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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle mit einem tubularen Elektrolytkörper.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen, die als SOFC-Brennstoffzellen ausgeführt sind, besitzen einen oxidkeramischen Festkörper, der durch den tubularen Elektrolytkörper gebildet sein kann. Die Solid-Oxide-Fuel-Cell(SOFC)-Brennstoffzellen können rohrförmig ausgebildet sein und sind daher auf Grund ihrer geometrischen Ausgestaltung gegen planar ausgebildete Brennstoffzellen abzugrenzen. Die rohrförmigen Brennstoffzellen können beidseitig offen ausgeführt sein, so dass Brenngas durch die rohrförmige Brennstoffzelle hindurchgeleitet wird, wobei rohrförmige Brennstoffzellen auch an einer Endseite geschlossen ausgeführt werden können, so dass Brenngas über eine Lanze innenseitig in die Brennstoffzelle geleitet wird.
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Die tubularen SOFC-Brennstoffzellen können außenseitig mit Luft umspült werden, so dass der Brennstoffzellenprozess stattfinden kann, wobei das Brenngas in den tubularen Elektrolytkörper geleitet wird, und innenseitig die Wandung der Brennstoffzelle umströmt. Außenseitig und innenseitig der Wandung des Elektrolytkörpers sind Elektroden aufgebracht, wobei außenseitig die Kathode und innenseitig die Anode bevorzugt vorgesehen ist.
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So genannte elektrolytgetragene SOFC-Brennstoffzellen weisen einen Elektrolytkörper auf, der in Größe, Wandstärke und Materialauswahl derart stabil ausgeführt ist, dass die tubulare Form der SOFC-Brennstoffzelle durch die geometrische Gestalt des Elektrolytkörpers vorgegeben ist, so dass eine so genannte ESC-Brennstoffzelle (Electrolyt Supported Cell) gebildet ist. Ferner sind anodengetragene SOFC-Brennstoffzellen bekannt, die einen Anodenkörper aufweisen, die geometrisch und mechanisch derart ausgebildet sind, dass die Grundstruktur der SOFC-Brennstoffzelle durch die Anode vorgegeben ist. Folglich kann der Elektrolytkörper entsprechend dünnwandiger ausgebildet werden. Insbesondere die tubularen elektrolytgetragenen Brennstoffzellen können mit höheren Betriebstemperaturen betrieben werden als die anodengetragenen Brennstoffzellen, wobei außerdem die Nutzung von keramischen Interkonnektoren gegeben ist, wodurch sich Vorteile durch geringere Kathodenalterung ergeben.
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Zur Herstellung von SOFC-Brennstoffzellen ist es bekannt, die Anode oder die Kathode als Röhre zu extrudieren oder zu pressen, die in einem aufwendigen Folgeverfahren mit dem dünnen Elektrolyten oder der dünnen Gegenelektrode beschichtet wird. Verfahrensbedingt muss dabei die Röhre recht dickwandig ausgeführt werden, weil das Elektrodenmaterial auf Grund der hohen Porosität eine nur geringe Festigkeit aufweist. Wenn geschlossene Röhren extrudiert werden, müssen diese nachträglich durch ein Zudrücken geschlossen werden. Dabei entstehen an der Schließstelle so genannte Bindenähte, die bei den betriebsbedingten thermomechanischen Spannungen Schwachstellen bilden, so dass durch die Bindenähte die Betriebsdauer der SOFC-Brennstoffzelle begrenzt sein kann. Elektrolytgetragene Brennstoffzellen besitzen einen tubularen Elektrolytkörper, der dickwandiger ausgeführt ist, so dass aus thermomechanischer Sicht eine höhere Robustheit gebildet wird. Ferner sind elektrolytgetragene Zellen weniger anfällig gegen Bruch bei Reoxidation der Anode, was durch Anpassung der Betriebsparameter des Stacks vermieden werden kann, jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.
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Die Stromabführung der Elektroden erfolgt meist über metallische Interkonnektoren, wobei die Materialeigenschaften einer hohen Korrosionsbeständigkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit kombiniert werden müssen. Hierzu sind hoch-chromhaltige Werkstoffe bekannt, wobei eine im Betrieb der SOFC-Brennstoffzelle entstehende Chromoxidschicht als Gift für das Kathodenmaterial wirkt, so dass auf Grund der schnelleren Alterung der Brennstoffzelle hoch-chromhaltige Werkstoffe nicht optimal sind. Eine Brennstoffzelle mit sehr dünnen Wandstärken des Elektrolytkörpers sowie der Elektroden ist daher wünschenswert, da durch Reduzierung der jeweiligen Wandstärken der chemisch-elektrische Wirkungsgrad erhöht wird. Jedoch sind nach dem Stand der Technik keine Verfahren bekannt, die die Herstellung von tubularen Elektrolytkörpern ermöglichen, die einen großen Schlankheitsgrad mit einer geringen Wandstärke aufweisen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle mit einem tubularen Elektrolytkörper bereitzustellen, mit dem wenigstens der Elektrolytkörper derart ausgebildet sein kann, dass die Betriebseigenschaften der SOFC-Brennstoffzelle verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine SOFC-Brennstoffzelle gemäß Anspruch 12.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht wenigstens vor, dass der tubulare Elektrolytkörper mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt wird, indem Elektrolytmasse in einem fließfähigen Zustand in einen durch ein Spritzgusswerkszeug gebildeten Hohlraum gespritzt wird.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, zur Herstellung eines tubularen Elektrolytkörpers ein Spritzgussverfahren zu verwenden, indem ein Spritzgusswerkzeug mit einem Hohlraum bereitgestellt wird, in den vergleichbar mit der Spritzgussform eines Kunststoff-Spritzgussverfahrens die fließfähige Elektrolytmasse eingespritzt und anschließend wenigstens derart gehärtet wird, dass der Elektrolytkörper einen Festkörper bildet, der aus dem Spritzgusswerkzeug entnommen werden kann. Damit grenzt sich die vorliegende Erfindung gegen die Extrusion von Elektrolytkörpern ab, die nach Art einer Matrizenformgebung eine Röhre bildet, die auf Grund der kontinuierlichen Prozesseigenschaft der Extrusion nicht endseitig geschlossen hergestellt werden kann. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Spritzgussverfahrens zur Herstellung eines Elektrolytkörpers liegt in der Möglichkeit, Elektrolytkörper endseitig geschlossen herzustellen. Die Kappe, die die geschlossene Endseite des Elektrolytkörpers bildet, kann entweder als einzelnes Einlegeteil zum Einlegen in das Spritzgusswerkzeug ausgeführt sein oder der die Kappe bildende Bereich wird im Spritzgussschritt mit ausgebildet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Gusskern vorgesehen sein, wobei der Gusskern vor dem Einspritzen der Elektrolytmasse in den Hohlraum im Hohlraum angeordnet wird und wobei der zwischen dem Gusskern und dem Spritzgusswerkzeug gebildete Hohlraum vorzugsweise einen endseitig geschlossenen Tubus bildet. Durch Anwendung eines Gusskerns kann ein Elektrolytkörper einer tubularen Form hergestellt werden, so dass die Elektrolytmasse ringförmig um den Gusskern herum in den Hohlraum eingespritzt wird. Der Gusskern kann mit Vorteil selbst hohl ausgebildet sein, um eine leichtere Entformung des Gusskerns zu ermöglichen, wenn die Elektrolytmasse zu einem tubularen Elektrolytkörper in fester Form erstarrt ist. Der radiale Abstand zwischen dem zylindrischen Gusskern und dem rohrförmigen Hohlraum bildet die spätere Wanddicke des Elektrolytkörpers, die möglichst gering ausgeführt wird, wobei ein sicheres Entformen des Elektrolytkörpers sowie eine sichere Entnahme des Gusskern aus dem erstarrten Elektrolytkörper möglich ist, ohne den Elektrolytkörper zu beschädigen.
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Um die Brennstoffzelle auf einem Grundkörper anzuordnen, ist es von Vorteil, den Elektrolytkörper am offenen Ende mit einem Flanschabschnitt auszustatten. Dafür kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Flanschabschnitt im Schritt des Spritzgießens des Elektrolytkörpers ausgebildet wird und nachfolgend zur Bildung einer geschliffenen Planfläche vorzugsweise spanend nachbearbeitet wird. Die spanende Nachbearbeitung des Flanschabschnittes erfolgt auf der Oberfläche, die bei Montage des Elektrolytkörpers an eine Oberfläche des Grundkörpers angrenzt, die ebenfalls als geschliffene Oberfläche ausgeführt werden kann. Wenn die geschliffene Oberfläche des Flanschabschnittes und die geschliffene Oberfläche des Grundkörpers aufeinander zur Plananlage gebracht werden, kann eine Dichtwirkung zwischen dem Elektrolytkörper und dem Grundkörper erzeugt werden, die hinreichend ist, um auf die Verwendung von Glasloten zu verzichten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Trägerkörper vorgesehen sein, der ein Elektrodenmaterial und/oder ein Interkonnektormaterial aufweist, wobei der beschichtete Trägerkörper auf dem Gusskern angeordnet wird, bevor die Elektrolytmasse in den Hohlraum eingespritzt wird. Insbesondere kann der Träger aus einem löslichen, insbesondere wasserlöslichen Polymer vorzugsweise aus einem Cellulosederivat, Methylcellulose oder Polymer auf Basis von Acrylsäure, Maleinsäure, Vinylpyrrolidon, Vinylimidazol oder Polyvinylalkohol, vorzugsweise als Folie oder wenigstens als Körper mit einer flächigen Erstreckung ausgebildet sein. Damit kann das Prinzip der Folienhinterspritzung umgesetzt werden, indem ein Trägerkörper in Form einer Folie auf den Gusskern aufgebracht wird, wobei der Trägerkörper vorher mit dem Elektrodenmaterial und/oder mit dem Interkonnektormaterial beschichtet wird.
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Wird die Elektrolytmasse in den Hohlraum eingespritzt, so geht diese eine stoffschlüssige Verbindung mit vorzugsweise dem Elektrodenmaterial ein. Wird der Trägerkörper nachfolgend entfernt, so bleibt ein Elektrodenmaterial und vorzugsweise ein auf diesem aufgebrachtes Interkonnektormaterial auf dem Elektrolytkörper zurück, wodurch die innenseitige Elektrode mit einer entsprechenden Kontaktierung bereitgestellt wird. Durch die genannte Materialauswahl des Trägerkörpers wird der Vorteil erreicht, dass der Trägerkörper nach der Herstellung des Elektrolytkörpers aufgelöst werden kann, ohne dabei die Funktionsschichten wie das Elektrodenmaterial und/oder das Interkonnektormaterial zu beschädigen. Auf diesem Wege können beispielsweise dreidimensional gestaltete, feinstrukturierte Funktionsschichten hergestellt werden, beispielsweise in Form einer dünnen Elektrode mit gitterartig, matrixartig oder streifenförmig aufgedrucktem Interkonnektor.
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Der Vorteil von wasserlöslichen Polymerfolien ist die mit konventionellen Folien vergleichbare Oberflächengüte, die die Benetzbarkeit und Druckbildstabilität gewährleistet, wenn das Prinzip der Folienhinterspritzung Verwendung findet. Der folienartige Trägerkörper kann eben ausgeführt und bedruckt werden, um anschließend um den im Wesentlichen zylinderförmigen Gusskern herum angeordnet zu werden.
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Mit Vorteil kann der folienartige Trägerkörper als rohrartiger oder schlauchartiger Hüllkörper ausgebildet werden, so dass dieser über den lanzenartig, im Wesentlichen zylindrisch ausgeführten Gusskern aufgeschoben wird. Zunächst kann das Interkonnektormaterial direkt auf die Oberfläche des Trägerkörpers aufgebracht werden, welches flächendeckend oder mit einer Struktur ausgeführt sein kann. Anschließend wird das Elektrodenmaterial als flächendeckende Schicht aufgebracht, welches nach Anordnung des Trägerkörpers auf dem Gusskern die Außenfläche bildet. Folglich kommt die Elektrolytmasse mit dem Elektrodenmaterial in Kontakt und geht mit diesem eine stoffschlüssige Verbindung ein. Werden der Gusskern und der Trägerkörper anschließend entfernt, bilden das Elektrodenmaterial und das Interkonnektormaterial Beschichtungen auf der Innenseite des Elektrolytkörpers, so dass eine mit Vorteil elektrisch kontaktierte Elektrode, insbesondere eine Anode gebildet ist.
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Ein Bedrucken des folienartigen Trägerkörpers kann mit unterschiedlichen Druckverfahren erfolgen, wobei ein Rollensiebdruck als besonders vorteilhaft Verwendung finden kann. Dadurch lassen sich dreidimensionale Strukturen aufbauen, die für die Brennstoffzelle aus einer sehr dünnen, gleichmäßigen Elektrode und bis zu einem Millimeter erhabenen Interkonnektorstegen als Stromsammler bestehen können. Um den Prozess der Folienhinterspritzung zu stabilisieren, können Folien mit einer ausreichenden Steifigkeit verwendet werden, die je nach Material eine Dicke von beispielsweise 100 bis 300 μm aufweisen können. Damit ist die Voraussetzung geschaffen, dass die Trägerfolie während des Spritzvorganges stabil bleibt, somit also nicht verknittert oder sich verschiebt. Insbesondere kann die Trägerfolie auf dem Gusskern fixiert werden, so dass anschließend die Formfüllung mit der keramischen Masse als Compound stattfinden kann.
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Die pastöse Elektrolytmasse und der Compound sind chemisch aufeinander angepasst, so dass eine innige Verbindung der Funktionsschicht mit dem Bauteil stattfinden kann. Nach Entnahme des Elektrolytkörpers aus dem Werkzeug erhält man einen Tubus, auf dessen Innenseite die Folie positioniert ist. Zur Vorentbindung des folienartigen Trägerkörpers werden die Teile in vollentsalztes oder destilliertes Wasser für bis zu sechs Tage eingelegt, um die Folie ab- oder herauszulösen und um damit die schonende Freilegung der Funktionsschichten zu realisieren. Durch eine leichte Temperaturerhöhung des Wasserbades auf 40 bis 50°C kann der Ab- oder Auslösevorgang beschleunigt werden. Durch diesen Vorgang wird im Inneren des Tubus eine freie Bauteiloberfläche geschaffen, die mikroskopisch gesehen die gleiche Porosität aufweist, wie der Rest des Bauteils, die Grundvoraussetzung für eine schadfreie thermische Entbindung darstellt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle kann der tubulare Elektrolytkörper sehr dünnwandig ausgeführt werden. Auch die innenseitig oder außenseitig angebrachten Elektroden sowie der Interkonnektor können in ihrer Dicke stark reduziert werden. Folglich verringert sich die Steifigkeit der Brennstoffzelle, die mit einem großen Schlankheitsgrad ausgeführt sein kann, so dass das Verhältnis von Länge zu Durchmesser sehr groß gewählt ist. Folglich ist es wünschenswert, den Elektrolytkörper zu stabilisieren. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Gusskern mit einer Halterung von Zentriermitteln ausgestattet werden, die derart ausgebildet sind, dass beim Spritzgießen die Zentriermittel am Elektrolytkörper gebildet oder angeordnet werden, die zur Abstützung gegen eine Lanze dienen. Die Zentriermittel können beispielsweise am Ende der Lanze angeordnet werden, um eine mechanische Verbindung zwischen dem Ende des Elektrolytkörpers, beispielsweise im Bereich der geschlossenen Kappe, und dem Ende der Lanze zu bilden. Ferner können mehrere Haltestege zwischen der Lanze und dem Elektrolytkörper vorgesehen sein, um den Elektrolytkörper gegen die Lanze auszusteifen. Dies setzt voraus, dass die Lanze aus einem festen, biegesteifen Material hergestellt ist, welches beispielsweise in der Wandstärke vergrößert sein kann.
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Ist der Elektrolytkörper durch den Spritzgussprozess hergestellt, kann dieser nach der Entformung aus dem Spritzgusswerkzeug und insbesondere nach der Entnahme des Gusskerns aus dem Elektrolytkörper einem Sinterprozess zugeführt werden, wobei die Entnahme des Gusskerns aus dem Elektrolytkörper alternativ auch mittels thermischer Entbindung ausgeführt werden kann.
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Nach einem weiteren wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle mit einem tubularen Elektrolytkörper kann dieser nach dem Sinterprozess wenigstens auf der Außenseite mechanisch nachbearbeitet werden, wobei die mechanische Nachbearbeitung insbesondere eine Schleifbearbeitung betreffen kann, um die Wanddicke des Elektrolytkörpers zu reduzieren. Damit wird der Vorteil erreicht, eine Verringerung der Wandstärke des Elektrolytkörpers zu schaffen, ohne den Elektrolytkörper im direkten Herstellungsprozess bereits mit einer dünnen Wandstärke zu versehen. Insbesondere kann nach dem Spritzgussprozess ein Sinterprozess folgen, so dass der Elektrolytkörper die endgültige Härte erhält.
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Erst nach dem Sinterprozess kann die Schleifbearbeitung auf der Außenseite des Elektrolytkörpers erfolgen. Somit kann die minimal mögliche Wanddicke des Elektrolytkörpers durch einen Schleifprozess bestimmt werden. Verfügt die im tubularen Elektrolytkörper innen liegende Anode über eine Stabilisierung, so kann beim Schleifprozess die Dicke des Elektrolytkörpers weiter reduziert werden, ohne dass die tubulare Einzelzelle zerbricht. Voraussetzung hierfür ist eine stabilisierende Struktur in der innen liegenden Anode bzw. der Struktur eines Gitters, das den Interkonnektor bildet. Die Anode auf der Innenseite des Elektrolytkörpers kann beispielsweise mit einer Dicke ausgebildet sein, die eine mechanische Steifigkeit der Brennstoffzelle bewirkt. Daraus folgt, dass insbesondere bei einer anodengestützten Brennstoffzelle die Dicke des Elektrolytkörpers durch einen Schleifprozess nachträglich verringert werden kann. Die elektrische Leistung einer tubularen Brennstoffzelle hängt maßgeblich von der Dicke des Elektrolytkörpers ab. Je dünner die Wandstärke des Elektrolytkörpers, desto niedriger ist der ohmsche Widerstand dieser Schicht und umso größer kann die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle sein.
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Nach dem Schleifen der Außenseite des Elektrolytkörpers kann ein Elektrodenmaterial und vorzugsweise weiterhin ein Interkonnektormaterial auf der Außenseite des Elektrolytkörpers aufgebracht werden.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle in einer schematischen Ansicht, die mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist,
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2 eine schematische Ansicht des Verfahrensschrittes zur Herstellung einer elektrolytgetragenen SOFC-Brennstoffzelle, wobei der Verfahrensschritt das Einspritzen der Elektrolytmasse in einen Hohlraum eines Werkzeugs zeigt und
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3 ein Entformen des Elektrolytkörpers aus dem Spritzgusswerkzeug.
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In 1 ist eine Brennstoffzelle 1 dargestellt, die als elektrolytgetragene SOFC-Brennstoffzelle dargestellt ist. Die Brennstoffzelle 1 besitzt einen Elektrolytkörper 10, der hinsichtlich seiner geometrischen Ausgestaltung die mechanische Struktur der Brennstoffzelle 1 vorgibt. Der Elektrolytkörper 10 weist eine Wandstärke auf, die eine hinreichende Steifigkeit der Brennstoffzelle 1 bewirkt, und auf dem Elektrolytkörper 10 innenseitig und außenseitig aufgebrachte Elektroden sind als dünne Schichten vorgesehen. Innenseitig ist ein Elektrodenmaterial 16 dargestellt, welches die Anode bilden kann, wobei außenseitig ein Elektrodenmaterial 20 gezeigt ist, das die Kathode repräsentiert. Auf den Elektrodenmaterialien 16 und 20 sind Interkonnektormaterialien 17 und 21 aufgebracht, um die Elektroden elektrisch zu kontaktieren. Die gezeigte Brennstoffzelle 1 stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Merkmale der vorliegenden Erfindung auch auf Brennstoffzellen 1 Anwendung finden, die als anodengestützte SOFC-Brennstoffzellen 1 ausgeführt sind. Dabei wird das Anodenmaterial, vorliegend das innenseitig aufgebrachte Elektrodenmaterial 16, selbst als ausgesteifter Körper durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ausgebildet, der die mechanische Gesamtstruktur der Brennstoffzelle 1 bewirkt. Folglich kann der Elektrolytkörper 10 entsprechend dünner ausgeführt werden, der durch das innenseitige Elektrodenmaterial 16 gebildete Anode mechanisch getragen wird.
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Der Elektrolytkörper 10 kann in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden, wobei im Spritzguss bereits ein Flanschabschnitt 14 an den tubusartigen Elektrolytkörper 10 angespritzt sein kann. Der Elektrolytkörper 10 ist auf einem Grundkörper 24 aufgebracht, wobei die Oberseite des Grundkörpers 24 eine geschliffene Oberfläche 25 besitzt, auf die eine geschliffene Flanschfläche 23 des Flanschabschnittes 14 plan zur Anlage gebracht wird. Dadurch kann bereits eine hinreichende Dichtwirkung im Übergang zwischen dem Grundkörper 24 und dem Elektrolytkörper 10 bewirkt werden, ohne weitere Dichtmittel zu verwenden.
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Der Elektrolytkörper 10 ist als endseitig geschlossener Körper ausgeführt, so dass eine Kappe 26 vorgesehen ist, die das freie Ende des Elektrolytkörpers 10, das dem Flanschabschnitt 14 gegenüberliegend angeordnet ist, verschließt. Die Kappe 26 kann im Spritzguss des Elektrolytkörpers 10 unmittelbar mit ausgeführt werden, so dass die Elektrolytmasse die Kappe 26 bildet. Alternativ kann die Kappe 26 als Einzelteil in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden, und der Elektrolytkörper 10 wird zum endseitigen Verschluss an der Kappe 26 angespritzt.
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Die Brennstoffzelle 1 kann mit einem Brenngas, vorzugsweise mit Wasserstoff, betrieben werden, das über einen Zufuhrkanal 27 zunächst in den Grundkörper 24 und anschließend in die Lanze 19 gelangt. Durch die Lanze 19 wird das Brenngas bis zum freien Ende des Elektrolytkörpers 10 durchgeleitet und tritt dort aus der Lanze 19 aus. Das endseitig aus der Lanze austretende Brenngas umspült nachfolgend das innen liegende Elektrodenmaterial 16, um den Brennstoffzellenprozess zu bewirken. Außenseitig wird die Kathode auf nicht näher gezeigte Weise mit Luft umspült.
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Zur mechanischen Stabilisierung des Elektrolytkörpers 10 ist im Bereich der Kappe 26 ein Zentriermittel 18 schematisch angedeutet, welches den Elektrolytkörper 10 gegen die Lanze 19 abstützt. Dadurch wird eine Erhöhung der Stabilität der Brennstoffzelle 1 erreicht, wobei insbesondere die Lanze entsprechend ausgesteift ausgeführt wird. Ferner sind Haltestege 22 dargestellt, um über dem zylindrischen Abschnitt des Elektrolytkörpers 10 ebenfalls eine Abstützung gegen die Lanze 19 zu erreichen. Insbesondere wird ein äquidistanter radialer Abstand zwischen Lanze 19 und der Innenseite des Elektrolytkörpers 10 über seiner gesamten Länge sichergestellt.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Spritzgussschrittes zur Herstellung eines Elektrolytkörpers 10 aus einer Elektrolytmasse 10a. Diese wird in einen Hohlraum 12 eingespritzt, der aus einem Spritzgusswerkzeug 11a, 11b gebildet ist. Das Spritzgusswerkzeug 11a und 11b ist zweiteilig ausgeführt, wobei die Teile 11a und 11b gegeneinander verfahrbar sind. Innerhalb des Hohlraumes 12 ist ein Gusskern 13 eingebracht, so dass der zwischen dem Gusskern 13 und dem Spritzgusswerkzeug 11a, 11b verbleibende Hohlraum 12 den Elektrolytkörper 10 in seiner Form wiedergibt. Das Einspritzen der Elektrolytmasse 10a ist schematisch angedeutet, wobei der die Kappe 26 bildende vordere, endseitige Bereich offen ausgebildet ist, so dass dieser Bereich ebenfalls durch Elektrolytmasse 10a im Spritzguss gebildet wird.
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Zur Aufbringung des innenseitigen Elektrodenmaterials 16 und des auf diesen angeordneten Interkonnektormaterials 17 ist das Prinzip der Folienhinterspritzung vorgesehen, welches nachfolgend beschrieben wird.
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Zunächst wird ein Trägerkörper 15 vorgesehen, der beispielhaft eine Folie darstellen kann, die aus einem wasserlöslichen Material besteht. Auf diesen Trägerkörper 15 wird das Interkonnektormaterial 17 und anschließend das Elektrodenmaterial 16 aufgebracht. Der Trägerkörper 15 kann als ebene Folie oder vorzugsweise als schlauchartige Hülle ausgeführt sein, die über den Gusskern 13 geschoben wird. Folglich befinden sich bereits vor dem Einspritzen der Elektrolytmasse 10a das Interkonnektormaterial 17 und das Elektrodenmaterial 16 im Hohlraum 12 des Spritzgusswerkzeugs 11a, 11b. Dabei ist darauf zu achten, dass auf den Trägerkörper 15 zunächst das Interkonnektormaterial 17 und erst anschließend das Elektrodenmaterial 16 auf den Trägerkörper 15 aufgebracht wird, so dass im Spritzguss die Elektrolytmasse 10 mit dem Elektrodenmaterial 16 stoffschlüssig verbunden wird. Nach Beendigung des Spritzgussverfahrens und nach Entnahme des Gusskerns 13 sowie des Trägerkörpers 15 befindet sich das Interkonnektormaterial 17 auf dem Elektrodenmaterial 16, welches wiederum auf dem Elektrolytkörper 10 aufgebracht ist. Damit kann das Interkonnektormaterial 17 zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodenmaterials 16 dienen.
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Um den Gusskern 13 nach dem Spritzgießen des Elektrolytkörpers 10 zu entnehmen, muss eine Trennung des Gusskerns 13 vom Trägerkörper 15 bzw. vom Elektrodenmaterial 16 und vom Interkonnektormaterial 17 erfolgen. Dazu ist vorgesehen, dass vor der eigentlichen Trennung des Gusskerns 13 vom Elektrolytkörper 10 bzw. dem Elektrodenmaterial 16 und dem Interkonnektormaterial 17 der Verbund in eine Flüssigkeit eingelegt wird, um das lösliche Polymer, das den Trägerkörper 15 bildet, zu lösen. Für diese Vorentbindung kann die Einheit in vollentsalztes oder destilliertes Wasser für ein bis sechs Tage eingelegt werden, um die Folie ab- oder herauszulösen und um somit eine schonende Freilegung der Funktionsschichten 16 und 17 zu realisieren. Eine leichte Temperaturerhöhung des Wasserbades auf 40 bis 50°C wirkt sich dabei beschleunigend auf das Ab- oder Auslösen aus.
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Den Entformungsvorgang des Elektrolytkörpers 10 zeigt 3. Die Teile 11a und 11b, die das Spritzgusswerkzeug bilden, werden auseinander gefahren, um sich außenseitig vom Elektrolytkörper 10 zu lösen. Ferner wird der Gusskern 13 in gezeigter Pfeilrichtung aus dem Elektrolytkörper 10 herausgefahren, wobei eine Trennung zwischen dem Trägerkörper 15 und dem Interkonnektormaterial 17 sowie dem Elektrodenmaterial 16 erfolgt. Das Material des Trägerkörpers 15 kann bereits aufgelöst sein, dieses ist jedoch schematisch noch als Rückstand auf dem Gusskern 13 gezeigt, da das Material des Trägerkörpers 15 zumindest nicht auf dem Interkonnektormaterial 17 bzw. auf dem Elektrodenmaterial 16 verbleibt. Im Ergebnis wird auf vorteilhafte Weise ein Elektrolytkörper 10 geschaffen, der mit einer entsprechend geringen Wandstärke ausgeführt sein kann, wobei das erfindungsgemäße Verfahren ferner eine vorteilhafte Aufbringung des Elektrodenmaterials 16 und des Interkonnektormaterials 17 auf der Innenseite des Elektrolytkörpers 10 vorschlägt.
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Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es denkbar, auch einen Anodenkörper zur Bildung einer anodengestützten SOFC-Brennstoffzelle durch das erfindungsgemäße Verfahren des Spritzgießens herzustellen.
