DE69936031T2 - Elektrolyt für Festoxidbrennstoffzellen - Google Patents

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Elektrolyte von Festoxid-Brennstoffzellen und insbesondere eine verbesserte Elektrolytstruktur und ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung derselben.
  • STAND DER TECHNIK
  • Festoxid-Brennstoffzellen [SOFCs] sind auf dem Fachgebiet gut bekannt. In der Tat ist erkannt worden, dass SOFCs das Potential aufweisen, Umweltprobleme zu entschärfen und gleichzeitig den Anforderungen der Stromerzeugung und der Kraft-Wärme-Kopplung von morgen zu entsprechen. Deshalb ist viel Nachdruck gerichtet worden auf die Absenkung der SOFC-Betriebstemperaturen und der gleichzeitig zunehmenden SOFC-Stackleistung.
  • Eine solche Entwicklung ist insbesondere die Verwendung der elektrodengestützten Dünnschichtelektrolyte für Hochleistungs-SOFC-Systeme. Prozesse zur Herstellung dünner Elektrolytflächen beinhalten Allied Signal Kalandrieren, Lawrence Berkeley Labs und University of Missouri (Rolla) Sol-Gel-Rotationsbeschichtungsverfahren, University of Utah Tauchbeschichtung, Dow Folienlaminierung und Westinghouse elektrochemische Gasphasenabscheidungs-(EVD-)Prozesse. Jeder von diesen Prozessen ist in der Lage, Elektrolytschichten von 5–50 μm auf einem Elektrodensubstrat herzustellen, insbesondere Kalandrieren und Folienlaminierungs-Prozesse scheinen am meisten erfolgversprechend zu sein und haben gewisse Niveaus an wirtschaftlicher Realisierbarkeit in dem Elektronik-Chip Packaging demonstriert.
  • Während für diese Strukturtypen demonstriert worden ist, dass sie ziemlich erfolgreich in kleinflächigen Einzelzellen sind, konnten diese Strukturen mit Erfolg nicht auf stapelbare großflächige Zellen angewendet werden. Insbesondere ist der Dünnschichtelektrolyt auf das Elektrodensubstratmaterial als mechanischer Träger angewiesen. Die mechanischen, chemischen und mikrostrukturellen Anforderungen von der Elektrodenfunktion sind mit den mechanischen Trägerfunktionen nicht kompatibel. Zusätzlich ist aufgrund der porösen Mikrostruktur, die von der Elektrode benötigt wird, die mechanische Festigkeit ziemlich schwach. Sowohl bei den Anoden- als auch bei den Kathodenmaterialien begleiten Volumen- und Zusammensetzungsänderungen die Sauerstoffpotential-Änderungen und diese Änderungen beeinträchtigen alle außerordentlich die mechanische Zuverlässigkeit der Zelle.
  • Zusätzlich ist die Exposition zu den Sauerstoffpotentialgradienten insofern unvermeidlich, als die Trägerelektroden sich bis zu den Zellrändern erstrecken, um die Dünnschichtelektrolyte vollständig zu stützen, wobei die Kathoden dem Brennmaterial und die Anoden der Luft ausgesetzt sind. Darüber hinaus ist die Verwendung von Nickel-Cermet-Anodensubstraten, die an der Luft als Oxide gebrannt werden, gleichermaßen nachteilig für die mechanische Zuverlässigkeit der Zelle. Insbesondere wird, da NiO zu Nickel reduziert wird, wenn die Zelle in Betrieb genommen wird, die Zelle in Bezug auf ihre mechanische Festigkeit nachteilig beeinträchtigt.
  • Eine Lösung ist offenbart worden in Ishida, US-Patentschrift Nr. 5,312,700 . Dieser Verweis zieht die Verwendung von sich schneidenden Traglamellen auf einer einzelnen Ebene und auf einer oder beiden Seiten von einer dünnen Platte für eine verstärkte Tragfähigkeit und Stabilität von dem Elektrolyten in Erwägung. Obwohl diese Offenbarung sich mit bestimmten Schwächen hinsichtlich der Festigkeit befasst, ist die sich schneidende Trägerstruktur schwierig, zeitraubend und kostenintensiv herzustellen.
  • US-Patentschrift Nr. 4,396,480 offenbart eine Elektrolytplatte, in der die Tragelemente in der Elektrolytplatte integriert sind.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyten für eine Festoxid-Brennstoffzelle. Der Elektrolyt umfasst eine Elektrolytplatte und Mittel zum Tragen der Elektrolytplatte. Die Elektrolytplatte schließt eine Oberseite und eine Unterseite ein. Die Tragmittel weisen mehrere sich nicht-schneidende Tragelemente auf, wobei die Tragelemente im Wesentlichen aus demselben Material wie die Elektrolytplatte konstruiert sind und mindestens auf eine von den Ober- oder Unterseiten von der Elektrolytplatte laminiert sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können die sich nicht-schneidenden Tragelemente sowohl auf den Oberseiten als auch den Unterseiten von der Elektrolytplatte positioniert werden. Außerdem liegen in einer solchen Ausführungsform die sich nicht schneidenden Tragelemente auf der Oberseite der Elektrolytplatte im Wesentlichen lotrecht zu den sich nicht schneidenden Tragelementen auf der Unterseite der Elektrolytplatte.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich die sich nicht schneidenden Tragelemente im Wesentlichen in einer identischen geometrischen Konfiguration. In einer solchen Ausführungsform können die sich nicht schneidenden Tragelemente im Wesentlichen rechteckig oder sinuswellenförmig sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die sich nicht schneidenden Tragelemente eine Dicke auf, die größer ist als die der Elektrolytplatte.
  • Vorzugsweise verlaufen die sich nicht schneidenden Tragelemente über die Gesamtheit von der Elektrolytplatte.
  • In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Elektrolytplatte und die sich nicht schneidenden Tragelemente ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid.
  • Die Erfindung beinhaltet ferner ein Verfahren zur Herstellung des Elektrolyten von einer Festoxid-Brennstoffzelle. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Bereitstellens einer Elektrolytplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, und einer zweiten Platte; das Ausbilden einer Öffnung durch die zweite Platte und das Positionieren der zweiten Platte auf eine von den Ober- und Unterseiten von der Elektrolytplatte in einer gewünschten Orientierung. Sobald sie positioniert ist, beinhaltet das Verfahren ferner die Schritte des Verbindens der Elektrolytplatte mit der zweiten Platte und dem Abschneiden der verbundenen Elektrolytplatte und der zweiten Platte derart, dass mehrere sich nicht schneidende Tragelemente auf der Elektrolytplatte entstehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Bereitstellens von einer dritten Platte, dem Ausbilden von mindestens einer Öffnung durch die dritte Platte; das Positionieren der dritten Platte auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrolytplatte, auf der die zweite Platte positioniert ist, und das Verbinden der dritten Platte mit der Elektrolytplatte. In einer solchen Ausführungsform ergibt der Schritt des Abschneidens ferner mehrere sich nicht schneidende Tragelemente auf beiden Seiten von der Elektrolytplatte. Darüber hinaus kann in einer derartigen bevorzugten Ausführungsform die dritte Platte derart positioniert werden, dass die wenigstens eine Öffnung von der zweiten Platte lotrecht zu der wenigstens einen Öffnung der dritten Platte ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schritt des Ausbildens der Öffnungen in den zweiten und/oder dritten Platten das Ausbilden von mehreren im Wesentlichen identischen Öffnungen in jeder Platte, welche im Wesentlichen parallel zueinander sind. Anschließend umfasst der Schritt des Positionierens ferner das Positionieren von den zweiten und dritten Platten derart, dass die Öffnungen in der zweiten Platte im Wesentlichen lotrecht zu den Öffnungen in der dritten Platte sind.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren ferner den Schritt des Ausbildens aufeinander fluchtenden Öffnungen für jede auf der Elektrolytplatte und der zweiten Platte umfassen. In einer solchen Ausführungsform umfasst der Schritt des Positionierens ferner den Schritt des Ausrichtens der aufeinander fluchtenden Öffnungen für jede auf der Elektrolytplatte und der zweiten Platte, um, im Gegenzug, die Platten in Bezug zueinander ordnungsgemäß zu orientieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 der Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten, welche den Elektrolyten der vorliegenden Erfindung umfassen;
  • 2 der Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten nach der Laminierung;
  • 3 der Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten nach dem Abschneiden der äußeren Bereiche derselben;
  • 4 der Zeichnungen zeigt eine Einzelteildarstellung von den unterschiedlichen strukturellen Tragelementen und der Zentralschicht von dem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung;
  • 5 der Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht von einer alternativen Ausführungsform von dem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 der Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht von einer weiteren alternativen Ausführungsform von dem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung.
  • BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR ANWENDUNG DER ERFINDUNG
  • Obwohl diese Erfindung als Ausführungsform in vielen unterschiedlichen Formen anwendbar ist, werden in den Zeichnungen verschiedene spezifische Ausführungsformen gezeigt und auch hierin im Detail beschrieben werden, mit dem Einvernehmen, dass die vorliegende Offenbarung als ein erläuterndes Beispiel von den Prinzipien der Erfindung anzusehen ist und es nicht vorgesehen ist, die Erfindung auf die veranschaulichten Ausführungsformen zu beschränken.
  • Der Elektrolyt 10 ist in 3 und 4 dargestellt, dass er die Elektrolytplatte 11 und Mittel 12 zum Bereitstellen von Stützen für die Elektrolytplatte umfasst. Die Elektrolytplatte 11 weist eine Oberseite 20, eine Unterseite 22 und einen äußeren Umfangsrand 24 auf. Die Elektrolytplatte umfasst ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxidmaterial, wenngleich andere herkömmliche Elektrolytmaterialien gleichermaßen zur Verwendung vorgesehen sind. Obwohl bis jetzt nicht darauf beschränkt, weist die Elektrolytplatte 11 eine Dicke von weniger als 50 μm auf und vorzugsweise etwa 30 μm.
  • Die Mittel 12, die Stützen bereitstellen, wie in 3 gezeigt, umfassen sich nicht schneidende obere Tragelemente, wie das obere Tragelement 14, und sich nicht schneidende untere Tragelemente wie das untere Tragelement 16. Jedes obere Tragelement 14 ist auf die Oberseite 20 der Elektrolytplatte 10 laminiert und erstreckt sich bis zu dem äußeren Umfangsrand 24. Gleichermaßen ist jedes untere Tragelement 16 zu der Unterseite 22 des äußeren Umfangrandes 24 laminiert.
  • Jedes von den unteren und oberen Tragelementen umfasst ein Material, das im Wesentlichen identisch ist zu der Elektrolytplatte. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Material ein Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid, wenngleich andere herkömmliche Materialien gleichermaßen zur Verwendung vorgesehen sind. Obwohl sicherlich nicht darauf beschränkt, kann, wo alle drei Strukturen überlappen, die Gesamtdicke von dem Laminat in einem solchen Bereich in der Größenordnung von 180 μm sein.
  • In der Ausführungsform, die in 3 und 4 gezeigt wird, sind die oberen und unteren Tragelemente einheitlich in Größe und Form. Darüber hinaus sind die oberen Tragelemente 14 alle parallel zueinander positioniert und in einer Richtung, die lotrecht zu der Positionierung der unteren Tragelemente 16 ist, welche gleichfalls alle parallel zueinander positioniert sind. Die oberen und unteren Tragelemente sind relativ nah zusammen positioniert, so dass nur relativ schmale Bereiche, die keine Stützen haben, dazwischen existieren. Die Struktur ist jedoch nicht auf Tragelemente von irgendeiner besonderen Größe, Form und/oder irgendeinem Abstand beschränkt. Insbesondere können, wie in der Ausführungsform von 5 gezeigt, die sich nicht schneidenden Tragelemente nur auf einer von der oberen und unteren Seite der Elektrolytplatte angewendet werden. Darüber hinaus ist es, wo sowohl untere als auch obere Tragelemente verwendet werden, nicht notwendig, dass die oberen und unteren Tragelemente übereinstimmen oder irgendein besonders einheitliches, spezielles Verhältnis aufweisen. Darüber hinaus kann die Form und Größe von den individuellen sich nicht schneidenden Tragelementen variieren, wie in der alternativen Ausführungsform von 6 gezeigt, wobei die oberen Tragelemente 114 sich nicht schneidende sinusförmige Wellen aufweisen, welche parallel zueinander angeordnet sind. Die Verwendung von sich nicht schneidenden Tragelementen, wie nachfolgend mit Bezug auf das Verfahren erklärt werden wird, erhöht die Möglichkeit, den SOFC-Elektrolyten ökonomisch herzustellen – während mechanische Festigkeit und vorteilhafte Leistung für den SOFC bereitgestellt werden.
  • Um den Elektrolyten, wie in 1 gezeigt, herzustellen, werden drei Platten 200, 201 und 202 ausgebildet. Die Platte 201 entspricht Elektrolytplatte 11 und die Platten 200 und 202 entsprechen den oberen und unteren Tragelementen 14, beziehungsweise 16. Alle Platten 200, 201 und 202 können durch eine Anzahl von Mitteln ausgebildet werden, einschließlich einem Folienlaminierungsprozess oder durch eine mit der Walze geprägten Folie unter anderem. Wenn sie zunächst erst einmal ausgebildet sind, können die aufeinander fluchtenden Öffnungen, wie die aufeinander fluchtende Öffnung 212, in jeder der vier Platten ausgebildet werden, um die ordnungsgemäße Orientierung von den Platten relativ zueinander vor der Laminierung zu ermöglichen. Gleichzeitig mit der Ausbildung der aufeinander fluchtenden Öffnungen, werden die Öffnungen 230, 231 und 232 in Platte 200 ausgebildet. Die ähnlichen Öffnungen 233, 234 und 235 werden durch die Platte 202 geschnitten oder gestanzt. Natürlich können diese Öffnungen vor oder nach der Ausbildung von den aufeinander fluchtenden Öffnungen ausgebildet werden.
  • Sobald jede Platte ordnungsgemäß ausgemessen und so konfiguriert ist, dass sie die erwünschten Öffnungen ent hält, wie in 1 gezeigt, werden diese Platten sich überlagernd derart geschichtet, dass die Platte 201 zwischen den Platten 200 und 202 eingelegt ist. Anschließend werden die Platten ausgerichtet und ordnungsgemäß unter Verwendung der aufeinander fluchtenden Öffnungen 212 orientiert. Sobald sie in der gewünschten Orientierung sind, werden die drei Platten zueinander laminiert, durch verschiedene Laminierungstechniken, um ein einzelnes integrales, ungesintertes Elektrolytmaterial auszubilden. Nach der Laminierung werden die äußeren Ränder abgeschnitten, um die aufeinander fluchtenden Löcher zu entfernen und den Elektrolyten auf die gewünschte Abmessung anzupassen, um im Gegenzug den äußeren Umfang 24 festzulegen.
  • Bei der Verwendung in einer SOFC müssen die Elektroden aufgrund der Tragelemente nicht als primäres Tragelement fungieren und demzufolge sind die Elektrolytträger nicht durch die Sauerstoffpotentiale beeinträchtigt, die mit den Elektrodenmaterialien unverträglich sind. Ferner können aufgrund der Tragelemente die Elektroden (nicht gezeigt), die mit diesem Elektrolyten verwendet werden, an einem bereits gesinterten Elektrolyten angebracht oder zusammen mit dem ungesinterten Elektrolyten eingebrannt werden. Zweckmäßigerweise wird eine zusätzliche Stützung für den Elektrolyten durch die Elektroden, die eingebrannt oder an dem gesinterten Elektrolyten angebracht wurden, bereitgestellt.
  • Im Betrieb weist solch ein Elektrolyt bestimmte Vorteile auf, insbesondere ist die Gesamtheit der Platte aktiv und die Leistung von jedem Bereich entspricht der lokalen Dicke von dem Elektrolyten. Zum Beispiel weisen für einen Elektrolyten, der 180 μm an seiner dicksten Stelle (annähernd der Tragelementbereich) und 30 μm an seiner dünnsten Stelle ist, die dünnen Bereiche das 6-fache der Leistung von einem einheitlich 180 μm dicken Elektrolyten auf und die 180 μm dicken Bereiche weisen dieselbe Leistung auf, wie ein einheitlich 180 μm dicker Elektrolyt. Für einen Elektrolyten der vorliegenden Erfindung würde demzufolge bei einer auf die Fläche gemittelten Leistungsbeurteilung die Leistung des Elektrolyten, der gemäß der Erfindung in den oben genannten Dicken hergestellt wurde, das 3,5-fache von einem einheitlich 180 μm dicken Elektrolyten betragen. Um eine solche Leistung zu erhalten, würde man einen einheitlich dicken Elektrolyten verwenden müssen, der eine Dicke von 50 μm aufweist, was es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich macht, ihn effektiv in einer größeren oder gestapelten Zelle einzusetzen. Demzufolge können bestimmte Vorteile in der Leistung mit dem vorangehend beschriebenen, robust strukturierten Elektrolyten realisiert werden. Darüber hinaus können solche Vorteile ohne Produktionsschwierigkeiten realisiert werden.
  • Die vorangegangene Beschreibung und die Zeichnungen erklären und veranschaulichen lediglich die Erfindung und die Erfindung ist darauf nicht beschränkt, ausgenommen insofern als die angehängten Ansprüche sie so beschränken, obgleich Fachleute, die die Offenbarung vor sich liegen haben, in der Lage sind, Veränderungen und Variationen darin zu machen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (16)

  1. Elektrolyt für eine Festoxid-Brennstoffzelle, der Folgendes umfasst: – eine Elektrolytplatte mit einer Ober- und einer Unterseite; und – Mittel zum Tragen der Elektrolytplatte, wobei das Tragmittel mehrere sich nicht schneidende Tragelemente aufweist, wobei die Tragelemente aus im Wesentlichen demselben Material konstruiert sind wie die Elektrolytplatte, auf die Ober- und/oder die Unterseite des Elektrolytplatte laminiert.
  2. Elektrolyt nach Anspruch 1, wobei das Tragmittel mehrere sich nicht schneidende Tragelemente aufweist, die sowohl auf der Ober- als auf der Unterseite der Elektrolytplatte positioniert sind.
  3. Elektrolyt nach Anspruch 2, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente auf der Oberseite der Elektrolytplatte im Wesentlichen lotrecht zu den sich nicht schneidenden Tragelementen auf der Unterseite der Elektrolytplatte liegen.
  4. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente in ihrer geometrischen Konfiguration im Wesentlichen identisch sind.
  5. Elektrolyt nach Anspruch 4, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente im Wesentlichen rechteckig sind.
  6. Elektrolyt nach Anspruch 4, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente im Wesentlichen sinuswellenförmig sind.
  7. Elektrolyt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente eine Dicke haben, die größer ist als die der Elektrolytplatte.
  8. Elektrolyt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die sich nicht schneidenden Tragelemente über die Gesamtheit der Elektrolytplatte verlaufen.
  9. Elektrolyt nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrolytplatte und die sich nicht schneidenden Tragelemente ein stabilisiertes Zirkondioxid umfassen.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyts für eine Festoxid-Brennstoffzelle, das die folgenden Schritte beinhaltet: – Bereitstellen einer Elektrolytplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite; – Bereitstellen einer zweiten Platte aus im Wesentlichen denselben Materialien wie die Elektrolytplatte; – Ausbilden von wenigstens einer Öffnung durch die zweite Platte; – Laminieren der zweiten Platte in eine Position auf der Ober- oder Unterseite der Elektrolytplatte in einer gewünschten Orientierung; – Verbinden der Elektrolytplatte mit der zweiten Platte; und – Abschneiden der assoziierten Elektrolytplatte oder der zweiten Platte so, dass mehrere sich nicht schneidende Tragelemente auf der Elektrolytplatte entstehen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner die folgenden Schritte beinhaltet: – Bereitstellen einer dritten Platte; – Ausbilden von wenigstens einer Öffnung, durch die dritte Platte; – Positionieren der dritten Platte auf der jeweils anderen aus Ober- bzw. Unterseite der Elektrolytplatte in einer gewünschten Orientierung; und – Verbinden der dritten Platte mit der Elektrolytplatte, – wobei der Schritt des Abschneidens ferner mehrere sich nicht schneidende Tragelemente auf beiden Oberflächen der Elektrolytplatte ergibt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Positionierens der dritten Platte das Positionieren der dritten Platte auf eine solche Weise beinhaltet, dass die wenigstens eine Öffnung der zweiten Platte lotrecht zu der wenigstens einen Öffnung der dritten Platte ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei der Schritt des Ausbildens von wenigstens einer Öffnung durch die zweite Platte den Schritt des Ausbildens von wenigstens zwei im Wesentlichen identischen Öffnungen parallel zueinander beinhaltet.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei: – der Schritt des Ausbildens von wenigstens einer Öffnung durch die zweite Platte den Schritt des Ausbildens von wenigstens zwei im Wesentlichen identischen Öffnungen parallel zueinander beinhaltet; – der Schritt des Ausbildens von wenigstens einer Öffnung durch die dritte Platte den Schritt des Ausbildens von wenigstens zwei im Wesentlichen identischen Öffnungen parallel zueinander beinhaltet, wobei die Öffnungen der dritten Platte den Öffnungen der zweiten Platte im Wesentlichen entsprechen; und – der Schritt des Positionierens der dritten Platte das Positionieren der dritten Platte so beinhaltet, dass die Öffnungen der zweiten Platte im Wesentlichen lotrecht zu den Öffnungen der dritten Platte sind.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Öffnungen jeder der zweiten und dritten Platte im Wesentlichen rechteckig gestaltet sind.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, das ferner den folgenden Schritt beinhaltet: – Ausbilden von aufeinander fluchtenden Öffnungen auf jeder aus Elektrolytplatte und zweiter Platte; und – wobei der Schritt des Positionierens ferner den Schritt des Ausrichtens der fluchtenden Öffnung jeder aus Elektrolytplatte und zweiter Platte beinhaltet, um wiederum die Platten relativ zueinander ordnungsgemäß zu orientieren.
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