EP1737803A1 - Federelemente sowie herstellung und verwendung derselben - Google Patents

Federelemente sowie herstellung und verwendung derselben

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EP1737803A1
EP1737803A1 EP05738488A EP05738488A EP1737803A1 EP 1737803 A1 EP1737803 A1 EP 1737803A1 EP 05738488 A EP05738488 A EP 05738488A EP 05738488 A EP05738488 A EP 05738488A EP 1737803 A1 EP1737803 A1 EP 1737803A1
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EP
European Patent Office
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spring element
ceramic
element according
spring
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05738488A
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Inventor
Stephan Reckers
Martin Bram
Hans Peter Buchkremer
Sebastian Jansen
Ewald G. Welp
Rolf Steinbrech
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Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/024—Covers or coatings therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/021—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by their composition, e.g. comprising materials providing for particular spring properties
    • F16F1/022—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by their composition, e.g. comprising materials providing for particular spring properties made of ceramic materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0275—Ceramics

Definitions

  • the invention relates to a spring element for use at higher temperatures, in particular in a high-temperature fuel cell, and to a suitable method for producing the same.
  • SOFC high-temperature fuel cell
  • Ni networks are preferably used for contacting high-temperature fuel cells on the anode side, and ceramic contact layers made of electrically conductive ceramics (generally perovskites of the ABO 3 structure ) are preferably used on the cathode side. Both types of contact show negligible
  • springs are made from metallic materials.
  • An important alloy group here are the Si-containing spring steels.
  • correspondingly mounted leaf springs or profiles e.g. wave profiles
  • springs or profiles also have elastic properties and are used in a wide variety of areas.
  • All spring elements made of metallic materials have in common that they regularly lose their elastic properties at elevated temperatures due to creep processes. Should perma- nente forces are transmitted, these are reduced with continuous operation by stress relaxation. Although the use of high-temperature alloys (e.g. Fe-Cr steels or Ni-based alloys) is in principle also conceivable for spring elements, these alloys generally only show increased resistance to oxidation and no significantly improved creep resistance. Spring elements made of plastic are also known for use at low temperatures. OBJECT AND SOLUTION The object of the invention is to provide a spring element which, particularly at higher temperatures above 600 ° C, has better elastic properties than the spring elements which have been known to date from the prior art.
  • high-temperature alloys e.g. Fe-Cr steels or Ni-based alloys
  • the object of the invention is achieved by a spring element with all the features according to the main claim, and by a method for producing such a spring element according to the secondary claim. Furthermore, the object of the invention is achieved by use according to a further subclaim. Advantageous embodiments of the spring element, the manufacturing method and the use can be found in the claims that refer back to each. 5 Object of the Invention
  • the present invention describes a way in which spring elements can be produced from ceramic foils or plates, which have reproducible spring properties even at elevated temperatures. Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 can be mentioned in particular as a suitable material for a ceramic spring element.
  • Ceramics have the advantage over metals that they do not lose their elastic properties even at higher temperatures up to 1000 ° C because they , , , , ,
  • These spring elements can advantageously also have electrically conductive properties by either consisting of an electrically conductive ceramic or by having an electrically conductive coating or inserts of electrically conductive foils, sheets or wires. Electrical conductivity is particularly advantageous if the ceramic spring elements are to be used in a fuel cell and electrical contacting via the spring elements is necessary. Nickel can advantageously be selected for the electrically conductive coating. Embossed nickel foils or nickel wires are also suitable as inserts. 5 In the method for producing the aforementioned ceramic spring elements, finished planar ceramic foils can advantageously be used. These can be produced by the film casting process and then sintered. This process step is already an industrial standard. Accordingly, industrially manufactured ceramic foils can also be used as starting materials for the production. The sintering of the foils should, however, have progressed to such an extent that no sintering shrinkage occurs any longer when the material is held at the sintering temperature.
  • the actual invention relates to the subsequent next process step, the shaping after sintering has been completed.
  • This shaping can be achieved in particular by inserting the planar foils into a suitably shaped tool.
  • the film adapts to the contour of the tool with high reproducibility.
  • YSZ 3 stabilized ZrO 2
  • ScSZ (contains 10 mol% scandium oxide), yttrium-stabilized zirconium oxide (contains 3 - 10 mol% Y 2 O 3 ).
  • SiC silicon carbide
  • the temperatures required for the production of the spring elements for the non-destructive forming of ceramics are generally dependent on the material. In general, they should be set 50 - 100 ° C below the sintering temperature of the ceramic. The typical temperature range for ceramics is therefore 1200 - 2000 ° C. For the materials listed under a.), The temperatures suitable for the manufacture of the spring elements are in the range 1200 -
  • the pressures required for the production of the spring elements for forming ceramics at the above-mentioned temperatures are generally between 100
  • FIG. 1 shows: Tool for high-temperature deformation of ceramic foils (material of the tool: Al 2 O 3 with 99.7% purity).
  • FIG. 2 Single spring element made of 3 YSZ.
  • Figure 3 Force-deformation curves of spring elements of geometry A at o 800 ° C as a typical SOFC operating temperature (for geometry A see Table 1).
  • Figure 4 Force-deformation curve of a spring cushion consisting of 60 individual elements of geometry B at 800 ° C as a typical SOFC operating temperature (for geometry B see Table 1). The5 power transmission between the upper punch and the spring elements took place via a ceramic fuel cell.
  • Figure 5 Stabilization of a curved spring element by a material connection with a planar substrate.
  • Figure 6 Principle of a spring element with planar ceramic strips.
  • Figure 7 Structure of a pillow-like overall structure from several individual ceramic elements
  • Exemplary embodiment 1 A sintered 3 YSZ film from Kerafol with a thickness of 0.4 mm was used as the starting material.
  • Figure 3 shows the reproducible elastic springback of the spring elements at 800 ° C (SOFC operating temperature) based on force-deformation curves.
  • the tests were carried out with a spring element of geometry A.
  • the usable travel is in the order of 325 ⁇ m.
  • Table 1 Geometric dimensions of the ceramic spring elements produced. For the definition of the dimensions, see Figure 2.
  • the contacting of high-temperature fuel cells in planar stacks is generally a predominantly rigid system, since the materials used for contacting (Ni mesh on the anode side, ceramic contact layer paste on the cathode side) have negligible elastic properties at SOFC operating temperature.
  • the materials used for contacting Ni mesh on the anode side, ceramic contact layer paste on the cathode side
  • SOFC operating temperature the materials used for contacting
  • ceramic spring elements on the anode side, on the cathode side or on both sides of the fuel cell permanent contact can be achieved by permanent forces acting on the contact points.
  • the elasticity of the elements also increases the tolerance to thermomechanical stresses that occur during operation of the stack.
  • the electrical contacting in the area of the spring elements which is absolutely necessary for the operation of the stack, can in particular be implemented in three ways: a) use of an electrically conductive ceramic b) coating of an electrically insulating ceramic with a conductive layer (e.g. Ni) c) Introducing additional current paths (e.g. embossed Ni foil or Ni wires)
  • Another possibility of stabilizing the wave-shaped curved spring elements (2) is to connect them to a planar base (1) in a materially integral manner. This can be achieved by: a) Sintering if both components consist of the same material (e.g. 3 YSZ) b) Soldering if the planar base consists of a high temperature resistant alloy. A possible arrangement of a stabilized, wave-shaped spring element is shown in FIG.
  • Support element deformed (see Figure 6).
  • the ceramic strips (1) on both sides of the support element (2), the overall usable spring travel is doubled in this exemplary embodiment, since both ceramic elements deform when a force F is applied.
  • clamping plates (3) are provided. With this design principle, the high-temperature deformation of the original foils is eliminated.
  • FIG. 7 Structure is shown as an example in FIG. 7.
  • the individual strip-shaped ceramic elements (1) lie in a parallel arrangement on a support frame (2) and are fixed in their position by appropriately shaped clamping plates (3).
  • the spring force is introduced into the ceramic elements via the clamping plates. This results in an almost point-elastic deformation behavior along the force introduction lines (4). H. the points adjacent on a force introduction line can be elastically deformed almost independently of one another.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Federelement für den Einsatz bei Temperaturen ober­halb von 600 °C, welches aus einer Keramik besteht. Das Federelement umfasst insbesondere Yttriumstabilisiertes Zr02, Scandiumstabilisiertes Zr02, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder ein Perowskit der Struktur ABO3 mit A = Lanthanide, Erdalkalien oder Yttrium und B = Übergangsmetalle, insbesondere Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu. Das Federelement ist elektrisch leitfähig beschichtet und/oder besteht aus einer elektrisch leitfähigen Keramik. Das Federelement wird als keramische Folie in einem Werkzeug unter Einfluss von Druck und einer Temperatur nahe der Sintertemperatur der Keramik ent­sprechend geformt. Das Federelement ist insbesondere für den Einsatz in einer Hochtemperatur-­Brennstoffzelle geeignet. Im Gegensatz zu metallischen Federelementen behält das keramische Feder­ element im Langzeiteinsatz seine elastischen Eigenschaften bei. Eine Verringe­rung der Rückstellkraft durch Kriechprozesse ist in diesem Temperaturbereich vernachlässigbar.

Description

Beschreibung Federelemente sowie Herstellung und Verwendung derselben
Die Erfindung betrifft ein Federelement für den Einsatz bei höheren Temperaturen, insbesondere in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, sowie ein geeignetes Verfahren zur Herstellung desselben.
Stand der Technik
In vielen technischen Systemen ist der Einsatz von Federelementen erforderlich, die sich beim Aufbringen einer Kraft elastisch verformen. Bei Wegnahme der Kraft gehen die Elemente selbstständig in ihre Ausgangslage zurück. Wird die Rückverformung behindert, kann durch Federelemente eine permanente Kraft aufgebracht werden.
Ein wichtiges Anwendungsziel ist der Einsatz in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC)-Stacks. Im Stack kann die permanente Kraft von Federelementen insbesondere dazu benutzt werden, die elektrische Kontaktierung der eigentlichen SOFC zu verbessern, sofern eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit über den
Querschnitt des Federelements gewährleistet ist. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt werden zur Kontaktierung von Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf der Anodenseite bevorzugt Ni-Netze, auf der Kathodenseite bevorzugt keramische Kontaktschichten aus elektrisch leitenden Keramiken (in der Regel Perowskite der Struk- tur ABO3) verwendet. Beide Kontaktierungsarten weisen vernachlässigbare
Rückstellkräfte auf.
In den meisten Fällen werden Federn aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Eine wichtige Legierungsgruppe hierbei sind die Si-haltigen Federstähle. Neben der klassischen Federgeometrie weisen auch entsprechend gelagerte Blattfedern oder Profile (z. B. Wellenprofile) elastische Eigenschaften auf und werden in den verschiedensten Bereichen eingesetzt.
Allen aus metallischen Werkstoffen hergestellten Federelementen ist gemein- sam, dass sie ihre elastischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen regelmäßig aufgrund von Kriechprozessen verlieren. Sollen über die Federn perma- nente Kräfte übertragen werden, werden diese mit fortlaufender Betriebsdauer durch Spannungsrelaxation abgebaut. Zwar ist ein Einsatz von Hochtemperaturlegierungen (z. B. Fe-Cr-Stähle oder Ni-Basislegierungen) prinzipiell auch für Federelemente denkbar, diese Legierungen zeigen jedoch in der Regel nur eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit und keine wesentlich verbesserte Kriechbeständigkeit. Für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen sind auch Federelemente aus Kunststoff bekannt. 0 Aufgabe und Lösung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Federelement zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere bei höheren Temperaturen oberhalb von 600 °C bessere elastische Eigenschaften aufweist, als die Federelemente, die bisher aus dem5 Stand der Technik bekannt sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Federelement mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Federelements gemäß Nebenanspruch. Ferner wird die o Aufgabe der Erfindung durch eine Verwendung gemäß weiterem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Federelements, des Herstellungsverfahrens und der Verwendung finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen. 5 Gegenstand der Erfindung Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, wie aus keramischen Folien oder Platten Federelemente hergestellt werden können, die auch bei erhöhten Temperaturen reproduzierbare Federeigenschaften aufweisen. Als ein geeig- o netes Material für ein keramisches Federelement ist insbesondere Y2O3 stabilisiertes ZrO2 zu nennen.
Keramiken haben gegenüber Metallen den Vorteil, dass sie auch bei höheren Temperaturen bis 1000°C ihre elastischen Eigenschaften nicht verlieren, da sie ... .
keiner Spannungsrelaxation unterliegen. Sie sind damit insbesondere als permanente Kraftüberträger für einen Langzeiteinsatz deutlich besser als Metalle geeignet.
5 Vorteilhaft können diese Federelemente zusätzlich elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweisen, indem sie entweder aus einer elektrisch leitfähigen Keramik bestehen, oder indem sie eine elektrisch leitfähige Beschichtung oder Einsätze von elektrisch leitfähigen Folien, Blechen oder Drähten aufweisen. Eine elektrische Leitfähigkeit ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die keramischen Fe-0 derelemente in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden sollen und eine elektrische Kontaktierung über die Federelemente notwendig ist. Für die elektrisch leitfähige Beschichtung kann vorteilhaft Nickel gewählt werden. Ebenso sind geprägte Nickelfolien oder Nickeldrähte als Einsätze geeignet. 5 Bei dem Verfahren zur Herstellung der vorgenannten keramischen Federelemente können vorteilhaft fertige planare keramische Folien eingesetzt werden. Diese können durch das Verfahren des Foliengießens hergestellt und anschließend gesintert werden. Dieser Prozessschritt ist bereits industrieller Standard. Entsprechend können als Ausgangsstoffe für die Herstellung auch industriell herge- o stellte Keramikfolien eingesetzt werden. Die Versinterung der Folien sollte jedoch soweit fortgeschritten sein, dass bei weiterer Haltezeit auf Sintertemperatur keine Sinterschwindung mehr auftritt.
Die eigentliche Erfindung bezieht sich auf den sich daran anschließenden nächs-5 ten Prozessschritt, die Formgebung nach Abschluss der Sinterung. Diese Formgebung kann insbesondere dadurch erreicht werden, indem die planaren Folien in ein geeignet geformtes Werkzeug eingelegt werden. Bei Temperaturen nahe der Sintertemperatur der Keramik und zusätzlicher Belastung in Form von Druck passt sich die Folie mit hoher Reproduzierbarkeit der Kontur des Werkzeugs an. o Beispielhaft wurden im Rahmen dieser Erfindung auf diese Weise wellenförmige Federelemente aus mit 3 mol-% Y203 stabilisiertem ZrO2 (3 YSZ) hergestellt und charakterisiert. Nachfolgend werden beispielhaft einige Materialien angegeben, die im Sinne dieser Erfindung für die Herstellung von Federelementen geeignet sind.
a.) kommerzielle Folienwerkstoffe (keine elektronische Leitfähigkeit): Aluminiumoxid Al2O3, Aluminiumnitrid AIN, Scandiumstabilisiertes Zirkonoxid
ScSZ (enthält 10 mol-% Scandiumoxid), Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (enthält 3 - 10 mol-% Y2O3).
b.) elektrisch leitfähige Keramiken Perowskite der Struktur ABO3 mit A = Lanthanide, davon bevorzugt Lanthan;
Erdalkalien, davon bevorzugt Strontium; Yttrium, und B = Ubergangsmetalle, im wesentlichen Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu.
Ein weiteres Beispiel ist Siliciumcarbid, SiC
Die für die Herstellung der Federelemente benötigten Temperaturen zur zerstörungsfreien Umformung von Keramiken sind in der Regel Werkstoffabhängig. Generell sollten sie 50 - 100 °C unterhalb der Sintertemperatur der Keramik eingestellt werden. Der typische Temperaturbereich für Keramiken liegt daher bei 1200 - 2000 °C. Für die unter a.) aufgeführten Materialien liegen die für die Her- Stellung der Federelemente geeignete Temperaturen eher im Bereich 1200 -
1400 °C und für die unter b.) aufgeführten Materialien eher im Bereich oberhalb von 1600 °C.
Die für die Herstellung der Federelemente benötigten Drücke zur Umformung von Keramiken bei oben genannten Temperaturen liegen in der Regel zwischen 100
- 2000 Pa. Dabei haben sich Haltezeiten von 30 Minuten bis zu 3 Stunden als empfehlenswert herausgestellt.
Der erfindungsgemäße Vorteil dieser Federelemente aus Keramik liegt in ihrer guten langzeitstabilen Elastizität begründet (siehe dazu: L. Michalowski, Neue keramische Werkstoffe, Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart, 1994, S. 337). Darin wird offenbart, dass für die meisten ionisch wie kovalent gebundenen Keramiken erst ab 1000°C eine plastische Deformation makroskopisch nachweisbar wird. Dies bedeutet für den Einsatz der Federelemente in ei- ner SOFC, die üblicherweise bei Betriebstemperaturen zwischen 700 - 800 °C betrieben wird, dass diese Federelemente aus den oben genannten keramischen Werkstoffen ihre elastischen Eigenschaften beibehalten. Eine Verringerung der Rückstellkraft durch Kriechprozesse sollte nach obiger Definition in diesem Temperaturbereich vernachlässigbar sein.
Spezieller Beschreibungsteil Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren, einer Ta-0 belle und mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Die nachfolgend beschriebenen Federelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie ihre elastischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen (T > 600°C) beibehalten. 5 Es zeigen Figur 1 : Werkzeug zur Hochtemperaturverformung von keramischen Folien (Werkstoff des Werkzeugs: AI2O3 mit 99,7% Reinheit) Figur 2: Einzelnes Federelement aus 3 YSZ. Figur 3: Kraft-Verformungskurven von Federelementen der Geometrie A bei o 800 °C als typischer SOFC-Betriebstemperatur (zur Geoemtrie A siehe Tabelle 1). Figur 4: Kraft-Verformungskurve eines Federkissens bestehend aus 60 Einzelelementen der Geometrie B bei 800 °C als typischer SOFC- Betriebstemperatur (zur Geometrie B siehe Tabelle 1). Die5 Kraftübertragung zwischen Oberstempel und Federelementen erfolgte über eine keramische Brennstoffzelle. Figur 5: Stabilisierung eines gebogenen Federelements durch eine stoffschlüssige Verbindung mit einem planaren Substrat. Figur 6: Prinzip eines Federelements mit planaren Keramikstreifen. o Figur 7: Aufbau einer kissenartigen Gesamtstruktur aus mehreren einzelnen Keramikelementen Ausführungsbeispiel 1 : Als Ausgangsmaterial wurde eine gesinterte 3 YSZ-Folie der Fa. Kerafol mit einer Dicke von 0,4 mm eingesetzt. Aus dieser Folie wurden mit einem Diamantsägeblatt jeweils 22 und 25 mm breite und jeweils 60 mm lange Streifen herausgeschnitten und in das in Figur 1 gezeigte Werkzeug eingelegt. Die angestrebte wellenförmige Geometrie des Federelements mit flach auslaufenden Enden beruht auf Modell-Rechnungen, die in der Forschungszentrum Jülich GmbH durchgeführt wurden. Das Werkzeug besteht aus AI2O3 mit einer Reinheit von 99,7 %. Bei AI2O3-Qualitäten mit niedrigerer Reinheit kann es bei der Umformung bei den gewählten Temperaturbereichen nachteilig zu einer Reaktion der Nebenphasen mit dem Folienwerkstoff 3 YSZ kommen. Der Oberstempel des Werkzeugs (1) wurde mit 5 N gegen den Unterstempel (2) belastet (Flächenlast ca. 400 Pa). Die Anordnung wurde in einem Kammerofen an Luft mit 3 K/min auf 1400 °C erwärmt und anschließend 1 h gehalten. Nach der Umformung wurde das 3 YSZ-Profil dem Werkzeug entnommen und mit der Diamantsäge in kleinere Streifen zerteilt. Die Figur 2 zeigt ein einzelnes Federelement nach Abschluss der Formgebung.
Für weiterführende Versuche wurden Federelemente mit zwei unterschiedlichen Geometrien A und B (siehe Tabelle 1) hergestellt. Figur 3 zeigt anhand von Kraft- Verformungskurven die reproduzierbare elastische Rückfederung der Federelemente bei 800 °C (SOFC-Betriebstemperatur). Die Versuche wurden mit einem Federelement der Geometrie A gemacht. Der nutzbare Federweg liegt in der Größenordnung von 325 μm.
Tabelle 1 : Geometrische Abmessungen der hergestellten keramischen Federelemente. Zu der Definition der Abmessungen siehe Figur 2.
Ausführungsbeispiel 2:
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt stellt die Kontaktierung von Hochtemperaturbrennstoffzellen in planaren Stacks in der Regel ein überwiegend starres System dar, da die zur Kontaktierung verwendeten Werkstoffe (Ni-Netz auf der Anodenseite, keramische Kontaktschichtpaste auf der Kathodenseite) bei SOFC-Betriebstemperatur vernachlässigbare elastische Eigenschaften aufweisen. Durch den Einsatz von keramischen Federelementen auf der Anodenseite, auf der Kathodenseite oder auf beiden Seiten der Brennstoffzelle kann eine dauerhafte Kontaktierung erzielt werden, indem permanente Kräfte auf die Kontaktpunkte wir- ken. Weiterhin wird durch die Elastizität der Elemente auch die Toleranz gegenüber im Betrieb des Stacks auftretenden thermomechanischen Spannungen erhöht.
Die für den Betrieb des Stacks unbedingt benötigte elektrische Kontaktierung im Bereich der Federelemente kann dabei insbesondere auf drei Arten realisiert werden: a) Verwendung einer elektrisch leitfähigen Keramik b) Beschichten einer elektrisch isolierenden Keramik mit einer leitfähigen Schicht (z. B. Ni) c) Einbringen von zusätzlichen Strompfaden (z. B. geprägte Ni-Folie oder Ni- Drähte)
Die prinzipielle Machbarkeit der elastischen Lagerung der Brennstoffzelle konnte in einem Versuch gezeigt werden, bei dem 60 wellenförmige Keramikfedern der Geometrie B (Tabelle 1) auf einem Tisch aufgelegt und zusammen mit einer
Brennstoffzelle verformt wurden. Um ein seitliches Verrutschen der Federelemente zu vermeiden, wurden in den Tisch Nuten eingefräst. Die Versuche zeigten, dass sich die Federkräfte der einzelnen Elemente nahezu ideal addieren und Federwege bis zu 300 μm für die elastische Lagerung der Zelle im Stack zur Ver- fügung stehen. Die entsprechende Kraft-Verformungskurve ist in Figur 4 zu sehen. Ausführungsbeispiel 3 (siehe Figur 5):
Eine weitere Möglichkeit, die wellenförmig gebogenen Federelemente (2) zu stabilisieren, besteht darin, sie mit einer planaren Unterlage (1 ) stoffschlüssig zu verbinden. Dies kann erreicht werden durch: a) Versinterung, wenn beide Komponenten aus demselben Werkstoff bestehen (z. B. 3 YSZ) b) Verlöten, wenn die planare Unterlage aus einer hoch temperaturbeständigen Legierung besteht. Eine mögliche Anordnung eines stabilisierten, wellenförmigen Federelements ist in Figur 5 dargestellt.
Ausführungsbeispiel 4:
Neben der mit wellenförmigen Federelementen realisierten Lagerung der Zelle wurde auch ein Konstruktionsprinzip entwickelt, das auf planaren Federelemen- ten basiert. Diese werden ähnlich wie Blattfedern über ein mittig angeordnetes
Stützelement verformt (siehe Figur 6). Durch Anordnung der Keramikstreifen (1) auf beiden Seiten des Stützelements (2) verdoppelt sich bei diesem Ausführungsbeispiel der insgesamt nutzbare Federweg, da sich beide Keramikelemente beim Aufbringen einer Kraft F verformen. Um ein seitliches Verrutschen der Ke- ramikstreifen zu vermeiden, sind Klemmbleche (3) vorgesehen. Bei diesem Konstruktionsprinzip entfällt die Hochtemperaturverformung der Ausgangsfolien.
Es besteht ferner wiederum die Möglichkeit, durch Kombination mehrerer Keramikelemente eine kissenartige Gesamtstruktur aufzubauen, die als Ganzes in das umgebende System (z. B. SOFC-Stack) eingebaut werden kann. Eine solche
Struktur ist in der Figur 7 exemplarisch dargestellt. Im vorliegenden Fall liegen die einzelnen streifenförmigen Keramikelemente (1 ) in paralleler Anordnung auf einem Stützrahmen (2) auf und werden durch entsprechend geformte Klemmbleche (3) in ihrer Position fixiert. Die Federkraft wird über die Klemmbleche in die Keramikelemente eingeleitet. Hierdurch ergibt sich entlang der Krafteinleitungslinien (4) ein nahezu punktelastisches Verformungsverhalten, d. h. die auf einer Krafteinleitungslinie benachbarten Punkte können nahezu unabhängig voneinander elastisch verformt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
l . Federelement für den Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 600 °C, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einer Keramik besteht.
2 . Federelement nach vorhergehendem Anspruch 1 , umfassend Yttriumstabilisiertes ZrO2, Scandiumstabilisiertes ZrO2, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder ein Perowskit der Struktur ABO3 mit A = Lanthanide, Erdalkalien oder Yttrium und B = Ubergangsmetalle, insbesondere Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Cu.
3 . Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einer elektrisch leitfähigen Ke- ramik besteht.
4 . Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet ist.
5 . Federelement nach vorhergehendem Anspruch 4 mit einer elektrisch leitfä- higen Schicht aus Ni.
6 . Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement Strompfade aufweist.
7 . Federelement nach vorhergehendem Anspruch 6, mit Strompfaden aus Ni- Folie oder Ni-Draht. . Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit einer wellenförmigen Ausgestaltung. . Federelement nach vorhergehendem Anspruch 8, welches stoffschlüssig mit einem weiteren planaren Element verbunden ist. 0 . Federelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, welches wenigstens zwei planare Keramikelemente umfasst, zwischen denen ein Stützelement angeordnet ist.
11. Federelementsystem umfassend mehrere Federelemente nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10.
12. Verfahren zur Herstellung eines Federelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten - eine keramische Folie wird in ein Werkzeug eingebracht, - unter dem Einfluss von Druck und Temperaturen nahe der Sintertemperatur der Keramik passt sich die keramische Folie der Geometrie des Werkzeugs an.
13 . Verfahren nach vorhergehendem Anspruch 12, bei dem eine keramische Folie eingesetzt wird, die bei Erwärmung auf Sintertemperatur keine weitere Schwindung mehr aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 13, bei dem ein maximaler Druck von 100 bis 2000 Pa auf die keramische Folie einwirkt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, bei dem eine maximale Temperatur von mehr als 1200 °C, insbesondere von mehr als 1350 °C eingestellt wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, bei dem die keramische Folie dem maximalen Druck und der maximalen Temperatur für wenigstens 30 Minuten ausgesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, bei dem ein Werkzeug aus einem Material eingesetzt wird, welches bei dem eingestellten Druck und der Temperatur keine chemischen Wechselwirkungen mit der keramischen Folie eingeht.
18 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, bei dem ein Werkzeug aus 99,7 % reinem AI2O3 eingesetzt wird.
19. Verwendung eines Federelements nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer Brennstoffzelle.
20. Verwendung nach vorhergehendem Anspruch 19 in einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle.
EP05738488A 2004-04-20 2005-04-01 Federelemente sowie herstellung und verwendung derselben Withdrawn EP1737803A1 (de)

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