DE102011087425A1

DE102011087425A1 - Herstellungsverfahren für eine tubulare Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102011087425A1
Application number: DE102011087425A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eisele Ulrich; Imke Heeren
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, welches die Verfahrensschritte zumindest die Verfahrensschritt a) und b) umfasst. In Verfahrensschritt a) wird dabei ein rohrförmiger Grundträgerkörper aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien bereitgestellt, welcher einen mittleren Abschnitt (1a) und zwei Endabschnitte (1b,1c) aufweist, wobei ein Endabschnitt (1b) als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet ist. Auf dem mittleren Abschnitt (1a) des rohrförmigen Grundträgerkörpers ist dabei ein Funktionsschichtsystem (2) aufgebracht, welches mindestens eine, eine Kathode (2a), eine Anode (2b) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisende Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2’) umfasst. In dem mittleren Abschnitt (1a) und in dem Kappenabschnitt (1b) ist der rohrförmige Grundträgerkörper porös. In Verfahrensschritt b) wird die zu dem Funktionsschichtsystem (2) benachbarten Fläche des Kappenabschnitts (1b) mit einer keramische und/oder glasartige Partikel umfassenden Schicht (3) beschichtet. Dadurch können vorteilhafterweise Poren des rohrförmigen Grundträgerkörpers durch keramische und/oder glasartige Partikel gasdicht verschlossen werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine tubulare Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem sowie eine damit ausgestattete Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise ein damit ausgestattetes Fahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, eine tubulare 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.
Die Druckschrift US 2005/0214612 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle.
Dabei wird in einem Verfahrensschritt a) ein rohrförmiger Grundträgerkörper aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien bereitgestellt, welcher einen mittleren Abschnitt und zwei Endabschnitte aufweist. Ein Endabschnitt ist dabei als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet. Auf dem mittleren Abschnitt des rohrförmigen Grundträgerkörpers ist dabei ein, insbesondere sandwichartiges, Funktionsschichtsystem aufgebracht, welches mindestens eine, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisende Elektroden-Elektrolyt-Einheit umfasst. Der rohrförmige Grundträgerkörper ist in dem mittleren Abschnitt und in dem Kappenabschnitt porös.
In einem Verfahrensschritt b) wird dabei die zu dem Funktionsschichtsystem benachbarte Fläche des Kappenabschnitts mit einer keramische und/oder glasartige Partikel umfassenden Schicht beschichtet. Dies kann insbesondere mittels eines kalten Beschichtungsverfahrens erfolgen.
Die zu dem Funktionsschichtsystem benachbarte Fläche des Kappenabschnitts kann insbesondere in Verfahrensschritt b) derart mit keramischen und/oder glasartigen Partikel beschichtet werden, dass Poren des rohrförmigen Grundträgerkörpers, insbesondere des Kappenabschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers, durch keramische und/oder glasartige Partikel gasdicht verschlossen werden. So kann der Kappenabschnitt vorteilhafterweise mit einer gasdichten Eigenschaft versehen werden.
Insbesondere kann so vorteilhafterweise erzielt werden, dass eines der Reaktionsgase der Brennstoffzellenreaktion, beispielsweise Luft oder Brenngas, gezielt (nur) durch den porösen mittleren Abschnitt den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten des Funktionsschichtsystems zugeführt wird und ein „elektrochemischer Kurzschluss“ der Reaktionsgase vermieden werden kann.
Der rohrförmige Grundträgerkörper fungiert im Wesentlichen als Träger für das Funktionsschichtsystem und die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten und erlaubt so vorteilhafterweise die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten besonders dünn auszugestalten. Dabei kann insbesondere der Elektrolyt der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 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 und die Degradationsneigung der Brennstoffzelle deutlich reduziert werden. Zudem können durch die dünne Ausgestaltung der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 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 kalten Beschichtungsverfahren kann insbesondere ein Beschichtungsverfahren verstanden werden, welches es ermöglicht bei einer Prozesstemperatur von weniger als 100 °C, insbesondere von weniger als 75 °C, beispielsweise ohne zusätzliche Prozesstemperatur, während des Beschichtungsprozesses eine keramische und/oder glasartige Partikel umfassende Schicht auszubilden. So kann vorteilhafterweiseinsbesondere auf eine spätere Temperaturbehandlung, beispielsweise eine Sinterung, verzichtet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise das Funktionsschichtsystem auch aus Materialien auszubilden, welche ansonsten beispielsweise bei einer zusätzlichen Behandlung mit hohen Temperaturen, beispielsweise von über 1200 °C, zum Beispiel bei einer nachfolgenden Sinterung, einer Degradation unterliegen würden.
Unter einem rohrförmigen Grundträgerkörpers kann insbesondere ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper 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 Grundträgerkörpers eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Unter im Wesentlichen hohlzylindrisch kann dabei insbesondere verstanden werden, dass der Grundträgerkörpers beispielsweise aufgrund des Kappenabschnitts und des später erläuterten Montageabschnitts von einem idealen Hohlzylinder abweichen kann.
Unter einem keramischen Material kann insbesondere ein anorganisches, nicht metallisches Material verstanden werden. Ein keramisches Material kann zumindest teilweise kristallin sein.
Unter einem glasartigen Material kann ein anorganisches, nicht metallisches, amorphes beziehungsweise nichtkristallines Material verstanden werden.
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.
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.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt Verfahrensschritt b) durch Aerosolbeschichten.
Beim Aerosolbeschichten wird im Wesentlichen in einer Aerosolkammer ein Aerosol aus keramischen und/oder glasartigen Partikeln und einem Trägergas erzeugt und die keramischen und/oder glasartigen Partikeln somit quasi fluidisiert. Das Aerosol wird über eine Verbindungsleitung, welche insbesondere mit einer Düse versehen sein kann, in eine Kammer geleitet wird, in welcher der zu beschichtende Körper angeordnet wird. Zur Leitung des Aerosols kann dabei insbesondere ein Druckgefälle zwischen den Kammer dienen. Die Kammer zur Aufnahme des zu beschichtenden Körpers kann dabei insbesondere zum Anlegen eines Vakuums ausgelegt sein und als Vakuumkammer bezeichnet werden. Die keramischen und/oder glasartigen Partikeln werden dabei in Richtung des zu beschichtenden Körpers beschleunigt und schlagen, insbesondere nach Passieren der Düse, unter Ausbildung einer keramischen und/oder glasartigen Schicht auf dem zu beschichtenden Körper auf. Vorteilhafterweise kann Aerosolbeschichten bei Raumtemperatur durchgeführt werden, was sich vorteilhaft auf die Materialauswahl für das Funktionsschichtsystem auswirkt. Zudem ermöglicht die Technologie der Aerosolbeschichtung die Beschichtung von Körpern mit keramischen Materialien, wobei sowohl die Materialklasse der Körper als auch deren Oberflächengüte frei wählbar ist.
Grundsätzlich kann in Verfahrensschritt a) sowohl ein Grundträgerkörper, bei dem das Funktionsschichtsystem auf der Innenseite des mittleren Abschnitts aufgebracht ist, als auch ein Grundträgerkörper, bei dem das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des mittleren Abschnitts, aufgebracht ist, bereitgestellt werden.
Es kann vorteilhaft sein, das Funktionsschichtsystem auf der Seite des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufzubringen, 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.
Insofern das Funktionsschichtsystem auf der Innenseite des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, kann beispielsweise der Innenraum des rohrförmigen Grundträgerkörpers zur Aufnahme des Brenngases ausgelegt sein, und umgekehrt insofern das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, kann beispielsweise der den rohrförmigen Grundträgerkörper umgebende Raum zur Aufnahme des Brenngases ausgelegt sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung wird in Verfahrensschritt a) ein Grundträgerkörper bereitgestellt, bei dem das Funktionsschichtsystem auf der Innenseite des mittleren Abschnitts aufgebracht ist. In Verfahrensschritt b) wird dabei die Innenseite beziehungsweise innere Fläche des Kappenabschnitts beschichtet. Diese Ausgestaltung hat unter anderem den Vorteil, dass bei einer Herstellung des rohförmigen Grundträgerkörpers durch ein Spritzgussverfahren eine Anspritzstelle auf der Außenseite des Kappenabschnitts für die Beschichtung unerheblich ist, wodurch gegebenenfalls der fertigungstechnische Aufwand und die Ausschusszahlen gesenkt werden können.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung wird in Verfahrensschritt a) ein Grundträgerkörper bereitgestellt, bei dem das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des mittleren Abschnitts aufgebracht ist. In Verfahrensschritt b) wird dabei die Außenseite beziehungsweise die äußere Fläche des Kappenabschnitts beschichtet. Diese Ausgestaltung hat unter anderem den Vorteil, dass bei einer Herstellung des rohförmigen Grundträgerkörpers durch ein Spritzgussverfahren eine Anspritzstelle auf der Innenseite des Kappenabschnitts für die Beschichtung unerheblich ist, wodurch gegebenenfalls ebenfalls der fertigungstechnische Aufwand und die Ausschusszahlen gesenkt werden können
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die Schicht beziehungsweise werden die keramischen und/oder glasartigen Partikel in Verfahrensschritt b) derart aufgebracht, dass die Schicht beziehungsweise die keramischen und/oder glasartigen Partikel mit dem Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig, überlappen beziehungsweise dass die Schicht beziehungsweise die keramischen und/oder glasartigen Partikel das Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig, bedecken. Durch eine geringfügige Überlappung kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Gasdichtigkeit erzielt werden. Insbesondere kann die Schicht beziehungsweise können die keramischen und/oder glasartigen Partikel einen Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, insbesondere einen elektrochemisch unaktiven Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, überlappen beziehungsweise bedecken.
Neben Elektroden-Elektrolyt-Einheiten kann das Funktionsschichtsystem elektrische Isolationsbereiche und/oder elektrische Leitungsbereiche umfassen, über welche beispielsweise einzelne Elektroden-Elektrolyt-Einheiten voneinander ionisch getrennt und/oder voneinander elektrisch getrennt und/oder miteinander elektrisch verbunden werden.
Das Funktionsschichtsystem kann zum Beispiel mindestens zwei elektrisch verschaltete Segmentsträngen umfassen, wobei jeder der mindestens zwei Segmentstränge wenigstens zwei Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweist, wobei die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten eines Segmentstrangs in Reihe geschaltet sind, und wobei wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Einheiten über einen, beispielsweise aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten, Verbindungsabschnitt elektrisch verbunden sind, insbesondere um die Segmentstränge in Reihe zu schalten. Der Verbindungsabschnitt kann dabei benachbart zu dem Kappenabschnitt ausgebildet sein. Da der Verbindungsabschnitt im Wesentlichen zur elektrischen Verschaltung dient und nicht an der eigentlichen elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion teilnimmt, kann die Schicht in Verfahrensschritt b), insbesondere derart aufgebracht werden, dass sie den Verbindungsabschnitt und/oder einen anderen elektrochemisch unaktiven Abschnitt des Funktionsschichtsystems teilweise oder vollständig überlappt beziehungsweise bedeckt.
Eine Ausgestaltung des Funktionsschichtsystems mit Strängen und Verbindungsabschnitt hat die Vorteile, dass auf den Außenflächen der Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten keine Stromkollektoren zum elektrischen Kontaktieren der Elektroden aufgebracht werden müssen, insbesondere welche aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet sind, und dass die Brennstoffzelle keinen Längsstromkollektor zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweisen muss, welcher bezogen auf die Achse des Funktionskörpers in axialer Richtung angeordnet und insbesondere aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet sind. Die Richtung des Stromflusses kann in den wenigstens zwei Segmentsträngen beispielweise zu einander gegenläufig sein. Die elektrische Verbindung zwischen den unterschiedlichen Segmentsträngen und zwischen den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten eines Segmentstrangs kann dabei einen Konnektor aus einem elektrisch leitenden, insbesondere gasdichten und nicht ionisch leitenden, Material umfassen.
Die wenigstens zwei Segmentstränge können dabei bezogen auf die Längsachse des rohrförmigen Trägerkörpers in axialer Richtung ausgerichtet sein und durch eine bezogen auf die Längsachse des rohrförmigen Trägerkörpers in axialer Richtung verlaufende gasdichte Nahtstelle zumindest teilweise ionisch und elektrisch voneinander isoliert sein. Im Bereich der Nahtstelle können dabei beispielsweise elektrisch und ionisch isolierende Bereiche zur Trennung der Anoden beziehungsweise Kanthoden unterschiedlicher Elektroden-Elektrolyt-Einheiten und ein elektrisch und ionisch isolierender Bereich zur Trennung von in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordneten Elektrolytbereichen in Form eines Schichtsystems übereinander ausgebildet sein.
Der rohrförmige Grundträgerkörper kann beispielsweise aus einem oder mehreren ionisch isolierenden, insbesondere ionisch und elektrisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien ausgebildet sein.
Zum Beispiel kann der rohrförmige Grundträgerkörper aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien, ausgewählt 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 Mischungen davon, ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) ein (fertig) gesinterter Grundträgerkörper bereitgestellt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden in Verfahrensschritt b) keramische und/oder glasartige Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ≥ 0,01 μm bis ≤ 10 μm, beispielsweise von ≥ 0,05 μm bis ≤ 6 μm, eingesetzt.
Die in Verfahrensschritt b) eingesetzten keramischen und/oder glasartigen Partikel können beispielsweise ionisch isolierende, insbesondere ionisch und elektrisch isolierend, sein. Zum Beispiel können die keramischen und/oder glasartigen Partikel ausgewählt sein 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 Mischungen davon. Diese Materialen sind vorteilhafterweise mindestens bis zu Temperaturen von 950 °C thermisch und mechanisch stabil.
Der rohrförmige Grundträgerkörper, insbesondere dessen Kappenabschnitt, und die keramische und/oder glasartige Schicht können beispielsweise aus dem gleichen Material ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenso möglich, den Grundträgerkörper, insbesondere dessen Kappenabschnitt, und die keramische und/oder glasartige Schicht aus unterschiedlichen Materialien auszubilden. Um Rissbildungen zu vermeiden hat es sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Materialien einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ein Beispiel für derartig geeignete Materialkombinationen sind Zirkoniumdioxid und Forsterit. So ist es zum Beispiel möglich einen rohrförmigen Grundträgerkörper aus Forsterit auszubilden und mit einer Zirkoniumdioxidbeschichtung zu versehen, und umgekehrt.
Beispielsweise kann in Verfahrensschritt b) eine Schicht aus keramischen und/oder glasartigen Partikeln aufgebracht werden, welche eine Schichtdicke von ≤ 50 μm, beispielsweise von ≤ 15 μm, zum Beispiel von etwa 10 μm, aufweist. Derartige Schichtdicken sind in der Regel zur Ausbildung einer gasdichten, mechanisch nicht tragenden Schicht ausreichend und können vorteilhafterweise in relativ kurzen Prozesszeiten realisiert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b), insbesondere zum Aufbringen beziehungsweise zur Applikation der Schicht, eine Düse in den rohrförmigen Grundträgerkörper eingeführt. Die Düse kann einen lanzenartigen Schaft aufweisen, insbesondere über welchen sie mit der Aerosolkammer verbunden sein kann. Der lanzenartige Düsenschaft kann insbesondere derart ausgeführt sein, dass die Düse tief in den rohrförmigen Grundträgerkörper, insbesondere bis zu dessen Kappenabschnitt, hineinragen kann. Der Einsatz einer Düse hat sich insbesondere zum Beschichten der Innenseite des Kappenabschnitts, insbesondere eines geometrisch langen Tubus, als vorteilhaft erwiesen.
Die Düse kann dabei insbesondere auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts des Grundträgerkörpers, beispielsweise auf die Geometrie des Kappenabschnitts des Grundträgerkörpers, angepasst sein. Zum Beispiel kann die Düse umlaufende Düsenlöcher, insbesondere zum Ausbilden eines pilzförmigen Sprays, und/oder mindestens einen lateral ausgebildeten Düsenschlitz, insbesondere zum Ausbilden eines Spraybandes, aufweisen. Diese Düsendesigns haben sich zum Ausbilden einer gleichmäßigen Beschichtung als geeignet erwiesen.
Insbesondere insofern die Düse einen lateral ausgebildeten Düsenschlitz aufweist kann in Verfahrensschritt b) der Grundkörper und/oder die Düse, insbesondere bezüglich einander, gedreht werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden daher in Verfahrensschritt b) der rohrförmige Grundträgerkörper und/oder die Düse durch eine Drehvorrichtung gedreht. Dazu kann beispielsweise der rohrförmige Grundträgerkörper in der Drehvorrichtung eingespannt und durch die Drehvorrichtung gedreht werden. Eine Drehung des rohrförmigen Grundträgerkörpers und/oder der Düse kann sich vorteilhaft auf die Gleichmäßigkeit der zu erzeugenden Beschichtung auswirken.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) zur Begrenzung des durch die Düse erzeugten Partikelsprays eine auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts des Grundträgerkörpers, insbesondere auf die Geometrie des Kappenabschnitts des Grundträgerkörpers, angepasste Maske eingesetzt. Die Maske kann dabei zeitgleich mit der Düse in den rohrförmigen Grundträgerkörper eingeführt und/oder aus dem rohrförmigen Grundträgerkörper herausgezogen werden.
Vorzugsweise sind die Düse und/oder die Maske derart ausgestaltet, dass eine, insbesondere scharf, begrenzte Beschichtung damit ausgebildet werden kann und insbesondere verhindert werden kann, dass Beschichtungsmaterial an der Brennstoffzellenreaktion elektrochemisch aktiv beteiligte Abschnitte des Funktionsschichtsystem, wie offenporige Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten, bedeckt beziehungsweise verstopft.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird der rohrförmige Grundträgerkörper in Verfahrensschritt b) in eine Vakuumkammer eingebracht. Dabei kann in der Vakuumkammer zum Beispiel ein Vakuum von ≤ 50 mbar, insbesondere von ≤ 20 mbar, beispielsweise von etwa 10 mbar, erzeugbar sein. Die keramischen und/oder glasartigen Partikel können dabei insbesondere in Form eines Aerosols mit einem Trägergas aus einer Aerosolkammer, in welcher – bezogen auf die Vakuumkammer ein höherer Druck vorliegt, durch den Druckunterschied zwischen der Aerosolkammer und Vakuumkammer in Richtung auf den zu beschichtenden rohrförmigen Grundträgerkörper beschleunigt werden und in der Vakuumkamme mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Oberfläche des rohrförmigen Körpers treffen und so eine mechanische Verbindung mit dem Material des rohrförmigen Grundträgerkörpers ausbilden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt a) ein rohrförmiger Grundträgerkörper bereitgestellt, dessen anderer Endabschnitt als ein offener Montageabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgebildet ist.
Zum Betrieb der Brennstoffzelle ist der Montageabschnitt insbesondere gasdicht ausgestaltet.
Eine gasdichte Ausgestaltung des Montageabschnitts kann auf verschiedene Arten gewährleistet werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung wird der rohrförmige Grundträgerkörper durch ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren, insbesondere ein Zweikomponentenspritzgussverfahren, ausgebildet, bei dem mindestens eine Komponente eingesetzt wird, welche einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst und mit bei dem mindestens eine porenbildnerfreie Komponente eingesetzt wird, welche (nur) einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials umfasst. Dabei kann der Montageabschnitt, insbesondere gasdicht, aus der porenbildnerfreien Komponente und der mittlere Abschnitt und der Kappenabschnitt, insbesondere porös, aus der porenbildnerhaltigen Komponente ausgebildet werden.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung wird der rohrförmige Grundträgerkörper durch ein Einkomponentenspritzgießverfahren ausgebildet, bei dem eine Komponente eingesetzt wird, welche einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst. Der Montageabschnitt kann dabei in einem späteren Verfahrenschritt beispielsweise durch Beschichten gasdicht ausgestaltet werden. Insbesondere kann in Verfahrenschritt b) oder einem ähnlichen, vor oder nachgeschalteten Verfahrensschritt b’) der Montageabschnitt, insbesondere die zu dem Funktionsschichtsystem benachbarte Fläche des Montageabschnitts mit einer keramische und/oder glasartige Partikel umfassenden Schicht, insbesondere derart, dass Poren des rohrförmigen Grundträgerkörpers durch keramische und/oder glasartige Partikel gasdicht verschlossen werden, versehen werden. Auch hierbei kann insbesondere ein kaltes Beschichtungsverfahren, insbesondere Aerosolbeschichten, eingesetzt werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubulare Brennstoffzelle.
Hierbei kann es sich beispielsweise um eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte tubulare Brennstoffzelle handeln.
Die tubulare Brennstoffzelle kann insbesondere einen rohrförmigen Grundträgerkörper aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien umfassen, welcher einen mittleren Abschnitt und zwei Endabschnitte aufweist. Dabei ist ein Endabschnitt als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet. Darüber hinaus kann die tubulare Brennstoffzelle ein (sandwichartiges) Funktionsschichtsystem umfassen, welches mindestens eine, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisende Elektroden-Elektrolyt-Einheit umfasst. Das Funktionsschichtsystem kann dabei auf dem mittleren Abschnitt des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht sein. In dem mittleren Abschnitt und in dem Kappenabschnitt kann der rohrförmige Grundträgerkörper insbesondere porös sein. Die zu dem Funktionsschichtsystem benachbarte Fläche des Kappenabschnitts kann dabei insbesondere mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht beschichtet sein. Insbesondere kann die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht dabei keramische und/oder glasartige Partikel umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet sein.
Die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht kann beispielsweise eine Schichtdicke von ≤ 50 μm, beispielsweise von ≤ 15 μm, zum Beispiel von etwa 10 μm, aufweisen.
Die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht kann beispielsweise keramische und/oder glasartige Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ≥ 0,01 μm bis ≤ 10 μm, beispielsweise von ≥ 0,05 μm bis ≤ 6 μm, umfassen.
Die keramischen und/oder glasartigen Partikel können beispielsweise ionisch isolierende, insbesondere ionisch und elektrisch isolierend, sein. Zum Beispiel können die keramischen und/oder glasartigen Partikel ausgewählt sein 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 Mischungen davon.
Der rohrförmige Grundträgerkörper kann beispielsweise aus einem oder mehreren ionisch isolierenden, insbesondere ionisch und elektrisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien ausgebildet sein.
Zum Beispiel kann der rohrförmige Grundträgerkörper aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien, ausgewählt 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 Mischungen davon, ausgebildet sein.
Grundsätzlich kann das Funktionsschichtsystem sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite, insbesondere auf die Innenseite, des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung ist das Funktionsschichtsystem auf der Innenseite des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht. Dabei ist insbesondere die Innenseite des Kappenabschnitts mit der gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht versehen.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung ist das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht. Dabei ist insbesondere die Außenseite des Kappenabschnitts mit der gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht versehen.
Im Rahmen einer Ausführungsform überlappt die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht das Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig. Beispielsweise kann die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht das Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig, bedecken. Insbesondere kann die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht einen Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, teilweise, insbesondere geringfügig, überlappen beziehungsweise bedecken.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der andere Endabschnitt des rohrförmigen Grundträgerkörper als ein offener Montageabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgebildet. Im Bereich des Montageabschnitts ist die Brennstoffzelle vorzugsweise gasdicht.
Um dies zu gewährleisten kann der rohrförmige Grundträgerkörper im Bereich des Montageabschnitts, insbesondere mittels Spritzguss, aus einem gasdichten, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Material ausgebildet sein.
Wie bereits erläutert, kann der rohrförmige Grundträgerkörper jedoch auch im Bereich des Montageabschnitts, zum Beispiel mittels Spritzguss, aus einem porösen, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Material ausgebildet sein, welches mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht versehen ist um dem Montageabschnitt mit einer gasdichten Eigenschaft zu versehen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen tubularen Brennstoffzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine, insbesondere eine Vielzahl von, erfindungsgemäßen Brennstoffzellen umfasst.
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 mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle beziehungsweise 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 des Brennstoffzellensystems, des Zugkernwerkzeugs, der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und des Fahrzeugs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sowie den Figuren verwiesen.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen 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 eine schematische, perspektivische Anschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
2 eine schematische, vergrößerte Ansicht des Kappenabschnitts der in 1 gezeigten Brennstoffzelle;
3 eine schematische, vergrößerte Ansicht des mittleren Abschnitts der in 1 gezeigten Brennstoffzelle; und
4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt eine tubulare Brennstoffzelle, welche einen rohrförmigen Grundträgerkörper 1a, 1b, 1c aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien umfasst, welcher einen mittleren Abschnitt 1a und zwei Endabschnitte 1b, 1c aufweist. 1 veranschaulicht, dass dabei ein Endabschnitt 1b als Kappenabschnitt ausgebildet ist, welcher den rohrförmigen Grundträgerkörper verschließt. Der andere Endabschnitt 1c des rohrförmige Grundträgerkörper ist dabei als ein Montageabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgebildet. Dabei ist der Montageabschnitt offenen ausgestaltet und verschließt das andere Rohrende somit nicht. In dem mittleren Abschnitt 1a ist der rohrförmige Grundträgerkörper porös ausgestaltet. Dies ermöglicht eine Gasdiffusion von Außen durch den mittleren Abschnitt 1a des rohrförmigen Grundträgerkörpers zu einem auf dessen Innenseite aufgebrachten sandwichartigen Funktionsschichtsystem 2.
1 illustriert, dass das Funktionsschichtsystem 2 eine Vielzahl von schichtförmigen Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ umfasst, welche jeweils ein Kathode 2a, eine Anode 2b und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (nicht dargestellt) aufweisen. Die Kathoden 2a der Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ grenzen dabei an den mittleren Abschnitt 1a des rohrförmigen Grundträgerkörpers an, wobei die Anoden 2b des Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ vom Innenraum des rohrförmigen Grundträgerkörpers aus betrachtet offen liegen, so dass der Innenraum des rohrförmigen Grundträgerkörpers mit Brenngas, beispielsweise mit Wasserstoff oder einem alkanhaltigen Gas, wie Erd- oder Biogas, und der Bereich außerhalb des rohrförmigen Grundträgerkörpers mit Luft versehen werden kann.
Neben Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ umfasst das Funktionsschichtsystem elektrische Isolationsbereiche 2c, 2d und/oder Leitungsbereiche 2e, welche beispielsweise die einzelnen Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ voneinander räumlich und ionisch trennen, einige Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ elektrisch voneinander trennen und andere Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ elektrisch miteinander zu Strängen verbinden und die resultierenden Stränge zumindest teilweise wiederum voneinander räumlich, elektrischen und ionischen trennen. In der gezeigten Ausführungsform sind zum Beispiel jeweils die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ auf der linken Seite des Isolationsbereichs 2d und jeweils die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ auf der rechten Seite des Isolationsbereichs 2d in Reihe zu einem Strang verschaltet, wobei die beiden Stränge wiederum durch einen benachbart zum Kappenabschnitt 1b ausgebildeten Verbindungsbereich 2e miteinander in Reihe geschaltet sind, so das Strom beispielsweise über den linken Strang vom Montageabschnitt 1a in Richtung des Kappenabschnitts 1b und über den rechten Strang wieder vom Kappabschnitt 1b in Richtung des Montageabschnitts 1c geführt werden kann. So kann vorteilhafterweise auf einen Stromlängskollektor verzichtet werden.
Um eine gezielte Gasdiffusion durch den mittleren Abschnitt 1a zu den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 2’ des Funktionsschichtsystems zu bewirken, sind der Kappenabschnitt 1b und der Montageabschnitt 1c vorzugsweise gasdicht ausgestaltet. Der Montageabschnitt 1c kann relativ einfach, beispielsweise durch Zweikomponentenkeramikspritzguss aus einer gasdicht sinternden Spritzgusskomponente, hergestellt werden.
Dies ist beim Kappenabschnitt 1b aufwendiger, weshalb es sich als vorteilhaft herausgestellt hat den Kappenabschnitt 1b des rohrförmigen Grundträgerkörpers – wie den mittleren Abschnitt 1a des rohrförmigen Grundträgerkörpers – aus einem porösen Material auszubilden und anschließend mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht 3 zu versehen.
2a ist eine schematische, vergrößerte Ansicht des Kappenabschnitts 2b der in 1 gezeigten Brennstoffzelle und zeigt, dass die zu dem Funktionsschichtsystem 2 benachbarte Fläche des Kappenabschnitts 1b mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht 3 versehen ist. Dies hat sich gegenüber einer gasdichten Beschichtung der dazu gegenüberliegenden äußeren Fläche des Kappenabschnitts 1b als vorteilhaft erwiesen, um einen „chemischen Kurzschluss“ zu vermeiden, welcher gegebenenfalls bei einer gasdichten Beschichtung auf der gegenüberliegenden äußeren Fläche des Kappenabschnitts 1b durch eine ungewollte Gasdiffusion durch das poröse Material des rohrförmigen im Übergangsbereich zwischen mittlerem Abschnitt 1a und Kappenabschnitt 1b auftreten könnte.
Insofern das Funktionsschichtsystem 2 wie in der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform auf der Innenseite des mittleren Abschnitts 1a des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, ist dementsprechend vorteilhafterweise die innere Fläche beziehungsweise die Innenseite des Kappenabschnitts 1b mit der gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht 3 versehen.
Insofern das Funktionsschichtsystem wie in einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform auf der Außenseite des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, ist dementsprechend vorteilhafterweise die äußere Fläche beziehungsweise die Außenseite des Kappenabschnitts mit der gasdichten Schicht versehen.
Um die Gasdichtigkeit weiter zu verbessern hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht 3 derart auszubilden, dass diese 3 teilweise mit dem Funktionsschichtsystem 2, insbesondere mit einem Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, überlappt.
Eine derartige Ausgestaltung ist in 2b dargestellt. 2b zeigt, dass die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht 3 mit einem Randabschnitt 2e des Funktionsschichtsystems 2 überlappt beziehungsweise den Randabschnitt 2e des Funktionsschichtsystems 2 bedeckt. Im Rahmen der gezeigten Ausführungsformen ist dieser Randabschnitt 2e ein nicht an der eigentlichen elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion beteiligter Abschnitt des Funktionsschichtsystems 2, nämlich der bereits erläuterte Verbindungsbereich 2e, welcher im Wesentlichen der elektrischen Verschaltung der beiden Elektroden-Elektrolyt-Einheiten-Stränge dient. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Gasdichtigkeit erzielt werden, ohne die elektrochemisch aktive Fläche des Funktionsschichtsystems 2 zu verringern.
In 3 ist nochmals eine schematische, vergrößerte Ansicht des mittleren Abschnitts 1a der in 1 gezeigten Brennstoffzelle dargestellt.
Die in im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen von Brennstoffzellen können insbesondere dadurch hergestellt werden, dass zunächst ein, beispielsweise schon gesinterter, rohrförmiger Grundträgerkörper mit einem mittleren Abschnitt 1a und zwei Endabschnitte 1b, 1c bereitgestellt wird, von denen Endabschnitt 1b als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet ist, wobei auf dem mittleren Abschnitt 1a ein Funktionsschichtsystem 2 aufgebracht ist und wobei der mittlere Abschnitt 1a und Kappenabschnitt 1b aus einem porösen, keramischen und/oder glasartigen Trägermaterial ausgebildet sind. Der andere, beispielsweise als Montageabschnitt ausgebildete Endabschnitt 1c des rohrförmigen Trägerkörpers kann dabei ebenfalls aus einem porösen oder aus einem gasdichten keramischen und/oder glasartigen Trägermaterial ausgebildet sein.
Ein derartiger mit einem Funktionsschichtsystem ausgestatteter rohrförmiger Grundträgerkörper kann beispielsweise durch ein Einkomponenten-Spritzgussverfahren (im Fall eines porösen Montageabschnitts) oder durch ein Zwei- beziehungsweise Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren (im Fall eines gasdichten Montageabschnitts) hergestellt werden, bei dem vor dem Einbringen der Spritzgusskomponent/en das Funktionsschichtsystem 2 in das Spritzgusswerkzeug, beispielsweise in Form einer Folie oder einer Druckschicht, eingebracht wird und bei dann mit der beziehungsweise den Spritzgusskomponent/en umspritzt wird.
Der bereitgestellte rohrförmige Grundträgerkörper wird dann mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht versehen und zwar derart, dass die zu dem Funktionsschichtsystem 2 benachbarte Fläche des Kappenabschnitts 1b beschichtet wird. Die Gasdichtigkeit kann dabei insbesondere dadurch erzielt werden, dass Poren des Kappenabschnitts 1b durch keramische und/oder glasartige Partikel gasdicht verschlossen werden.
Die erfolgt vorzugsweise mittels eines kalten Beschichtungsverfahrens. Insbesondere kann dies mittels „kaltem“ Aerosolbeschichten erfolgen.
Das Prinzip des Aerosolbeschichtens wird in 4 veranschaulicht. 4 zeigt, dass zunächst ein Aerosol hergestellt wird, welches keramische und/oder glasartige Partikel 10 und ein Trägergas 11 umfasst. Das Aerosol wird dabei in einer Aerosolkammer erzeugt, in welcher – bezogen auf eine Kammer, in welcher der zu beschichtende rohrförmige Grundträgerkörper 1b, 1c angeordnet ist – ein höherer Druck vorliegt. In der Kammer, in welcher der zu beschichtende rohrförmige Grundträgerkörper 1b, 1c angeordnet ist, kann dabei vorteilhafterweise Raumtemperatur vorliegen. Insbesondere kann es sich bei der Kammer um eine Vakuumkammer, also eine Kammer an die ein Vakuum anlegbar ist, handeln. An die Vakuumkammer kann beispielsweise ein Vakuum von ≤ 50 mbar, angelegt werden. Durch das Druckgefälle zwischen der Aerosolkammer und der Vakuumkammer wird das Aerosol und damit die darin enthaltenen keramischen und/oder glasartigen Partikel 10 in Richtung auf den zu beschichtenden rohrförmigen Grundträgerkörper 1b, 1c beschleunigt und treffen dort mit einer hohen Geschwindigkeit auf dessen Oberfläche auf. Dadurch kann eine mechanische Verbindung zwischen den keramischen und/oder glasartigen Partikeln 10 und dem Material des rohrförmigen Grundträgerkörpers 1b, 1c erzeugt und Poren mit den keramischen und/oder glasartigen Partikeln 10 gasdicht verschlossen werden.
Eine Beschichtung eines bestimmten Abschnitts 1b, 1c kann dabei durch eine auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts 1b, 1c, beispielweise des Kappenabschnitts 1b, angepasste Düse 12 erzielt werden. Zur Herstellung einer in den 1 bis 3 gezeigten Brennstoffzelle kann die Düse 12 in den rohrförmigen Grundträgerkörper 1a, 1b, 1c eingeführt werden. Dabei kann die Düse 12 beispielsweise zur Ausbildung eines pilzförmigen Sprays ausgelegt sein und umlaufende Düsenlöcher aufweisen (nicht dargestellt). Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Düse einen oder mehrere laterale Düsenschlitze aufweist und während des Beschichtens gedreht wird (nicht dargestellt). Darüber hinaus ist es möglich zur Begrenzung des Partikelsprays eine, auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts 1b, 1c angepasste, Maske (nicht dargestellt) einzusetzen. Diese kann gleichzeitig mit der Düse 12 in den rohrförmigen Grundträgerkörper 1a, 1b, 1c eingeführt und wieder herausgezogen werden.
Aerosolbeschichten eignet sich insbesondere zum Beschichten des Kappenabschnitt 1b. Der Montageabschnitt 1c kann bereits bei der Herstellung des rohrförmigen Grundträgerkörpers, beispielsweise mittels eines Mehrkomponentenspritzgussverfahrens mit einer gasdicht sinternden Spritzgusskomponente zum Ausbilden des Montageabschnitts 1c, bereitgestellt werden. Insofern bei der Herstellung des rohrförmigen Grundträgerkörpers der Montageabschnitt 1c aus einem porösen Material ausgebildet wird, ist es möglich auch diesen durch Aerosolbeschichten mit gasdichten Eigenschaften zu versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0214612 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines rohrförmigen Grundträgerkörpers aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien, wobei der rohrförmige Grundträgerkörper einen mittleren Abschnitt (1a) und zwei Endabschnitte (1b, 1c) aufweist, wobei ein Endabschnitt (1b) als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet ist, wobei auf dem mittleren Abschnitt (1a) des rohrförmigen Grundträgerkörpers ein Funktionsschichtsystem (2) aufgebracht ist, welches mindestens eine, eine Kathode (2a), eine Anode (2b) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisende Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2’) umfasst, und wobei der rohrförmige Grundträgerkörper in dem mittleren Abschnitt (1a) und in dem Kappenabschnitt (1b) porös ist, b) Beschichten der zu dem Funktionsschichtsystem (2) benachbarten Fläche des Kappenabschnitts (1b) mit einer keramische und/oder glasartige Partikel umfassenden Schicht (3), insbesondere mittels eines kalten Beschichtungsverfahrens, insbesondere derart, dass Poren des rohrförmigen Grundträgerkörpers (1b) durch keramische und/oder glasartige Partikel gasdicht verschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Verfahrensschritt b) durch Aerosolbeschichten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Funktionsschichtsystem auf der Innenseite des mittleren Abschnitts (1a) des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, wobei in Verfahrensschritt b) die Innenseite des Kappenabschnitts (1b) beschichtet wird, oder wobei das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, wobei in Verfahrensschritt b) die Außenseite des Kappenabschnitts beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Verfahrensschritt b) die Schicht (3) derart aufgebracht wird, dass die Schicht (3) das Funktionsschichtsystem (2) teilweise überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Verfahrensschritt a) ein gesinterter Grundträgerkörper (1a, 1b, 1c) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Verfahrensschritt b) keramische und/oder glasartige Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ≥ 0,01 μm bis ≤ 10 μm eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in Verfahrensschritt b) eine Düse (12) in den rohrförmigen Grundträgerkörper (1a, 1b, 1c) eingeführt wird, insbesondere wobei die Düse (12) auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts (1b) des Grundträgerkörpers angepasst ist, insbesondere wobei die Düse (12) umlaufende Düsenlöcher, insbesondere zum Ausbilden eines pilzförmigen Sprays, und/oder mindestens einen lateral ausgebildeten Düsenschlitz, insbesondere zum Ausbilden eines Spraybandes, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in Verfahrensschritt b) zur Begrenzung des durch die Düse (12) erzeugten Partikelsprays eine, insbesondere auf die Geometrie des zu beschichtenden Abschnitts (1b) des Grundträgerkörpers angepasste Maske eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in Verfahrensschritt b) der rohrförmige Grundträgerkörper (1a, 1b, 1c) und/oder die Düse (12), insbesondere durch eine Drehvorrichtung, gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Verfahrensschritt b) ein Vakuum von ≤ 50 mbar angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der andere Endabschnitt (1c) des rohrförmige Grundträgerkörper als ein offener Montageabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgebildet ist, insbesondere wobei der rohrförmige Grundträgerkörper durch ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren, insbesondere ein Zweikomponentenspritzgussverfahren, mit mindestens einer Komponente, welche einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst, und mit mindestens einer porenbildnerfreien Komponente, welche einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials umfasst, ausgebildet wird, insbesondere wobei der Montageabschnitt (1c) gasdicht aus der porenbildnerfreien Komponente und der mittlere Abschnitt (1a) und der Kappenabschnitt (1b) porös aus der porenbildnerhaltigen Komponente ausgebildet wird, oder wobei der rohrförmige Grundträgerkörper durch ein Einkomponentenspritzgießverfahren mit einer Komponente, welche einen oder mehrere Bestandteile zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Trägermaterials sowie mindestens einen Porenbildner zum Ausbilden von Poren in dem auszubildenden, keramischen und/oder glasartigen Material umfasst, ausgebildet wird, wobei der Montageabschnitt (1c) durch Infiltration und/oder Beschichten gasdicht ausgestaltet wird.
Tubulare Brennstoffzelle, umfassend – einen rohrförmigen Grundträgerkörper (1a, 1b, 1c) aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Trägermaterialien, welcher einen mittleren Abschnitt (1a) und zwei Endabschnitte (1b, 1c) aufweist, wobei ein Endabschnitt (1b) als ein, den rohrförmigen Grundträgerkörper schließender Kappenabschnitt ausgebildet ist, und – ein Funktionsschichtsystem (2), welches mindestens eine, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisende Elektroden-Elektrolyt-Einheit (2’) umfasst, wobei das Funktionsschichtsystem (3) auf dem mittleren Abschnitt (1a) des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist, wobei der rohrförmige Grundträgerkörper in dem mittleren Abschnitt (1a) und in dem Kappenabschnitt (1b) porös ist, und wobei die zu dem Funktionsschichtsystem (2) benachbarte Fläche des Kappenabschnitts (1b) mit einer gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht (3) beschichtet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Funktionsschichtsystem (2) auf der Innenseite des mittleren Abschnitts (1a) des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist und die Innenseite des Kappenabschnitts (1b) mit der gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht (3) versehen ist, oder wobei das Funktionsschichtsystem auf der Außenseite des mittleren Abschnitts des rohrförmigen Grundträgerkörpers aufgebracht ist und die Außenseite des Kappenabschnitts mit der gasdichten, keramischen und/oder glasartigen Schicht versehen ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 12 oder 13, wobei die gasdichte, keramische und/oder glasartige Schicht (3) das Funktionsschichtsystem (2) teilweise überlappt.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der andere Endabschnitt (1c) des rohrförmigen Grundträgerkörper als ein offener Montageabschnitt zum Befestigen der tubularen Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat ausgebildet ist, wobei der rohrförmige Grundträgerkörper im Bereich des Montageabschnitts (1c), insbesondere mittels Spritzguss, aus einem gasdichten, insbesondere keramischen und/oder glasartigen, Material ausgebildet ist.