用于通过逐层堆积制造固体氧化物燃料电池元件的方法和固体氧化物燃料电池元件技术

用于通过逐层堆积制造固体氧化物燃料电池元件（2）的方法的特征在于，通过进行至少包括以下过程至少一次的步骤堆积元件的至少一个部分：将具有预定尺寸的颗粒陶瓷材料的层部分在预定区域中施用到基层上，并且借助热源加热层部分使得陶瓷材料的颗粒以预定尺寸彼此连接。通过所述方法制造的固体氧化物燃料电池元件实现为单件，以及高度紧凑，并且具有低重量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于通过逐层堆积制造固体氧化物燃料电池元件的方法和固体氧化物燃料电池元件相关申请本申请要求2011年7月05日提交的德国专利申请N0.10 2011 106 654.7,2011年7月05日提交的美国临时专利申请N0.61/504,368和2011年4月21日提交的美国临时专利申请N0.61/477，703的提交日的权益，所述申请的公开内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及用于通过逐层堆积(layer-wise buildup)制造固体氧化物燃料电池元件的方法。本专利技术还涉及固体氧化物燃料电池元件。
技术介绍
现在，设计用于不同目的的驱动单元中最重要的努力之一是使对燃料的需求最小化以确保驱动元件尽可能有效且无污染的操作。但是，根据各自的目的，主要目的也可以是重量减轻，例如，当将驱动单元用于交通工具并且特别地用于飞行器时。为了优化飞行器中的燃料需求，目前的常见做法是利用燃料电池系统产生电力并因此减少待由主发动机产生的机械功率，所述功率的一部分用于驱动发电机。申请号DE 10 2011 018 448.1的德国专利申请描述了特别有利的驱动单元，其中在内燃机中直接实现了燃料电池装置与燃烧室的高度紧凑的整合和耦接。燃料-空气混合物流经固体氧化物燃料电池使得燃料电池过程在燃料电池中开始。流经燃料电池的燃料-空气混合物仅部分用于燃料电池过程。未消耗的燃料-空气混合物流入下游燃烧室中以常规地产生机械功率。
技术实现思路
为了进一步压缩由燃料电池和内燃机组成的整合单元并因此另外地减少其重量，优化固体氧化物燃料电池的形状和布置似乎是明智的。因此本专利技术的目的在于提出一种方法，通过所述方法可制造对于燃料电池过程具有尽可能大的可用面积的固体氧化物燃料电池元件以使尽可能小的空间中的功率最大化。另一个目的在于提出一种固体氧化物燃料电池元件，其不仅具有尽可能紧凑的形状，而且具有尽可能大的可用面积。关于所述方法的目的通过具有独立权利要求1的特征的方法实现。从属权利要求中限定了有益的实施方案和进一步的发展。在这一点上，对上述驱动单元的设计进行描述以阐明根据本专利技术的固体氧化物燃料电池元件的功能。该驱动单元包括用于使燃料-空气混合物燃烧的燃烧室，其中所述燃烧室包括用于供应燃料-空气混合物的燃烧室入口和用于排出废气的燃烧室出口 ；以及至少一个固体氧化物燃料电池元件，其包括至少一个燃料电池，所述燃料电池具有可与阳极燃料供应线耦接的阳极和可与空气源耦接的阴极，其中所述燃料电池包括与燃烧室入口连接的流体出口。因此，在关于由燃料流动限定的流动方向的至少一个燃料电池下游布置燃烧室使得由至少一个燃料电池中出来的阴极/阳极气体混合物可流经燃烧室。因此，由固体氧化物燃料电池元件与燃烧室直接在内燃机中的特别有利的直接且高度紧凑整合和耦接，可以看出该驱动单元的一个典型方面，其中起源于空气源并且为内燃机功能所需的空气流首先流经固体氧化物燃料电池元件。因此，关于燃料电池过程，该空气流在以下也称为“阴极空气流”，其中该阴极空气流借助供应至阳极的燃料导致了电力的产生。可以看出，特定特征在于，在来自阴极空气流的氧被部分消耗(S卩，在燃料电池运行期间氧在阴极上被还原并且燃料在阳极上被部分氧化)之后，剩余的阴极空气流和剩余的燃料质量流通过燃料电池出口由固体氧化物燃料电池元件出来并被直接引入到燃烧室的燃烧室入口中。在该位置上，剩余的(气态)燃料优选完全燃烧并且废气通过燃烧室出口向外排出。因为阴极空气流被直接导入到燃烧室中而不经过热交换器或用于桥接空间距离的管线，所以由固体氧化物燃料电池元件中电力产生导致的热和增加的压力可用于产生机械功率。由于在燃烧室中燃烧，所以未消耗的燃料组分导致压力进一步增加和另外的热。燃烧室中达到的总压力后续可用于产生机械功率，即常规驱动单元中的旋转机械功率或推进功率形式的机械功率。为了实现特别有效的运行，因此理所当然地应该试图通过控制燃料至至少一个燃料电池的供应来实现完全燃烧。因此，可用于固体氧化物燃料电池元件的结构空间可优选地具有中空圆柱体的形状，原因是压缩机与涡轮之间延伸的轴需要能够延伸通过固体氧化物燃料电池元件以便于后者需要提供对应的轴道或另一个合适的中空空间。在根据本专利技术的方法中，进行逐层堆积，其中通过进行至少包括以下过程至少一次的步骤堆积固体氧化物燃料电池元件的至少一部分:在预定区域中将具有预定尺寸的颗粒陶瓷材料的层部分施用到基层上，以及借助热源加热层部分使得陶瓷材料颗粒在预定尺寸内彼此连接。换言之，薄层形式的陶瓷材料颗粒的聚集在基层上的预定区域中局部产生。由于对该凝聚层的局部或全表面加热而使颗粒彼此连接并形成机械粘合的固体层。如有需要，则可在完成的层上将该过程重复一次或数次以制造组件，在该情况下为数个各为波状的硬化层的固体氧化物燃料电池元件。这种生产制造方法称为“ALM”(“加层制造(AdditiveLayer Manufacturing)”),但是在现有技术中主要与金属和塑料颗粒联合使用。层部分可能的最小底面积(S卩，最细微的可制造结构)特别地取决于热源的几何形状。当使用激光作为热源时，最小的可制造结构取决于光点或射束点的大小，其中所用陶瓷材料的粒径也可影响可到达的结构细度。这种逐层堆积允许设计完全不同于管状固体氧化物燃料电池的径向分布布置的固体氧化物燃料电池元件。如果固体氧化物燃料电池元件由单一件组成，则为了实现将固体氧化物燃料电池布置在发动机轴周围，尤其可利用形状为中空圆柱体的可用结构空间。因此，可实现形状为环或环形段的燃料电池，形状为环或环形段的数个燃料电池的同中心布置，以及形状为环或环形段的数个燃料电池同中心布置的轴向分布。由于施用层部分并且加热各个层部分，所以实际上可制造任意形状的陶瓷材料，其也可包括底部切口并具有没有接头的一般复杂的形状，特别地，对于优选空间要求和可用表面。与各个管状电池的径向分布布置相比，单件固体氧化物燃料电池元件也可具有更低的质量，但是具有更大的面积。基本上存在几种选择来用于实施该类型的根据本专利技术的方法。将层部分施用到基层上可包括以下步骤I)或2)之一，所述步骤I)或2)分别包括:1)在基层上提供陶瓷颗粒的粉末床层，并且借助热源将颗粒烧结成预定尺寸的粉末床层部分使得颗粒在预定尺寸内彼此连接，以及然后进行冷却；2)借助一个或更多个喷嘴将陶瓷颗粒供应到基层的预定区域上，并且借助热源烧结颗粒使得颗粒在预定尺寸内彼此连接，以及然后进行冷却。这些步骤的主要不同在于施用和烧结的时间顺序。当使用粉末床层施用到基层上时，例如借助喷嘴或其它分散装置施用在其整个表面上，然后用刮片、刮刀或其它装置分配，则待使用的所有材料在热源被启动之前已经以其整体存在。根据控制装置的说明书，合适的热源经过粉末床层的一部分并因此可局部地加热粉末使得陶瓷颗粒沿期望轮廓和表面彼此连接。粉末床层中没有经热源作用的所有区域仍然是粉末状的，并且可定期或在制造过程完成之后从逐渐形成的固体氧化物燃料电池元件中移除。在一种替代方法中，颗粒陶瓷材料连续地在层面上沿期望轮廓和表面局部施用并随后或在施用后立即通过使用来自热源的热局部作用于其上来固化。在这种情况下，不用移除不需要的颗粒，其中如果硬化层与基层的几何表面之比非常小则这是特别有利的。在本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过逐层堆积制造固体氧化物燃料电池元件（2）的方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池元件（2）的至少一个部分通过进行至少包括以下过程至少一次的步骤来堆积：?将具有预定尺寸的颗粒陶瓷材料的层部分施用到预定区域中的基层（36,38）上，以及?借助热源（40）加热所述层部分，使得所述陶瓷材料的所述颗粒在所述预定尺寸内彼此连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.05 DE 102011106654.7;2011.04.21 US 61/4771.一种通过逐层堆积制造固体氧化物燃料电池元件(2)的方法， 其特征在于，所述固体氧化物燃料电池元件(2)的至少一个部分通过进行至少包括以下过程至少一次的步骤来堆积: -将具有预定尺寸的颗粒陶瓷材料的层部分施用到预定区域中的基层(36，38)上，以及 -借助热源(40)加热所述层部分，使得所述陶瓷材料的所述颗粒在所述预定尺寸内彼此连接。2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，将所述层部分施用到所述基层(36，38 )上包括以下步骤I)或2 )之一，所述步骤I)或2)分别包括: 1)在所述基层(36，38)上提供陶瓷颗粒的粉末床层(34 )，并且借助热源(40 )烧结具有预定尺寸的所述粉末床层(34)的部分中的所述颗粒，使得所述颗粒在所述预定尺寸内彼此连接，以及随后进行冷却； 2)借助一个或更多个喷嘴将陶瓷颗粒供应到所述基层的预定区域上并借助热源(40)烧结所述颗粒，使得所述颗粒在所述预定尺寸内彼此连接，以及随后进行冷却。3.根据权利要求1或 2所述的方法， 其特征在于，将所述颗粒陶瓷材料的至少一个另外的层部分施用到包含之前施用的层部分(36 )的所述基层(36，38 )上。4.根据前述权利要求之一所述的方法， 其特征在于，所述热源(40)是可移动的，并且在所述热源(40)的连续或脉冲功率输出下进行层部分的所述施用，直至达到所述层部分的预定尺寸。5.根据前述权利要求之一所述的方法， 其特征在于，通过用陶瓷材料的不同组合物连续施用一系列层部分以使得产生具有不同陶瓷材料的单件元件来制造所述固体氧化物燃料电池元件(2 )。6.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于，用于制造阳极(22)的所述陶瓷材料的第一组合物包含掺杂钇的二氧化锆与镍的混合物。7.根据权利要求5或6所述的方法， 其特征在于，用于制造阴极(24)的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：于尔根·施泰因万德尔，克里斯蒂安·沃尔夫，克劳斯·霍夫亚，
申请(专利权)人：空中客车德国运营有限责任公司，
类型：
国别省市：