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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Elektrolyte von Festoxid-Brennstoffzellen
und insbesondere eine verbesserte Elektrolytstruktur und ein zugehöriges Verfahren
zur Herstellung derselben.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die sich nicht schneidenden Tragelemente eine Dicke auf,
die größer ist
als die der Elektrolytplatte.
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Vorzugsweise
verlaufen die sich nicht schneidenden Tragelemente über die
Gesamtheit von der Elektrolytplatte.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Elektrolytplatte
und die sich nicht schneidenden Tragelemente ein Yttrium-stabilisiertes
Zirkonoxid.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 der
Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten,
welche den Elektrolyten der vorliegenden Erfindung umfassen;
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2 der
Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten
nach der Laminierung;
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3 der
Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht der drei Laminatschichten
nach dem Abschneiden der äußeren Bereiche
derselben;
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4 der
Zeichnungen zeigt eine Einzelteildarstellung von den unterschiedlichen
strukturellen Tragelementen und der Zentralschicht von dem Elektrolyten
der vorliegenden Erfindung;
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5 der
Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht von einer alternativen
Ausführungsform
von dem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung; und
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6 der
Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht von einer weiteren
alternativen Ausführungsform
von dem Elektrolyten der vorliegenden Erfindung.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR ANWENDUNG DER
ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.