Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4244
Wiener, Florian
Entwicklung eines Dichtungskonzepts mit elastischer Komponente für die oxidkeramische Brennstoffzelle
121 S., 2007
Ein hocheffizienter Energiewandler zur Stromgewinnung aus chemischer Energie ist die
oxidkeramische Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC). Wesentliche Ziele der SOFC-Systementwicklung
sind Erhöhung der Langzeitstabilität und Steigerung des Wirkungsgrades.
Dafür sind neue Dichtungskonzepte notwendig.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige kompressible Verbunddichtung
entwickelt und hinsichtlich Leckage unter verschiedenen Betriebsbedingungen,
Thermozyklierfähigkeit und chemischer Langzeitstabilität charakterisiert. Abhängig von der
Betriebsdauer, Temperatur und Flächenpressung wurde ein analytisches Modell für den
Dichtmechanismus entwickelt. Wesentliches Kennzeichen der Dichtung ist ein bei SOFC-Betriebstemperatur
elastisches Glimmerpapier, welches zwischen zwei geprägten
Stahlblechen gasdicht gekapselt wird. Zur Abdichtung benachbarter Ebenen in Stacks ist
optional eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen.
Zum Funktionsnachweis von Dichtungskonzepten in Stacks wurde ein Prüfstand in Betrieb
genommen, der mit Hilfe von Durchflussratenbestimmung und massenspektrometrischer
Analyse die Leckageströme innerhalb des Stacks und in die Umgebung quantifiziert. Mit
Hilfe der Ergebnisse von 10 Stacktests konnte der Funktionsnachweis erbracht und Aussagen
bezüglich der Massenbilanz bei allen Betriebsbedingungen von Brennstoffzellen-Stacks
getroffen werden.
Die industrielle Durchführbarkeit des Konzeptes wurde mit einem Industriepartner
demonstriert, welcher zu Herstellungskosten von £12/Stück in einem halbautomatischen
Prozess 100 Dichtungen produzierte.
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are highly efficient electrochemical energy converters.
Currently, the main issues in SOFC system development are an increase the long-term
stability and system efficiency. Therefore new sealing concepts for stacks are needed.
The aim of this work was to develop a novel compressive composite gasket. The
characteristics of leakage, thermal cyclability, and long-term chemical stability were studied
at various operating conditions. An analytic model for the sealing mechanism with
dependence of operating time, temperature, and normal load has been developed. The main
property of the gasket is a layer of mica paper which remains elastic at SOFC operating
temperatures. It is contained in a gas-tight encapsulation formed by two embossed steel
sheets. For sealings between neighboring stack layers, an electrically insulating layer is still in
development.
To deliver the proof of concept for sealing concepts in stacks a test-bed was put into
operation. The apparatus quantifies leakage fluxes within the stack and to the surroundings by
mass flow measurements and mass spectroscopy. By performing ten stack tests, the proof of
functionality for the test-bed was achieved, and mass balances were calculated for SOFCstacks
at any operating condition.
Commercial feasibility of the composite gasket was demonstrated with an industrial partner.
At manufacturing costs of £12/piece, a batch of 100 gaskets was produced in a semiautomatic
process.
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