, angeordnet ist, zu schmelzen, wobei das adhäsive Material (103), wenn es geschmolzen ist, eine Kapillardichtung (110) um den Durchgang (105) herum bildet; und Zurückhalten des Durchgangs (105) in dem Auslass (111) der Brennkammer (100) mittels eines Vorsprungs (107).