DE102011081553A1

DE102011081553A1 - Inert geträgerte tubulare Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102011081553A1
Application number: DE102011081553A
Authority: DE
Inventors: Martin Schubert; Ulrich Eisele; Thomas Loibl; Imke Heeren
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-02-28
Also published as: WO2013026647A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tubulare Brennstoffzelle, umfassend einen rohrförmigen Trägerkörper (1), und mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2), welche eine Kathode (2a), eine Anode (2c) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (2b) umfasst. Um die Leistungsperformance zu steigern und/oder die Betriebstemperatur zusenken der rohrförmige Trägerkörper (1) aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildet, wobei die mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2) auf der Innenseite oder auf der Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers (1) aufgebracht ist und wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) in dem oder in den an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en (2) angrenzenden Abschnitt/en (1a) gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem sowie eine damit ausgestattete Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise ein damit ausgestattetes Fahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem sowie eine damit ausgestattete Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
Stand der Technik
Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solide oxide fuel cell) dienen der Erzeugung von Strom und gegebenenfalls auch Wärme und werden häufig in Hilfsaggregaten oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen(KWK) zur Hausenergieversorgung oder zur industriellen Energieversorgung und in Kraftwerken sowie zur Stromerzeugung an Bord von Fahrzeugen eingesetzt. Da Festoxidbrennstoffzellen herkömmlicherweise bei Temperaturen von 600 °C bis 1000 °C betrieben werden, werden sie auch als Hochtemperaturbrennstoffzellen bezeichnet.
Festoxidbrennstoffzellen können einen rohrförmigen oder planaren Trägerkörper aufweisen. Die Brennstoffzellen der hier interessierenden Art weisen einen rohrförmigen Trägerkörper auf und sind daher aufgrund ihrer geometrischen Ausführungsform gegen planar ausgebildete Brennstoffzellen abzugrenzen. Brennstoffzellen mit einem rohrförmigen Trägerkörper werden auch als tubulare Brennstoffzellen bezeichnet. Tubulare Brennstoffzellen können sowohl beidseitig offen ausgeführt sein, sodass Brenngas oder Luft durch die tubulare Brennstoffzelle hindurch geleitet werden kann, als auch an einer Endseite geschlossen ausgeführt sein, wobei Brenngas oder Luft über eine Lanze innenseitig in die Brennstoffzelle geleitet werden kann.
Tubulare Brennstoffzellen können unter anderem hinsichtlich der Art der Trägerung unterschieden werden.
Bei Elektrolyt geträgerten Brennstoffzellen mit rohrförmigem Trägerkörper dient der Elektrolyt auch als Trägerkörper und ist wesentlich dicker als die Elektroden ausgestaltet. Bei derartigen Brennstoffzellen sind die Elektroden herkömmlicherweise außenseitig und innenseitig des Trägerkörpers aufgebracht. Um die Trägerfunktion zu gewährleisten weist der Elektrolyt mindestens eine Schichtdicke von 200 µm auf. Ein große Schichtdicke des Elektrolyten wirkt sich jedoch negativ auf den Ohmschen Widerstand der Zelle aus, weswegen derartige Brennstoffzellen bei höheren Temperaturen, insbesondere von bis zu 950 °C betrieben werden, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Elektrolyten und eine guten Leistungsperformace zu erzielen.
Die Druckschriften WO 2010/037670 A1 und DE 102 19 096 A1 beschreiben tubulare Brennstoffzellen, die einen rohrförmigen Trägerkörper aus einem porösen metallischen Material aufweisen.
Die Druckschrift US 6,379,485 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von einseitig geschlossenen, tubularen Brennstoffzellen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubulare Brennstoffzelle, umfassend einen rohrförmigen Trägerkörper, und mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit, welche eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst. Insbesondere kann die tubulare Brennstoffzelle eine Vielzahl von Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweisen. Die mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit beziehungsweise die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten sind dabei insbesondere auf der Innenseite und/oder der Außenseite, insbesondere auf der Innenseite, des rohrförmigen Trägerkörpers aufgebracht.
Der rohrförmige Trägerkörper ist dabei insbesondere aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildet. Insbesondere weist der rohrförmige Trägerkörper dabei in dem oder in den an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en angrenzenden Abschnitt/en gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen, insbesondere Poren, auf.
Der rohrförmige Trägerkörper erlaubt es vorteilhafterweise die Elektroden-Elektrolyt-Einheit als dünnes Funktionsschichtpaket auszugestalten. Dabei kann der Elektrolyt sogar so dünn ausgestaltet werden, dass er nur noch eine Schichtdicke von etwa 15 µm aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Betriebstemperatur auf zumindest 750 °C gesenkt und die Leistungsperformance der Brennstoffzelle gesteigert werden. Zudem können durch die dünne Ausgestaltung Materialkosten eingespart werden. Eine Senkung der Betriebstemperatur hat zudem den Vorteil, dass auch günstigere Materialien mit einer geringeren Temperaturstabilität verwendet werden können, wodurch die Materialkosten weiter gesenkt werden können.
Unter einem rohrförmigen (Grund-)Trägerkörper kann insbesondere ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Trägerkörper verstanden werden, welcher grundsätzlich sowohl eine im Wesentlichen runde, beispielsweise kreisförmige oder ovaloide (ovalförmig) als auch eine polygone Grundfläche aufweisen kann. Insbesondere kann der rohrförmige Trägerkörper eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Der rohrförmige (Grund-)Trägerkörper kann dabei sowohl an einem Rohrende offen und am anderen Rohrende geschlossen, als auch an beiden Rohrenden offen ausgestaltet sein. Insbesondere kann der rohrförmige (Grund-) Trägerkörper an einem Rohrende offen und an dem anderen Rohrende, insbesondere durch einen Kappenabschnitt, geschlossen ausgestaltet sein.
Unter einem keramischen Material kann insbesondere ein anorganisches, nicht metallisches Material verstanden werden. Ein keramisches Material kann zumindest teilweise kristallin sein.
Unter nicht metallisch kann dabei insbesondere verstanden werden, dass das Material keine, insbesondere auf einer metallischen Bindungen beruhende, metallische Eigenschaften aufweist. Der Begriff nicht metallisch schließt daher nicht aus, dass das Material Metallverbindungen, beispielsweise Metalloxide und/oder -silikate, zum Beispiel Magnesiumsilikat, Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid, umfassen kann.
Unter einem glasartigen Material kann ein anorganisches, nicht metallisches, amorphes beziehungsweise nichtkristallines Material verstanden werden.
Der Begriff keramisch und/oder glasartig kann insbesondere dahingehend verstanden werden, dass auch Mischformen umfasst sein sollen, beispielsweise anorganische, nicht metallische Materialien, welche teilweise kristallin und teilweise amorph beziehungsweise glasartig sind, und beispielsweise so genannte Glasphasen aufweisen.
Der rohrförmige (Grund-)Trägerkörper kann insbesondere aus einem inerten Material ausgebildet sein. Dabei kann unter inert verstanden werden, dass das Material nicht als Elektrode oder Elektrolyt dient. Dabei kann die Brennstoffzelle beispielsweise als inert geträgerte Brennstoffzelle bezeichnet werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material des rohrförmigen (Grund-)Trägerkörpers ionisch isolierend und/oder elektrisch isolierend, beispielsweise ionisch isolierend und elektrisch isolierend.
In dem oder in den Abschnitten, welche frei von Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en sind, kann der rohrförmige Trägerkörper insbesondere gasdicht ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der rohrförmige Trägerkörper an mindestens einem offenen Rohrende einen Fußabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat auf, welcher auch als Montageflansch beziehungsweise Gasanschlussflansch bezeichnet werden kann. Dabei kann der Fußabschnitt insbesondere gasdicht ausgestaltet sein.
Im Fall eines an beiden Rohrenden offenen, rohrförmigen Trägerkörpers kann der rohrförmige Trägerkörper jeweils an beiden Rohrenden einen Fußabschnitt aufweisen. So kann die Brennstoffzelle über die beiden Fußabschnitte beispielsweise an einem Trägersubstrat, insbesondere an zwei Trägersubstraten, befestigt werden.
Im Fall eines an einem Rohrende offenen und am anderen Rohrende geschlossenen rohrförmigen Trägerkörpers, kann der rohrförmige Trägerkörper an dem offenen Rohrende einen Fußabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat aufweisen und an dem geschlossenen Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen sein, welcher auch als Kappe beziehungsweise Tubuskappe bezeichnet werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der rohrförmige Trägerkörper an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen. Dabei kann der Kappenabschnitt insbesondere gasdicht ausgestaltet sein.
Grundsätzlich ist es sowohl möglich, dass die Kathode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit als auch die Anode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit an den Trägerkörper angrenzt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform grenzt jedoch die Kathode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit an den Trägerkörper, beispielsweise an die Innenseite (beziehungsweise die Außenseite) des Trägerkörpers, an. Die Anode kann dabei im Fall von auf der Innenseite des rohrförmigen Trägerkörpers aufgebrachten Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en vom Innenraum des rohrförmigen Trägerkörpers aus (beziehungsweise im Fall von auf der Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers aufgebrachten Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en von einem die Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers umgebenden Bereich aus) zugänglich sein. Insbesondere können die Kathoden aller in der tubularen Brennstoffzelle vorgesehenen Elektroden-Elektrolyt-Einheiten an den Trägerkörper, beispielsweise an die Innenseite (beziehungsweise an die Außenseite) des Trägerkörpers angrenzen.
Eine elektrische Kontaktierung der Anode kann dabei durch ein auf zumindest einen Abschnitt der Anode aufgebrachtes elektrisch leitendes Material erfolgen. Der Abschnitt der Anode, auf welchem das elektrisch leidende Material zur elektrischen Kontaktierung der Anode aufgebracht ist, kann beispielsweise dem Innenraum des rohrförmigen Trägerkörpers (beziehungsweise einem die Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers umgebenden Bereich) zugewandt sein.
Zur elektrischen Kontaktierung der Kathode kann ebenfalls ein elektrisch leitendes Material auf einen Abschnitt der Kathode aufgebracht werden. Insofern die Kathode unterhalb der Anode (und des Elektrolyten) angeordnet ist und beispielsweise an den rohrförmigen Trägerkörper angrenzt, kann mindestens ein Abschnitt der Kathode herausragend aus dem Schichtsystem der Elektroden-Elektrolyt-Einheit ausgebildet sein, welcher zur elektrischen Kontaktierung mit dem elektrisch leitenden Material abdeckbar ist. Auf diese Weise ist es möglich auch die Kathode vom Innenraum des rohrförmigen Trägerkörpers aus (beziehungsweise von einem die Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers umgebenden Bereich) aus elektrisch zu kontaktieren.
Die Ausführungsform bei der die Kathode/n an die Innenseite des Trägerkörpers angrenzt, ist insbesondere für einen Betrieb geeignet, bei dem die Außenseite der tubularen Brennstoffzelle, insbesondere des rohrförmigen Trägerkörpers, mit Luft und die Innenseite der tubularen Brennstoffzelle, insbesondere des rohrförmigen Trägerkörpers, mit dem Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Naturgas, zum Beispiel Erdgas, Biogas, Methangas, Ethangas, Propangas, Butangas oder einer mindestens eines dieser Gase enthaltende Gasmischungen, versorgt wird.
Die Ausführungsform bei der die Kathode/n an die Außenseite des Trägerkörpers angrenzt, ist insbesondere für einen Betrieb geeignet, bei dem die Innenseite der tubularen Brennstoffzelle, insbesondere des rohrförmigen Trägerkörpers, mit Luft und die Außenseite der tubularen Brennstoffzelle, insbesondere des rohrförmigen Trägerkörpers, mit dem Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Naturgas, zum Beispiel Erdgas, Biogas, Methangas, Ethangas, Propangas, Butangas oder einer mindestens eines dieser Gase enthaltende Gasmischungen, versorgt wird.
In beiden Ausführungsformen ist die Kathode und insbesondere die gesamte Elektroden-Elektrolyt-Einheit vorteilhafterweise auf der Seite der Brennstoffzelle, insbesondere des rohrförmigen Trägerkörpers, angeordnet welche unter einer nicht-oxidierenden beziehungsweise reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise der Brenngasatmosphäre, betrieben wird.
Dies weist den Vorteil auf, dass unedle Metalle und deren Legierungen, zum Beispiel Nickel oder Nickellegierungen, als Anodenmaterial und/oder als Material für elektrische Leitungen, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der Anode und der Kathode, verwendet werden können, welche unter reduzierender Atmosphäre auch bei hohen Temperaturen eine hohe chemische Stabilität aufweisen können, was ansonsten, insbesondere unter oxidierender Atmosphäre, nur durch kostenintensive, edle Metalle, wie Platin, erzielt werden kann. So können vorteilhafterweise die Material- und Herstellungskosten verringert werden.
Die Kathode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann beispielsweise mindestens ein Kathodenmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lanthan-Strontium-Manganoxid(LSM), scandiumdotiertes Lanthan-Strontium-Manganoxid(LSSM), Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit(LSCF), Lanthan-Nickel-Ferrit(LNF) und Kombinationen davon. Insbesondere kann die Kathode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit aus einem elektrisch leitenden und gasdurchlässigen beziehungsweise porösen Kathodenmaterial ausgebildet sein. Weiterhin kann das Kathodenmaterial ionisch leitend sein, um die Reaktionszone zu vergrößern. Insbesondere können alle Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle ein derartiges Kathodenmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Die Kathode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann beispielsweise eine Kathodenschichtdicke von ≤ 150 μm, beispielsweise von ≤ 120 μm, aufweisen. Insbesondere können die Kathoden aller Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle eine derartige Kathodenschichtdicke aufweisen.
Die Anode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann beispielsweise mindestens ein Anodenmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nickel und yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid umfassenden Cermeten (Ni/YSZ), Titanaten, beispielsweise Mangan dotierten Titanaten, zum Beispiel Lanthan-Strontium-Titanat (Sr_1–x La_xTiO₃), Aluminaten, zum Beispiel Mangan und/oder Lanthan und/oder Strontiumfassenden Aluminaten ((La, Sr)(Al, Mn)O₃) und Kombinationen davon. Insbesondere kann die Anode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit aus einem elektrisch leitenden und gasdurchlässigen beziehungsweise porösen Anodenmaterial ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann das Anodenmaterial weiterhin ionisch leitend sein, um die Reaktionszone zu vergrößern. Insbesondere können alle Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle ein derartiges Anodenmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Die Anode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann beispielsweise eine Anodenschichtdicke von ≤ 100 μm, beispielsweise von ≤ 50 μm, aufweisen. Insbesondere können die Anoden aller Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle eine derartige Anodenschichtdicke aufweisen.
Der Elektrolyt der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid(YSZ), Ceroxid(CeO₂) und Kombinationen davon. Der Elektrolyt der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit kann insbesondere aus einem ionisch leitenden, gasdichten und elektrisch isolierenden Elektrolytmaterial ausgebildet sein. Insbesondere können die Elektrolyte aller Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle ein derartiges Elektrolytmaterial umfassen oder daraus ausgebildet sein.
Im Rahmen einer Ausführungsform der tubularen Brennstoffzelle weist der Elektrolyt der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit eine Schichtdicke von ≤ 50 μm, beispielsweise von ≤ 45 μm oder von ≤ 40 μm oder von ≤ 35 μm oder von ≤ 30 μm oder von ≤ 25 μm oder von ≤ 20 μm, zum Beispiel von etwa 15 μm, auf. Insbesondere können die Elektrolyte aller Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle eine derartige Elektrolytschichtdicke aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform bilden die Kathode, der Elektrolyt und die Anode der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit ein Schichtsystem, welches insgesamt eine Schichtsystemdicke von ≤ 500 μm oder ≤ 300 μm, beispielsweise von ≤ 250 μm, zum Beispiel von ≤ 200 μm oder von ≤ 150 μm, aufweist. Insbesondere können alle Elektroden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle ein Schichtsystem bilden und eine derartige Schichtsystemdicke aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der rohrförmige Trägerkörper mindestens einen Verbindungsbereich auf, in dem ein gasdurchlässiger Abschnitt des rohrförmigen Trägerkörpers und ein daran angrenzender gasdichter Abschnitt des rohrförmigen Trägerkörpers miteinander verzahnt ausgebildet sind.
Die Verzahnung kann sich dabei sowohl wellenförmig, zick-zack-förmig und/oder burgzinnenförmig als auch hinterschnitten, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Profils, ausgestaltet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Verzahnung hinterschnitten, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Profils, ausgestaltet.
Um bei einer wellenförmigen, zick-zack-förmigen und/oder burgzinnenförmigen Verzahnung eine ungewollte Gasdiffusion durch den Verbindungsbereich des rohrförmigen Trägerkörpers zu verhindern, können im Rahmen einer derartigen Ausgestaltung die gasdurchlässigen Bereiche des Verbindungsbereichs vollständig mit darauf aufgebrachten Elektroden-Elektrolyt-Einheiten abgedeckt und/oder, beispielsweise durch Infiltrieren oder Beschichten gasdicht ausgestaltet werden.
Bei einer hinterschnittenen Verzahnung, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Profils, kann gegebenenfalls auf eine Abdichtung der gasdurchlässigen Bereiche mittels einer Belegung beziehungsweise Abdeckung mit einer Elektroden-Elektrolyteinheit und/oder Infiltrieren oder Beschichten verzichtet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Kappenabschnitt konkave Einzüge und/oder Streben auf. Der Kappenabschnitt kann hierdurch insbesondere zum Zentrieren und/oder Stabilisieren einer in den rohrförmigen Trägerkörper einführbaren Gaszufuhrlanze ausgebildet sein.
Der Fußabschnitt kann einen, insbesondere die Außenseite des rohförmigen Trägerkörpers umfänglich umlaufenden, Vorsprung zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat aufweisen.
Der rohrförmige Trägerkörper kann insbesondere einen rohrförmigen Grundträgerkörper umfassen, welcher vollständig aus einem porösen, keramischen und/oder glasartigen Material ausgebildet sein kann. Die gasdichten Abschnitte des rohrförmigen Trägerkörpers können dabei durch Infiltration und/oder Beschichten von dazu korrespondierenden Abschnitten des rohrförmigen Grundträgerkörpers mit einer Materialvorstufe zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials und thermische Überführung der Materialvorstufe in das gasdichte keramische und/oder glasartige Material ausgebildet sein.
Der rohrförmige Grundträgerkörper kann insbesondere an mindestens einem offenen Rohrende einem Fußabschnitt und gegebenenfalls an einem geschlossenen Ende einen Kappenabschnitt aufweisen. Der oder die gasdichte/n Fußanschnitt/e beziehungsweise der gasdichte Kappenabschnitt des rohrförmigen Trägerkörpers können durch Infiltration und/oder Beschichten des Fußabschnitts oder der Fußabschnitte beziehungsweise des Kappenabschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers mit einer Materialvorstufe zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials und thermische Überführung der Materialvorstufe in das gasdichte keramische und/oder glasartige Material ausgebildet sein.
Der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper kann beispielsweise eine Wandstärke von ≤ 2000 μm, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 250 μm oder ≥ 500 μm bis ≤ 2000 μm, zum Beispiel von etwa 1000 μm, aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper in dem oder den porösen Abschnitt/en eine offene Porosität von ≥ 20 %, beispielsweise von ≥ 25 % oder von ≥ 30 % oder von ≥ 40 %, zum Beispiel von etwa 40 %, auf. Die Porosität kann beispielsweise mittels Licht- beziehungsweise Rasterelektronenmikroskopie und/oder einer Durchströmungsmessung gemessen werden.
Die Poren können erfindungsgemäß eine durchschnittliche Porengröße von ≤ 300 μm, beispielsweise ≤ 200 μm oder ≤ 100 μm oder ≤ 50 μm, aufweisen. Insbesondere können die Poren eine im Wesentlichen längliche Form aufweisen. Beispielsweise können die Poren eine durchschnittliche Länge in einem Bereich von ≥ 100 μm bis ≤ 300 μm, insbesondere von ≥ 150 μm bis ≤ 250 μm, zum Beispiel von etwa 200 μm, und eine durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 70 μm, insbesondere von ≥ 5 μm bis ≤ 30 μm, zum Beispiel von etwa ≥ 5 µm bis ≤ 10 µm oder von etwa 20 μm, aufweisen.
Die Poren können insbesondere ein perkolierendes Porennetzwerk mit einer Durchgangsverteilung in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 20 μm, insbesondere von ≥ 1 μm bis ≤ 10 μm, zum Beispiel von etwa 5 μm, ergeben. Durch eine derartige Porendurchgangsverteilung kann vorteilhafterweise eine freie Gasdiffusion, insbesondere ohne das Auftreten eines so genannten Knudsen-Effekts, ermöglicht werden.
Der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper kann beispielsweise mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Zirkoniumdioxid, insbesondere dotiertes Zirkoniumdioxid, beispielsweise mit 6,5 Gew.-% Yttriumoxid(Y₂O₃) dotiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, beispielsweise Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Kombinationen davon.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper mindestens ein Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit. Insbesondere kann der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper aus mindestens einem Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, ausgebildet sein.
Forsterit basiert im Wesentlichen auf der allgemeinen Summenformel Mg₂SiO₄. Insbesondere können sowohl die gasdurchlässigen beziehungsweise porösen als auch die gasdichten Abschnitte des rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise der vollständig poröse, rohrförmige Grundträgerkörper Forsterit umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein. Zum Beispiel können der gasdichte Kappenabschnitt und/oder der beziehungsweise die gasdichten Fußabschnitt/e und/oder der dazwischen liegende mittlere beziehungsweise mit Elektroden-Elektrolyt-Einheiten bedeckte, gasdurchlässige beziehungsweise poröse Abschnitt, insbesondere hohlzylindrische Mantelabschnitt, Forsterit umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.
Forsterit hat den Vorteil, dass es elektrisch und ionisch hoch isolierend ist und beispielsweise bei 20 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10¹¹ Ωm und bei 600 °C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁵ Ωm aufweisen kann. So können vorteilhafterweise elektrische und ionische Kurzschlüsse vermieden und auf eine oder mehrere zusätzliche Isolationsschichten verzichtet werden. Weitere Vorteile von Forsterit sind dessen Sinterverhalten und dessen thermische Ausdehnungskoeffizient. So kann Forsterit vorteilhafte Schwindungseigenschaften und eine vorteilhafte Schwindungskinetik aufweisen. Der thermischen Ausdehnungskoeffizient von Forsterit kann dabei zudem im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten beziehungsweise des im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erläuterten Funktionsschichtsystems entsprechen und etwa 10 bis 11·10^–6K^–1 betragen, was sich vorteilhaft auf eine gleichzeitige Sinterung (Cosinterung) des rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise rohrförmigen Grundträgerkörpers und der Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en beziehungsweise des Funktionsschichtsystems auswirkt. So wird vorteilhafterweise nur noch ein Sinterschritt, anstelle der üblicherweise erforderlichen zwei oder mehr Sinterschritte, zur Herstellung einer Brennstoffzelle benötigt. Auf diese Weise können vorteilhafterweise Herstellungskosten eingespart werden. Zudem kann Forsterit sogar in seiner hochreinen Form über eine Reaktionssinterung aus ausgesprochen kostengünstigen Rohstoffen, wie Talk und Magnesiumoxid gewonnen werden, was zur Kosteneinsparung bei der Herstellung weiter beiträgt.
Forsterit kann beispielsweise über eine Reaktionssinterung, zum Beispiel von Talk (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) und mindestens einer Magnesiumverbindung, wie Magnesiumoxid (MgO), gemäß der folgenden Reaktion gewonnen werden: Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ + 5MgO → 4Mg₂SiO₄ + H₂O
Zur Herstellung von Forsterit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die durchschnittliche Korngröße der Edukte ≤ 5 μm, insbesondere ≤ 4 μm oder ≤ 3 μm, zum Beispiel in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 4 μm, beispielsweise bei etwa 1,3 μm, liegt. Dies kann zum Beispiel über einen gemeinsamen Mahlprozess der Edukte, beispielsweise in einer Hochenergiemühle, erzielt werden. So kann vorteilhafterweise eine saubere Forsteritbildung und gute Sintereigenschaften, insbesondere für eine Cosinterung des rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise rohrförmigen Grundträgerkörpers und der Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en beziehungsweise des Funktionsschichtsystems erzielt werden.
Die Forsteritbildung kann insbesondere durch eine Kalzination des Mahlgutes erfolgen. Vorzugsweise umfasst die beziehungsweise umfassend die später im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren näher erläuterten Komponente/n (so genannten Compound/s) ein derartiges kalziniertes Material als Material zur Ausbildung der gasdurchlässigen beziehungsweise porösen und/oder gasdichten Abschnitte des rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise rohrförmigen Grundträgerkörpers.
Zur Vermeidung der Bildung von freiem Siliciumdioxid (SiO₂), welches während einer Cosinterung mit Kathodenmaterial chemisch reagieren und gegebenenfalls sogar zu einer Verringerung der Funktionseigenschaften der Kathode/n führen könnte, ist es vorteilhaft einen überstöchiometrischen Anteil beziehungsweise einen so genannten Überschuss an Magnesiumverbindungen, beispielsweise Magnesiumoxid (MgO), zum Beispiel von etwa 0,5 Gew.-%, einzusetzen.
Neben Magnesiumoxid (MgO) können als Magnesiumverbindung auch andere magnesiumhaltige Rohstoffe, wie Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) und/oder Magnesiumcarbonat (MgCO₃) eingesetzt werden.
Durch die Kalzination kann vorteilhafterweise eine mineralogische Plättchenstruktur, beispielsweise des Talks, zerstört und eine Neubildung zu Forsterit eingeleitet werden.
Dabei kann eine globulare Teilchenform resultieren, welche vorteilhafterweise einen variablen Feststoffgehalt in der beziehungsweise den Komponenten (Compound/s) und/oder eine Anpassung der Schwindung des rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise des rohrförmigen Grundträgerkörpers an die Schwindung der Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en beziehungsweise des Funktionsschichtsystems ermöglichen kann.
Der rohrförmige Trägerkörper beziehungsweise der rohrförmige Grundträgerkörper des rohrförmigen Trägerkörpers kann beispielsweise durch ein Spritzund/oder Gießverfahren, insbesondere ein Spritzgießverfahren, ausgebildet sein.
Der rohrförmige Trägerkörper kann insbesondere durch ein Mehrkomponentenspritzgießverfahren ausgebildet sein.
Der rohrförmige Trägerkörper kann in dem oder den porösen Abschnitt/en aus einer ersten Komponente ausgebildet sein, welche neben einem oder mehreren Bestandteilen zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst, insbesondere wobei der rohrförmige Trägerkörper in dem oder den gasdichten Abschnitt/en aus einer zweiten, porenbildnerfreien Komponente ausgebildet sein kann. Insbesondere kann sich dabei die erste Komponente im Wesentlichen (nur) dadurch von der zweiten Komponente unterscheiden, dass die erste Komponente im Gegensatz zur zweiten Komponente Porenbildner umfasst.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Fahrzeug, den Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, insbesondere der vorstehend beschriebenen Art, insbesondere mittels eines (Keramik-)Spritzgussverfahrens, zum Beispiel mittels eines Mehrkomponenten(-keramik-)spritzgussverfahrens. Das Keramikspritzgussverfahren kann dabei auch als CIM-Verfahren (Englisch: Ceramic Injection Molding) bezeichnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere darauf basieren, dass ein Funktionschichtpaket (Inmould Label) in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegt wird, welches durch Einspritzen von einer oder mehreren sinterbaren Komponenten (Compound/s) angeströmt wird, was auch als Folienhinterspritzung bezeichnet wird, wobei ein im Wesentlichen rohrförmiger, mit dem Funktionsschichtsystem versehener Körper geformt wird. Dabei kann bereits beim Spritzgießen eine innige Verbindung des Funktionschichtpakets mit der beziehungsweise den Komponenten des geformten rohrförmigen Körpers stattfinden. Porös sinternde Abschnitte können dabei insbesondere durch eine porös sinternde, porenbildnerhaltige Komponente ausgebildet werden.
Im Rahmen einer Variante, welche nachfolgend als Mehrkomponentenspritzgussvariante bezeichnet wird, wird zunächst nur ein an das Funktionsschichtsystem angrenzender, insbesondere mittlerer und/oder hohlzylinderförmiger, Abschnitt mit einer porös sinternden Komponente angeströmt. In einem oder mehreren weiteren Schritten können dann gasdichte Abschnitte, beispielsweise ein Kappenabschnitt und ein Fußabschnitt oder zwei Fußabschnitte, mit einer oder mehreren dicht sinternden Komponent/en an die poröse sinternde Komponenten, insbesondere an den Vorformling aus der porös sinternden Komponente, angespritzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Mehrkomponentenspritzgussvariante kann durch Spritzguss ein vollständig porös sinternder Körper, insbesondere Tubus, hergestellt werden, wobei gasdichte Abschnitte durch eine nachfolgende, insbesondere partielle, Infiltration und/oder Beschichtung, beispielsweise mit einer Glas- oder Keramiksuspension, ausgebildet werden (Variante Spritzguss-Infiltration/Beschichtung). Dabei kann der gesamte rohrförmige Grünkörper aus einer porenbildnerhaltigen Komponente durch Keramikspritzguss hergestellt und gleichzeitig mit dem Funktionsschichtsystem versehen werden.
Nach Abschluss des Spritzprozesses liegt in beiden Varianten ein mit dem Funktionsschichtsystem ausgestatteter, rohrförmiger (Grün-)Körper vor. Im Rahmen eines eigenständigen Entbinderungsschrittes oder im Rahmen eines Sinterschrittes kann aus porenbildnerhaltigen Komponenten eine gezielte Porosität des rohrförmigen Körpers, beispielsweise im hohlzylindrischen Bereich einer tubularen Brennstoffzelle, entstehen.
Vorteilhafterweise können in beiden vorstehenden Varianten der ausgebildete rohrförmige (Grün-)Körper und das Funktionsschichtsystem gleichzeitig entbindert beziehungsweise gesintert (Cosinterung) werden. Dies hat den Vorteil, dass nur noch ein Sinterschritt anstelle üblicherweise mehrerer Sinterschritte zur Herstellung einer Brennstoffzelle benötigt wird und somit Kosten eingespart werden können. Vorzugsweise erfolgt das Entbindern und/oder Sintern nach dem Entformen des mit dem Funktionsschichtsystem versehenen, ausgebildeten, rohrförmigen, (Grün-)Körpers aus dem Spritzgusswerkzeug und/oder nach dem Entfernen des Spritzgusswerkzeugkerns.
Beispielsweise kann eine gleichzeitige Entbinderung und Cosinterung, insbesondere bei Temperaturen ≤ 1200 °C, erfolgen. Dabei können zunächst alle organischen Verbindungen, wie Binder, Weichmacher und Porenbildner, entfernt werden, insbesondere wobei sich die gewünschte Porosität einstellt. Nach dem Entfernen der organischen Verbindungen kann die Keramisierung beziehungsweise Versinterung von verbleibenden keramischen und/oder glasartigen Materialien erfolgen. Zur vollständigen Versinterung aller Komponenten kann die Temperaturhaltezeit mehr als 5 Stunden betragen.
Die zu versinternden Materialien werden vorzugsweise hinsichtlich ihres Sinterverhaltens (Schwindung, Sinterkinetik) und ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens aufeinander abgestimmt, wodurch eine Cosinterung des gesamten Zellenverbundes möglich ist.
Während der Sinterung kann sich der Körper verdichten, ohne dabei die Porosität zu verlieren. Es hat sich gezeigt, dass porös sinternde Komponenten eine gewisse „Viskosität/Elastizität“ während der Sinterung zeigen und daher beispielsweise tolerant gegenüber einem Schwindungsunterschied zum Fügepartner sein können, so dass fehlerfreie Fügestellen erzielt werden können. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich der Einsatz einer stark schwindenden porös sinternden Komponente und einer weniger stark schwindenden dicht sinternden Komponente sogar vorteilhaft auf eine sichere Aufsinterung des Funktionsschichtsystemes auswirken kann. Dies kann gegebenenfalls darin begründet liegen, dass das Funktionsschichtsystem durch das Schwindungsverhalten der beiden Komponenten leicht unter Druck gesetzt wird und dadurch eine Rissbildung vermieden werden kann.
Durch Cosinterung können sowohl die porösen Abschnitte des rohrförmigen Trägerkörpers als auch die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten ausgebildet werden. Im Rahmen der Mehrkomponentenspritzgussvariante können dabei gleichzeitig auch die gasdichten Abschnitte ausgebildet werden. Im Rahmen der Spritzguss-Infiltration/Beschichtung-Variante können gasdichte Abschnitte in einem Folgeschritt durch Abdichten beziehungsweise Verfüllen von porösen Abschnitten, insbesondere dem Kappenabschnitt und/oder dem Fußabschnitt, beispielsweise durch Tauchen in und/oder Vakuuminfiltration mit einer Glas- oder Keramiksuspension, zum Beispiel welche durch eine folgenden thermischen Prozess in eine gasdichte keramische und/oder glasartige Versiegelung umgewandelt wird, hergestellt werden.
Zur Vermeidung einer Trennung der unterschiedlichen Komponenten beziehungsweise Abschnitte und/oder einer Rissbildung in den unterschiedlichen Komponenten beziehungsweise Abschnitten ist es von Vorteil, formschlüssige Verbindungsprofile in Verbindungsbereichen unterschiedlicher Komponenten beziehungsweise Abschnitte auszubilden, was beim Keramikspritzguss auf einfache Weise umgesetzt werden kann. Zum Beispiel können sowohl wellenförmige und/oder zick-zack-förmige und/oder burgzinnenförmige und/oder Nut-Federartige formschlüssige Verbindungsprofile als auch formschlüssige Verbindungsprofile mit frei konfigurierbaren Hinterschneidungen ausgebildet werden.
Das Verfahren kann beispielsweise folgende Verfahrensschritte umfassen:
In einem Verfahrensschritt a) kann beispielsweise ein Spritzgusswerkzeug mit einer Kavität und/oder ein in die Kavität einbringbarer Spritzgusswerkzeugkern bereitgestellt werden. Insbesondere können dabei das Spritzgusswerkzeug und der Spritzgusswerkzeugkern derart ausgestaltet sein, dass durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns in die Kavität zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern und dem Spritzwerkzeug ein, insbesondere im Wesentlichen, rohrförmiger Hohlraum ausbildbar ist. Vorzugsweise kann dabei der rohrförmige Hohlraum zumindest im Wesentlichen der Form des auszubildenden rohrförmigen Trägerkörpers beziehungsweise rohrförmigen Grundträgerkörpers entsprechen. Der Spritzgusswerkzeugkern kann zur späteren Entformung herausziehbar ausgestaltet sein. Das Spritzgusswerkzeug kann, um die spätere Entformung zu vereinfachen, beispielsweise mehrteilig ausgestaltet sein.
Der Spritzgusswerkzeugkern kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch, beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch oder gegebenenfalls auch hohlzylindrisch, ausgestaltet sein.
Auf dem Spritzgusswerkzeugkern oder auf einer die Kavität ausbildenden Fläche des Spritzgusswerkzeugs kann insbesondere ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem zum Ausbilden mindestens einer, insbesondere einer Vielzahl von, Elektroden-Elektrolyteinheiten, angeordnet sein. Dabei kann das sandwichartige Funktionsschichtsystem eine Kathodenschicht, eine Elektrolytschicht und eine Anodenschicht umfassen.
Das Funktionsschichtsystem kann dabei insbesondere derart auf dem Spritzgusswerkzeugkern beziehungsweise auf der die Kavität ausbildenden Fläche des Spritzgusswerkzeugs angeordnet sein, dass die Kathodenschicht auf der dem Spritzgusswerkzeugkern beziehungsweise der kavitätausbildenden Fläche des Spritzgusswerkzeugs abgewandten Seite des Funktionsschichtsystems angeordnet ist.
In einem Verfahrensschritt b) kann insbesondere der Spritzgusswerkzeugkern in die Kavität eingebracht werden.
In einem Verfahrensschritt c) kann insbesondere mindestens eine Komponente in zumindest einen Teil des Hohlraums eingespritzt werden. Die Komponente/n können dabei insbesondere einen oder mehrere Bestandteile zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials umfassen.
Der Anteil an Bestandteilen zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials in einer Komponente kann beispielsweise ≥ 20 Vol.-% oder ≥ 30 Vol.-% oder ≥ 40 Vol.-% oder ≥ 50 Vol.-%, betragen. Dabei kann der Anteil an Bestandteilen zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials in einer Komponente zur Ausbildung eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials, welcher beispielsweise in einem Bereich von etwa ≥ 50 Vol.-% bis etwa ≤ 58 Vol.-% und/oder ≤ 54 Vol.-% liegen kann, höher sein als in einer Komponente zur Ausbildung eines porösen, keramischen und/oder glasartigen Materials, welcher beispielsweise in einem Bereich von etwa ≥ 25 Vol.-% bis etwa ≤ 35 Vol.-% und/oder ≤ 30 Vol.-% liegen kann.
Zum Beispiel kann eine Komponente zur Ausbildung von Forsterit, ein kalziniertes Zwischenprodukt umfassen, welches aus einer, insbesondere gemahlenen, Mischung aus Talk und einer mindestens einer Magnesiumverbindung, wie Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid und/oder Magnesiumcarbonat, hergestellt ist.
Der Anteil an Forsterit beziehungsweise an kalziniertem Zwischenprodukt zur Ausbildung von Forsterit kann in einer Komponente beispielsweise ≥ 20 Vol.-% oder ≥ 30 Vol.-% oder ≥ 40 Vol.-% oder ≥ 50 Vol.-% betragen.
Bei einer gasdicht sinternden Komponente kann der Anteil an Forsterit beziehungsweise an kalziniertem Zwischenprodukt zur Ausbildung von Forsterit zum Beispiel etwa 56 Vol.-% betragen.
Darüber hinaus kann die Komponente beziehungsweise können die Komponenten organische Bestandteile, wie Binder und Weichmacher, umfassen. Zudem kann die Komponente beziehungsweise können die Komponenten porös sinternd ausgelegt sein und mindesten einen Porenbildner umfassen.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Komponente mindestens einen Porenbildner. So können vorteilhafterweise hochporöse Abschnitte, insbesondere mit einer Porosität von ≥ 20 %, hergestellt werden.
Als Porenbildner können beispielsweise Verbindungen eingesetzte werden, welche während einer thermischen Behandlung, zum Beispiel während der Sinterung, sich zersetzen, verdampfen und/oder ausschmelzen.
Als Porenbildner sind zum Beispiel organische Porenbildner geeignet. Diese können während eines thermischen Prozesses, beispielsweise nach der Formgebung durch das Spritzgussverfahren, ausgebrannt werden und beispielsweise perkolierende Hohlräume hinterlassen.
Als organischer Porenbildner können organische Fasern, zum Beispiel Kurzfasern, beispielsweise aus Phenolharz, eingesetzt werden. Beispielsweise können die Fasern eine durchschnittliche Länge in einem Bereich von ≥ 100 μm bis ≤ 300 μm, insbesondere von ≥ 150 μm bis ≤ 250 μm, zum Beispiel von etwa 200 μm, und eine durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 70 μm, insbesondere von ≥ 5 μm bis ≤ 30 μm, zum Beispiel von etwa ≥ 5 μm bis ≤ 10 μm oder von etwa 20 μm, aufweisen. Zum Beispiel können Phenolharzkurzfasern mit einer durchschnittlichen Länge von etwa 200 μm und mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 20 μm eingesetzt werden. Derartige porenbildende Fasern können vorteilhafterweise ein perkolierendes Porennetzwerk mit einer Durchgangsverteilung von etwa 5 μm ergeben. Durch eine derartige Porendurchgangsverteilung kann vorteilhafterweise eine freie Gasdiffusion, insbesondere ohne das Auftreten eines so genannten Knudsen-Effekts, ermöglicht werden.
Als organischer Porenbildner können auch Cellulose und/oder Kohlenstofffasern eingesetzt werden.
Neben Fasern können auch sphärische Partikel eingesetzt werden. Zum Beispiel sind sphärische Partikel aus Stärkemehl, Duroplast oder Glaskohlenstoff möglich.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst mindestens eine Komponente einen oder mehrere Bestandteile zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die mindestens eine Komponente einen oder mehrere Bestandteile zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials umfassen und dabei porenbildnerhaltig oder porenbildnerfrei sein. Dabei können Öffnungen in dem auszubildenden rohrförmigen Körper durch erhabene Strukturen, insbesondere auf der Innenseite, des Spritzgusswerkzeugs ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt c) eine porenbildnerhaltige Komponente derart eingespritzt wird, dass diese das Funktionsschichtsystem bedeckt.
In einem Verfahrensschritt d) können die Komponenten verfestigt werden. Dabei kann sich in Verfahrensschritt d) insbesondere der ausbildenden rohrförmigen Körper und das sandwichartige Funktionsschichtsystem physikalisch und/oder chemisch miteinander verbinden und/oder der Porenbildner unter Ausbildung von Poren entfernt werden.
Verfahrenschritt d) kann insbesondere einen oder mehrerer Unterverfahrensschritte umfassen. Zum Beispiel kann Verfahrensschritt d) einen oder mehrere Unterverfahrensschritte umfassen, welche ausgewählt sind aus:

– einem oder mehreren Abkühlungsschritten, beispielsweise einem Abkühlen der mindestens einen eingebrachten Komponente, zum Beispiel zur Ausbildung eines Grünkörpers durch temperaturbedingtes Verfestigen der Komponenten,
– einer oder mehreren thermische Behandlungen, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen, zum Beispiel zum teilweisen oder vollständigen Entbindern, insbesondere des Grünkörpers, und/oder zum Kalzinieren und/oder zum Sintern beziehungsweise zur Keramisierung und/oder zum Tempern;
– eine oder mehrere Behandlungen mit einem Lösungsmittel, zum Beispiel zum teilweisen oder vollständigen Entbindern; und/oder
– einen oder mehrere Prozessierungsschritte, zum Beispiel einer Entnahme des ausgebildeten rohrförmigen Körpers aus dem Spritzgusswerkzeug und/oder einer Entnahme des Spritzgusswerkzeugkerns aus dem ausgebildeten rohrförmigen Körper.

Der Begriff Entbindern umfasst im Sinn der vorliegenden Anmeldung neben dem Entfernen von organischen Bindemitteln auch das Entfernen von anderen organischen Verbindungen, beispielsweise Porenbildnern, Weichmachern, et cetera.
Zum Beispiel kann die Komponente beziehungsweise können die Komponenten zunächst durch ein Löseverfahren teilentbindert werden, um anschließend in einer thermische Behandlung bei einer geringen Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 100 °C bis ≤ 300 °C, weiter entbindert zu werden. Später kann durch eine thermische Behandlung bei einer mittleren Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 250 °C bis ≤ 600 °C, der mindestens eine Porenbildner und/oder die später erläuterte entfernbare Trägerschicht entfernt werden. Schließlich kann der mit dem Funktionsschichtsystem versehene ausgebildete rohrförmige Körper bei einer hohen Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 1000 °C bis ≤ 1500 °C, gesintert werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt c1): Einspritzen mindestens einer weiteren Komponente in zumindest einen Teil des Hohlraums. Die mindestens eine weitere Komponente kann dabei, insbesondere porenbildnerfrei sein, und einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials umfassen. Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt c1) eine porenbildnerfreie Komponente derart eingespritzt wird, dass diese an die das Funktionsschichtsystem bedeckende porenbildnerhaltige Komponente angrenzt.
Die Komponenten können insbesondere zum Ausbilden eines ionisch isolierenden und/oder elektrisch isolierenden, insbesondere ionisch und elektrisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt sein.
Vorzugsweise sind die Komponenten zum Ausbilden von Forsterit ausgelegt.
Es ist möglich das Funktionsschichtsystem direkt, beispielsweise mittels Rundsiebdruck, auf den Spritzgusswerkzeugkern aufzubringen. Um den Spritzgusswerkzeugkern vom Funktionsschichtsystem besser lösen zu können, ist es jedoch vorteilhaft zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern und dem Funktionsschichtsystem mindestens eine entfernbare Trägerschicht vorzusehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern und dem Funktionsschichtsystem mindestens eine entfernbare Trägerschicht angeordnet.
Die entfernbare Trägerschicht kann beispielsweise aus einem löslichen, insbesondere wasserlöslichen, Polymer, beispielsweise Cellulose, Methylcellulose oder einem Polymer auf der Basis von Acrylsäure, Maleinsäure, Vinylpyrrolidon, Vinylimidazol, Polyethylenglykol oder Polyvinylalkohol ausgebildet sein.
Dies hat den Vorteil, dass vor dem mechanischen Trennen des Spritzgusswerkzeugkerns von dem Funktionsschichtsystem, die Anordnung in ein Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, eingelegt werden kann, um das Polymer zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern und dem Funktionsschichtsystem zu lösen.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die entfernbare Trägerschicht aus einem Material ausgebildet sein, welches sich bei einer Temperaturerhöhung, beispielsweise beim Sintern, vorzugsweise rückstandslos, durch Zersetzen, Verdampfen und/oder Abschmelzen entfernt werden kann.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann die entfernbare Trägerschicht durch Abziehen von dem Funktionsschichtsystem entfernt werden.
Grundsätzlich ist es möglich die entfernbare Trägerschicht vor dem Aufbringen des Funktionsschichtsystems auf den Spritzgusswerkzeugkern, beispielsweise mittels Rundsiebdruck, Tauchen, Sprühen, et cetera, aufzubringen.
Vorzugsweise ist die entfernbare Trägerschicht jedoch in Form einer entfernbaren Trägerfolie ausgebildet. Vorteilhafterweise kann das Funktionsschichtsystem besonders einfach auf eine Folie aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, werden. Dabei ist es sowohl möglich die Funktionsschicht, beispielsweise mittels Rundsiebdruck, auf eine hülsenförmige beziehungsweise schlauchartige beziehungsweise rohrartige, entfernbare Trägerfolie als auch die, beispielsweise mittels zweidimensionalen Druckverfahren, auf eine planare, entfernbare Trägerfolie aufzubringen und die planare, entfernbare Trägerfolie anschließend in eine hülsenförmige beziehungsweise schlauchartige beziehungsweise rohrartige Form zu bringen. Auf der dem Spritzgusswerkzeugkern zugewandten Seite kann die Trägerfolie insbesondere eine geringe Haftreibung aufweisen, um ein mechanisches Entfernen zu erleichtern.
Der rohrförmige Hohlraum kann an einem Ende zum Ausbilden eines offenen Fußabschnitts zum Befestigen der auszubildenden tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat und an dem anderen Ende zum Ausbilden eines geschlossenen Kappenabschnitts ausgestaltet sein (einseitig geschlossener Tubus). Dabei kann der rohrförmige Hohlraum insbesondere zum Ausbilden eines geschlossenen Kappenabschnitts mit konkaven Einzüge und/oder Streben zum Zentrieren und/oder Stabilisieren einer in den auszubildenden rohrförmigen Trägerkörper einführbaren Gaszufuhrlanze ausgestaltet sein.
Alternativ dazu kann der rohrförmige Hohlraum an beiden Enden zum Ausbilden jeweils eines offenen Fußabschnitts zum Befestigen der auszubildenden tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgestaltet ist (beidseitig offener Tubus).
Im Rahmen der Spritzguss-Infiltration/Beschichtungsvariante kann der rohrförmige Hohlraum vollständig mit der ersten Komponente gefüllt werden. Dabei können nach der Porenbildung Poren des Fußabschnitts und des Kappenabschnitts beziehungsweise der beiden Fußabschnitte durch Infiltration, beispielsweise Vakuuminfiltration, und/oder Beschichten, beispielsweise Tauchen, mit einer Materialvorstufe zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials und thermische Überführung der Materialvorstufe in das gasdichte keramische und/oder glasartige Material gasdicht verschlossen werden.
Im Rahmen der Mehrkomponentenspritzgussvariante kann die porenbildnerhaltige Komponente in einen mittleren Abschnitt des Hohlraums und die porenbildnerfreie Komponente, insbesondere zum Ausbilden eines gasdichten Kappenabschnitts oder Fußabschnitts, in einen an den mittleren Abschnitt angrenzenden Kopfabschnitt des rohrförmigen Hohlraums und, insbesondere zum Ausbilden eines gasdichten Fußabschnitts, in einen an den mittleren Abschnitt angrenzenden Endabschnitt des rohrförmigen Hohlraums eingespritzt werden. Dabei ist es möglich zunächst die porenbildnerfreie Komponente in den Kopfabschnitt, dann die porenbildnerhaltige Komponente in den mittleren Abschnitt und dann wieder die porenbildnerfreie Komponente in den Endabschnitt des rohrförmigen Hohlraums einzuspritzen. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Komponenten durch zwei oder mehr Öffnungen in den rohrförmigen Hohlraum einspritzbar sind.
Um eine Verzahnung zu realisieren, kann ein weiterer Spritzgusswerkzeugkern vorgesehen sein, wobei der weitere Spritzgusswerkzeugkern zum Beispiel derart hohlzylinderförmig ausgestaltet sein kann, dass der mit dem Funktionsschichtsystem versehene Spritzgusswerkzeugkern bewegbar in den weiteren hohlzylindrischen Spritzgusswerkzeugkern einschiebbar ist. Dabei kann der weitere hohlzylindrische Spritzgusswerkzeugkern beispielsweise an einer Stirnseite in Form des gewünschten Verzahnungsprofils ausgestaltet sein, zum Beispiel so dass ein Teil der Verzahnung durch Einspritzen einer Komponente, beispielsweise einer porenbildnerfreien Komponente, ausbildbar ist, wobei nach einer Positionsänderung beziehungsweise einem Entfernen des weiteren hohlzylinderförmigen Spritzgusswerkzeugkerns der andere Teil der Verzahnung durch Einspritzen einer anderen Komponente, beispielsweise einer porenbildnerhaltigen Komponente, ausbildbar ist, et cetera.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der tubularen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Fahrzeug, den Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine erfindungsgemäß hergestellte Brennstoffzelle.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Fahrzeug, den Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine, insbesondere eine Vielzahl von, erfindungsgemäßen oder erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffzellen umfasst.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Fahrzeug, den Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, beispielsweise für ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk oder ein Fahrzeug, zum Beispiel eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, und/oder ein Fahrzeug, welche/s ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst. Unter einer (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann insbesondere eine Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Energieträger verstanden werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, den Figuren und der Figurenbeschreibung verwiesen
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
2 eine schematische perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
3a, 3b weitere schematische Querschnittsskizzen durch zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
4a–4d schematische perspektivische Ansichten von unterschiedlichen Verzahnungsausführungsformen; und
5a, 5b schematische Querschnitte zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit einem rohrförmigen, keramischen und/oder glasartigen Trägerkörper 1 auf dessen Innenseite eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit 2 aufgebracht ist. Auch wenn nicht in den Figuren dargestellt, kann die Elektroden-Elektrolyt-Einheit 2 im Rahmen einer anderen alternativen Ausführungsform auf der Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers 1 angeordnet sein.
1 veranschaulicht, dass der rohrförmige Trägerkörper 1 in dem an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit 2 angrenzenden Abschnitt/en 1a gasdurchlässige Poren aufweist. Mit anderen Worten, die Elektroden-Elektrolyt-Einheit 2 ist auf der Innenseite des rohrförmigen Trägerkörpers 1 genau auf der Höhe des porösen Abschnitts 1a platziert. 1 illustriert zudem, dass der rohrförmige Trägerkörper 1 weiterhin an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt 1b verschlossen ist und an dem offenen Rohrende einen Fußabschnitt 1c, einen so genannten Montageflansch, zum Befestigen der Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat 6 aufweist. Vorzugsweise ist der Fußabschnitt 1c dazu ausgestaltet ohne eine zusätzliche Abdichtung durch glasartige Materialien die Brennstoffzelle an dem Trägersubstrat 6 gasdicht zu befestigen. Der Kappenabschnitt 1a und der Fußabschnitt 1c sind dabei gasdicht ausgestaltet. 1 deutet an, dass der Kappenabschnitt 1b konkave Einzüge und/oder Streben 4 zum Zentrieren und/oder Stabilisieren einer in den rohrförmigen Trägerkörper einführbaren Gaszufuhrlanze 5 aufweist.
1 veranschaulicht, dass dabei der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten-(2)-tragende, mittlere, hohlzylindrische, gasdurchlässigen, poröse Abschnitt 1a jeweils in einem Verbindungsbereich 3 einerseits an den Kappenabschnitt 1b und andererseits an den Fußabschnitt 1c angrenzt, wobei die Abschnitte stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Um die mechanische Stabilität in den Verbindungsbereichen 3 zu Erhöhen können die Verbindungsbereiche 3 des rohrförmigen Trägerkörpers 1 zudem eine formschlüssige Verzahnung aufweisen. In den 4a bis 4d werden verschiedene mögliche Verzahnungsmotive gezeigt.
1 zeigt, dass die Elektroden-Elektrolyt-Einheit eine Kathode 2a, eine Anode 2c und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 2b umfasst, wobei die Kathode 2a, der Elektrolyt 2b und die Anode 2c ein Funktionsschichtsystem ausbilden, welches derart an dem rohrförmigen Trägerkörper 1 angeordnet ist, dass die Kathode 2a an den Trägerkörper 1 angrenzt und die Anode 2c vom Innenraum des rohrförmigen Trägerkörpers 1 aus zugänglich ist.
Der rohrförmige Trägerkörper 1 ist insbesondere aus einem ionisch und elektrisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Material ausgebildet. Vorzugsweise ist der rohrförmige Trägerkörper 1 aus Forsterit ausgebildet.
1 veranschaulicht, dass das Funktionsschichtsystem 2 eine sehr dünne Schichtsystemdicke aufweist, wobei der Elektrolyt eine Schichtdicke von etwa 15 μm aufweisen kann.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Ausführungsführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Die 3a und 3b zeigen weitere schematische Querschnittsskizzen durch zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und veranschaulicht nochmals den gasdurchlässigen, porösen, Elektroden-Elektrolyt-Einheiten-(2)-tragenden mittleren, hohlzylindrischen Abschnitt 1a sowie den daran angrenzenden und damit verbundenen gasdichten Fußabschnitt 1c und den daran angrenzenden und damit verbundenen gasdichten Kappenabschnitt 1b des rohrförmigen Trägerkörpers 1. Die 3a und 3b zeigen zwei unterschiedlich ausgestaltetet Kappenabschnitte 1b, welche zur Zentrierung und/oder Stabilisierung der Gaszufuhrlanze 5 ausgelegt sind.
In der in 3a gezeigten Ausführungsform weist der Kappenabschnitt 1b zur Zentrierung und/oder Stabilisierung der Gaszufuhrlanze 5 drei konkave Streben 4 auf, welche sich zwischen der Kuppel des Kappenabschnitts 1b und einem an den mittleren, hohlzylindrischen Abschnitt 1a angrenzenden Bereich des Kappenabschnitts 1b erstrecken und zueinander um 120 ° versetzt sind (weshalb im gezeigten Querschnitt nur eine der drei Streben 4 dargestellt ist) und in denen die Wandstärke des Kappenabschnitts 1b, insbesondere durch zusätzliches Material, beispielsweise kreuzgangartig, verstärkt ist.
In der in 3b gezeigten Ausführungsform weist der Kappenabschnitt 1b zur Zentrierung und/oder Stabilisierung der Gaszufuhrlanze 5 drei konkave Einzüge 4 auf, welche sich ebenfalls zwischen der Kuppel des Kappenabschnitts 1b und einem an den mittleren, hohlzylindrischen Abschnitt 1a angrenzenden Bereich des Kappenabschnitts 1b erstrecken und zueinander um 120 ° versetzt sind (weshalb im gezeigten Querschnitt nur einer der drei Einzüge 4 dargestellt ist) und in denen die Wand des Kappenabschnitts 1b bei im Wesentlichen gleichbleibender Wandstärke partiell nach innen gezogen ist und somit eine modifizierte Form aufweist.
Die 4a bis 4d zeigen schematische perspektivische Ansichten von unterschiedlichen Verzahnungsausführungsformen für die Verbindungsbereiche 3 zwischen den einzelnen Abschnitten 1a, 1b; 1a, 1c des rohrförmigen Trägerkörpers 1. Dabei zeigt 4a eine Verzahnung in Form eines Nut-Feder-Profils. 4b zeigt eine hinterschnittene Verzahnung ähnlich der Verzahnung von Klick-Laminat. 4c zeigt eine wellenförmige Verzahnung und 4d eine burgzinnenförmige Verzahnung.
Die 5a und 5b veranschaulichen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, welches auf Keramikspritzguss basiert.
Die 5a und 5b zeigen, dass hierfür ein Spritzgusswerkzeug 10, 11 mit einer Kavität sowie ein in die Kavität einbringbarer, zylindrischer Spritzgusswerkzeugkern 12 bereitgestellt werden. Das Spritzgusswerkzeug 10, 11 und der Spritzgusswerkzeugkern 12 sind dabei derart ausgestaltet, dass durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns 12 in die Kavität zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern 12 und dem Spritzwerkzeug 10, 11 ein im Wesentlichen rohrförmiger Hohlraum ausbildbar ist, welcher im Wesentlichen der Form des auszubildenden rohrförmigen Trägerkörpers der auszubildenden Brennstoffzelle entspricht.
Die 5a und 5b zeigen, dass auf dem Spritzgusswerkzeugkern 12 ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem 2, 2a, 2b, 2c zum Ausbilden mindestens einer, insbesondere einer Vielzahl von, Elektroden-Elektrolyteinheiten 2, 2a, 2b, 2c angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Brennstoffzelle hergestellt werden, bei die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten auf der Innenseite des rohrförmigen Trägerkörpers angeordnet sind.
Um eine Brennstoffzelle herzustellen, bei die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten auf der Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers angeordnet sind, kann das Funktionsschichtsystem 2, 2a, 2b, 2c statt auf den Spritzgusswerkzeugkern 12 (wie in den 5a und 5b), auf einer die Kavität ausbildenden Fläche des Spritzgusswerkzeuges 10, 11 aufgebracht sein (nicht dargestellt).
Die 5a und 5b deuten an, dass das sandwichartige Funktionsschichtsystem 2, 2a, 2b, 2c eine Kathodenschicht 2a, eine Elektrolytschicht 2b und eine Anodenschicht 2c umfasst, wobei die Elektrolytschicht 2b zwischen der Kathodenschicht 2a und der Anodenschicht 2c angeordnet ist.
Die 5a und 5b veranschaulichen, dass der Spritzgusswerkzeugkerns 12 in die Kavität des Spritzgusswerkzeugs 10, 11 eingebracht wird und dass anschließend mindestens eine Komponenten 1 in zumindest einen Teil des Hohlraums zwischen Spritzgusswerkzeugkern 12 und Spritzgusswerkzeug 10, 11 eingespritzt wird. Dabei umfasst vorzugsweise mindestens eine Komponente 1 neben Bestandteilen zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials, mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material.
5b zeigt, dass der Spritzgusswerkzeugkern 12 nach dem Einspritzen der Komponenten, und beispielsweise vor einem Entbinderungs- und/oder Sinterschritts entfernt werden kann, wobei der ausgebildete rohrförmigen Körper 1 und das sandwichartige Funktionsschichtsystem 2, 2a, 2b, 2c physikalisch und/oder chemisch miteinander verbinden bleiben. Durch eine Temperaturbehandlung, beispielsweise während des Entbinderungs- und/oder Sinterschritts wird der Porenbildner unter Ausbildung von Poren entfernt.
Zur Inbetriebnahme der gezeigten Brennstoffzellen kann insbesondere das Brenngas in das Innere des rohrförmigen Trägerkörpers 1 geleitet werden, wobei es dort auf die Anode 2c tritt. Als Reaktionspartner kann Luft durch den porösen Abschnitt des rohrförmigen Trägerkörpers 1 zur Kathode 2a gelangen. Bei diesem Konzept liegen vorteilhafterweise alle Funktionsschichten auf der Brenngasseite, was den Einsatz kostengünstiger, aber oxidationsempfindlicher Interkonnektormaterialien (Stromsammler) und Anodenmaterialien, beispielsweise von metallischem Nickel, ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/037670 A1 [0006]
DE 10219096 A1 [0006]
US 6379485 B1 [0007]

Claims

Tubulare Brennstoffzelle, umfassend – einen rohrförmigen Trägerkörper (1), und – mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2), welche eine Kathode (2a), eine Anode (2c) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (2b) umfasst, wobei die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en (2) auf der Innenseite oder auf der Außenseite, insbesondere auf der Innenseite, des rohrförmigen Trägerkörpers (1) aufgebracht sind, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildet ist, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) in dem oder in den an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en angrenzenden Abschnitt/en (1a) gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen aufweist.
Tubulare Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Material des rohrförmigen Trägerkörpers (1) ionisch isolierend und/oder elektrisch isolierend ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) mindestens ein Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, umfasst.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) an mindestens einem offenen Rohrende einen Fußabschnitt (1c) zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat aufweist, wobei der Fußabschnitt (1c) gasdicht ausgestaltet ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt (1b) verschlossen ist, wobei der Kappenabschnitt (1b) gasdicht ausgestaltet ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kathode (2a) der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2) an den Trägerkörper (1, 1a) angrenzt, insbesondere wobei die Anoden (2c) vom Innenraum des rohrförmigen Trägerkörpers (1) aus zugänglich ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elektrolyt (2b) der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2) eine Schichtdicke von ≤ 50 μm aufweist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathode (2a), der Elektrolyt (2b) und die Anode (2c) der mindestens einen Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2) ein Schichtsystem bilden, welches eine Schichtsystemdicke von ≤ 300 μm aufweist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der rohrförmige Trägerkörper (1) mindestens einen Verbindungsbereich aufweist, in dem ein gasdurchlässiger Abschnitt (1a) und ein daran angrenzender gasdichter Abschnitt (1a, 1c) miteinander verzahnt ausgebildet sind.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verzahnung hinterschnitten, beispielsweise in Form eines Nut-Feder-Profils, ausgestaltet ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kappenabschnitt (1b) konkave Einzüge und/oder Streben aufweist und insbesondere zum Zentrieren und/oder Stabilisieren einer in den rohrförmigen Trägerkörper einführbaren Gaszufuhrlanze (5) ausgebildet ist.
Tubulare Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Trägerkörper (10) in dem oder den porösen Abschnitt/en (1a) eine offene Porosität von ≥ 20 % aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Verfahrensschritte a) Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs (10, 11) mit einer Kavität und eines in die Kavität einbringbaren Spritzgusswerkzeugkerns (12), wobei durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns (12) in die Kavität zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern (12) und dem Spritzwerkzeug (10, 11) ein im Wesentlichen rohrförmiger Hohlraum ausbildbar ist, wobei auf dem Spritzgusswerkzeugkern (12) beziehungsweise auf einer die Kavität ausbildenden Fläche des Spritzgusswerkzeuges (10, 11) ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem (2, 2a, 2b, 2c) zum Ausbilden mindestens einer Elektroden-Elektrolyteinheiten (2, 2a, 2b, 2c) angeordnet ist, wobei das sandwichartige Funktionsschichtsystem (2, 2a, 2b, 2c) eine Kathodenschicht (2a), eine Elektrolytschicht (2b) und eine Anodenschicht (2c) umfasst, b) Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns (12) in die Kavität; c) Einspritzen mindestens einer Komponenten (1) in zumindest einen Teil des Hohlraums, wobei die mindestens eine Komponente (1) einen oder mehrere Bestandteile zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst, oder wobei die mindestens eine Komponente einen oder mehrere Bestandteile zur Ausbildung eines keramischen und/oder glasartigen Materials umfasst und porenbildnerhaltig oder porenbildnerfrei ist und wobei das Spritzgusswerkzeug erhabene Strukturen zum Ausbilden von Öffnungen in dem, auszubildenden rohrförmigen Körper umfasst; d) Verfestigen der Komponenten (1); insbesondere wobei sich der ausbildenden rohrförmigen Körper (1) und das sandwichartige Funktionsschichtsystem (2, 2a, 2b, 2c) physikalisch und/oder chemisch miteinander verbinden, insbesondere wobei der Porenbildner unter Ausbildung von Poren entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: c1) Einspritzen mindestens einer weiteren Komponente in zumindest einen Teil des Hohlraums, wobei die weitere Komponente, insbesondere porenbildnerfrei ist, und einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei zwischen dem Spritzgusswerkzeugkern (12) und dem Funktionsschichtsystem (2, 2a, 2b, 2c) mindestens eine entfernbare Trägerschicht angeordnet ist.