DE102012221419A1 - Tubulare Elektrolysezelle - Google Patents

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Birgit Thoben
Imke Heeren
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tubulare Elektrolysezelle (10), welche einen tubularen Trägerkörper (11) mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) und zwei Endabschnitten (112, 113) und ein Funktionsschichtsystem aus einer Sauerstoffelektrodenschicht (12), einer Brenngaselektrodenschicht (13) und einer zwischen der Sauerstoffelektrodenschicht (12) und der Brenngaselektrodenschicht (13) ausgebildeten Elektrolytschicht (111, 14) aufweist, wobei der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) des tubularen Trägerkörpers (11) aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material ausgebildet ist und als Elektrolytschicht (111) des Funktionsschichtsystems (12, 13, 11) dient oder wobei der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) des tubularen Trägerkörpers (11) aus einem gasdurchlässig porösen keramischen Material ausgebildet ist, auf dessen (111) Außenseite oder Innenseite das Funktionsschichtsystem (12, 13, 14) aufgebracht ist, und wobei mindestens einer der Endabschnitte (112, 113) zur Montage der Zelle (10) ausgelegt ist, wobei der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) aus einem anderen, insbesondere gasdichten und keramischen, Material als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zelle sowie deren Verwendung.

Description

  • Stand der Technik
  • Wind- und Sonnenenergie haben bedingt durch Wetterveränderungen und Tag-Nacht-Wechsel starke Fluktuationen. Um derartige Fluktuationen ausgleichen zu können, besteht ein großes Interesse an Lösungen zur Umwandlung von elektrischer Energie in ein speicherbares Medium.
  • Eine Lösung könnten Hochtemperatur-Elektrolysezellen (SOEC, Englisch: Solid Oxide Electrolysis Cell) darstellen, welche Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) in Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gemäß der Gleichung: CO2 + H2O → CO + H2 + (O2) spalten. Bei Bedarf kann dann mit Hilfe einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC, Englisch: Solid Oxide Fuel Cell) Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) wieder zurück verstromt werden.
  • Tubulare Hochtemperatur-Elektrolysezellen weisen herkömmlicherweise eine zu einer Röhre extrudierte oder gepresste Anode oder Kathode auf, welche in der Regel in einem aufwändigen Folgeverfahren mit einem dünnen Elektrolyten und einer dünnen Gegenelektrode beschichtet wird. Derartige tubulare Zellen werden auch als elektrodengeträgerte Zellen bezeichnet. Um eine möglichst hohe Gasdiffusion in die Elektroden zu gewährleisten, werden die Elektroden von Elektrolysezellen herkömmlicherweise aus einem Material mit einer sehr hohen Porosität hergestellt. Die hohe Porosität geht jedoch mit einer geringen Festigkeit einher, weswegen derartige Elektrodenröhren von elektrodengeträgerten Elektrolysezellen recht dickwandig ausgeführt werden müssen, was jedoch wiederum die Gasdiffusion behindert.
  • Die Druckschriften US 2011/0177434 A1 , DE 10 2010 001 988 A1 und US 2007/0054170 A1 beschreiben Brennstoffzellen beziehungsweise Elektrolytmaterialien hierfür.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubulare elektrochemische Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, welche einen tubularen Trägerkörper mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitten aufweist.
  • Unter einem tubularen oder rohrförmigen oder hohlzylindrischen Körper beziehungsweise Abschnitt kann insbesondere ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper beziehungsweise Körperabschnitt verstanden werden, dessen Grund- beziehungsweise Deckfläche/n grundsätzlich sowohl im Wesentlichen rund, insbesondere kreisförmig oder ovaloid (ovalförmig), als auch polygon sein können. Insbesondere kann ein tubularer oder rohrförmiger oder hohlzylindrischer Körper beziehungsweise Abschnitt kreisförmige Grund-beziehungsweise Deckfläche/n aufweisen. Ein tubularer beziehungsweise rohrförmiger Körper kann sowohl an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen, als auch an beiden Enden offen ausgestaltet sein.
  • Insbesondere umfasst die Zelle weiterhin ein, beispielsweise sandwichartiges, Funktionsschichtsystem aus einer Sauerstoffelektrodenschicht, einer Brenngaselektrodenschicht, und einer zwischen der Sauerstoffelektrodenschicht und der Brenngaselektrodenschicht ausgebildeten Elektrolytschicht.
  • Unter einer Sauerstoffelektrode kann insbesondere eine Elektrode verstanden werden, welche zur elektrolytischen Bildung von Sauerstoff ausgelegt ist.
  • Unter einer Brenngaselektrode kann insbesondere eine Elektrode verstanden werden, welche zur elektrolytischen Bildung eines oder mehrerer Brenngase, beispielsweise Wasserstoff (H2) und gegebenenfalls Kohlenmonoxid (CO), ausgelegt ist.
  • Dass die tragende Funktion durch den tubularen Trägerkörper übernommen wird, hat den Vorteil, dass die mechanische Belastung auf die Elektrodenschichten verringert werden kann, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Zelle auswirken kann. Zudem ermöglicht dies die Elektrodenschichten, insbesondere die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht, deutlich dünnwandiger, beispielsweise mit einer Schichtdicke von ca. 50 μm oder weniger, als bei elektrodengeträgerten Zellen auszuführen, was sich unter Anderem auf die elektrischen Eigenschaften, die Gasdiffusion, die Kosten und das Gewicht der Zelle vorteilhaft auswirken kann. Insbesondere kann so vorteilhafterweise eine hohe Gasproduktion im Elektrolysebetrieb erzielt werden.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform (elektrolytgeträgertes Konzept) ist der hohlzylindrische Zwischenabschnitt des tubularen Trägerkörpers aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet und dient als Elektrolyt beziehungsweise Elektrolytschicht des Funktionsschichtsystems. Da der tubulare Trägerkörper zumindest in dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt aus dem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen als Elektrolyt dienenden Material ausgebildet ist, kann eine derartige Zelle als zumindest teilweise (fest-)elektrolytgeträgerte Zelle bezeichnet werden.
  • Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes kann auf der Innenseite und auf der Außenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts jeweils eine Elektrodenschicht aufgebracht sein. Beispielsweise können die Sauerstoffelektrodenschicht und die Brenngaselektrodenschicht dabei auf einander gegenüberliegenden Seiten des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts angeordnet sein. Beispielsweise kann die Brenngaselektrodenschicht auf der Innenseite und die Sauerstoffelektrodenschicht auf der Außenseite, oder umgekehrt, die Sauerstoffelektrodenschicht auf der Innenseite und die Brenngaselektrodenschicht auf der Außenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts angeordnet sein.
  • Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes können durch den tubularen Trägerkörper zwei Gasräume, insbesondere ein Luftraum und ein Brenngasraum (Elektrolysegasraum), gasdicht voneinander getrennt werden. Neben dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt sind dabei vorzugsweise auch die Endabschnitte gasdicht ausgestaltet.
  • Im Rahmen einer anderen Ausführungsform (inertgeträgertes Konzept) ist der hohlzylindrische Zwischenabschnitt des tubularen Trägerkörpers aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven beziehungsweise nicht-sauerstoffionenleitfähigen, keramischen Material ausgebildet. Unter einem inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven Material kann dabei insbesondere ein Material verstanden werden, welches nicht als Elektrode oder Elektrolyt dient, und insbesondere nicht an der elektrochemischen Reaktion der Zelle teilnimmt. Das Material des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts des tubularen Trägerkörpers kann zudem insbesondere elektrisch schwach leitend beziehungsweise elektrisch isolierend sein. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch die elektrische Isolierung beziehungsweise Verschaltung der Zelle vereinfacht werden kann.
  • Dabei ist das Funktionsschichtsystem, insbesondere in Form eines Funktionsschichtsystempaketes, auf dessen Außenseite oder auf dessen Innenseite aufgebracht. Durch die gasdurchlässigen Poren des tubularen Trägerkörpers kann dabei Gas zu einer Seite beziehungsweise einer der Elektrodenschichten des Funktionsschichtsystems gelangen. Die Elektrolytschicht des Funktionsschichtsystems ist dabei aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen, insbesondere keramischen, Material ausgebildet. Eine derartige Zelle kann insbesondere als inertgeträgert bezeichnet werden.
  • Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes kann das Funktionsschichtsystem, und damit sowohl die Sauerstoffelektrodenschicht als auch die Brenngaselektrodenschicht sowie die dazwischen ausgebildete Elektrolytschicht, auf einer Seite des aus dem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven beziehungsweise nicht-sauerstoffionenleitfähigen, keramischen Material ausgebildeten hohlzylindrischen Zwischenabschnitts des tubularen Trägerkörpers angeordnet sein. Dabei kann das Funktionsschichtsystem sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des aus dem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven beziehungsweise nicht-sauerstoffionenleitfähigen, keramischen Material ausgebildeten hohlzylindrischen Zwischenabschnitts des tubularen Trägerkörpers angeordnet sein. Dabei kann das Funktionsschichtsystem sowohl mit der Sauerstoffelektrodenschicht als auch mit der Brenngaselektrodenschicht an dem aus dem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven beziehungsweise nicht-sauerstoffionenleitfähigen, keramischen Material ausgebildeten hohlzylindrischen Zwischenabschnitt des tubularen Trägerkörpers anliegen.
  • Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes können die zwei Gasräume, insbesondere der Sauerstoff- beziehungsweise Luftraum und der Brenngasraum (Elektrolysegasraum), durch den tubularen Trägerkörper in Kombination mit dem Funktionsschichtsystem gasdicht voneinander getrennt werden. Das Funktionsschichtsystem kann dabei den gasdurchlässig porösen Zwischenabschnitt des tubularen Trägerkörpers gasdicht abdichten. Auch dabei sind die Endabschnitte vorzugsweise gasdicht ausgestaltet.
  • Das elektrolytgeträgerten Konzept (ESC, Englisch: Electrolyte Supported Cell) und das inertgeträgerte Konzept, bei dem ein inertes, keramisches Material die tragende Funktion übernimmt, weisen unter Anderem aus thermomechanischer Sicht eine höhere Robustheit, insbesondere Bruchfestigkeit, auf als das elektrodengeträgerte Konzept. Das elektrolytgeträgerte Konzept und das inertgeträgerte Konzept bieten dabei zudem den Vorteil einer vergleichsweise hohen Redoxstabilität des Trägermaterials. Weiterhin bieten das elektrolytgeträgerte Konzept und das inertgeträgerte Konzept Vorteile im Bezug auf die elektrische Isolation und Verschaltung. Mittels des inertgeträgerten Konzeptes können weiterhin vorteilhafterweise besonders hohe Leistungsdichten im Elektrolysebetrieb und im Brennstoffzellenbetrieb erzielt werden. Zudem ermöglicht es das inertgeträgerte Konzept, die Schichtdicke der Sauerstoffelektrodenschicht und der Brenngaselektrodenschicht und der Elektrolytschicht voneinander unabhängig und auf den gewünschten Einsatz abgestimmt einzustellen. Dabei können mit dem inertgeträgerten Konzept dünne Elektrolytschichten einfacher realisiert werden als mit dem elektrolytgeträgerten Konzept.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist mindestens einer der Endabschnitte des tubularen Trägerkörpers zur Montage der Zelle, insbesondere an einer Gasleitung beziehungsweise einem Gasleitungssystem, ausgelegt. Beispielsweise kann der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt zur Montage der Zelle an einem Trägerelement, zum Beispiel einer Trägerplatte, insbesondere mit einer durchgängigen Öffnung, eines Gasleitungssystems ausgelegt sein. Insbesondere kann der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt zur gasleitenden Montage/Anbindung der Zelle ausgelegt und/oder offen ausgeführt sein. Beispielsweise kann der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt als Gasanschlussflansch ausgestaltet sein. Dabei kann der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt insbesondere direkt mit der Gasleitung beziehungsweise dem Gasleitungssystem, beispielsweise dem Trägerelement des Gasleitungssystems, verbunden werden. Die mechanische Verbindung kann dabei zum Beispiel durch einen Spannring oder durch Durchsteckschrauben realisiert werden. Insbesondere kann bei der Anbindung die Stirnseite des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts an einem, eine durchgängige Öffnung umgebenden Abschnitt der Gasleitung beziehungsweise des Gasleitungssystems angelegt werden.
  • Grundsätzlich ist es möglich, beide Endabschnitte als offene zur Montage ausgelegte Endabschnitte, beispielsweise als Gasanschlussflansche, auszugestalten. Der tubulare Trägerkörper kann dabei insbesondere als beidseitig offener Tubus ausgestaltet sein. Eine derartige Zelle kann insbesondere als beidseitig offene tubulare Zelle bezeichnet werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung verschließt jedoch der andere Endabschnitt den tubularen Trägerkörper und kann beispielsweise als Kappen, Kuppel, Tubusdom bezeichnet werden. Insbesondere ist dabei der andere Endabschnitt des tubularen Trägerkörpers als geschlossene Kappe beziehungsweise Kuppel ausgestaltet. Der tubulare Trägerkörper ist dabei folglich als einseitig geschlossener Tubus ausgestaltet. Eine derartige Zelle mit einem zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt und einem kappenförmigen Endabschnitt beziehungsweise mit einem einseitig geschlossenen Tubus kann insbesondere als einseitig geschlossene, tubulare Zelle bezeichnet werden. Einseitig geschlossene, tubulare Zellen ermöglichen vorteilhafterweise eine einfache Gasrückführung im System, wodurch vorteilhafterweise ein hoher Wirkungsgrad bei einer elektrochemischen Stromspeicherung, insbesondere mittels Elektrolyse mit bedarfsgerechter Rückverstromung der Elektrolysegase erzielt werden kann.
  • Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes kann einer der beiden Endabschnitte, insbesondere der kappenförmige Endabschnitt, beziehungsweise können beiden Endabschnitte aus dem gleichen Material wie der hohlzylindrische Zwischenabschnitt, also auch aus dem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen, insbesondere keramischen, Material, ausgebildet sein. Wie nachfolgend näher erläutert kann im elektrolytgeträgerten Konzept jedoch auch einer oder beide Endabschnitte aus einem anderen, insbesondere keramischen, Material wie der hohlzylindrische Zwischenabschnitt ausgebildet sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform (des elektrolytgeträgerten Konzepts sowie des inertgeträgerten Konzepts) ist der mindestens eine zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt und/oder der kappenförmige Endabschnitt aus einem anderen, insbesondere gasdichten und keramischen, Material als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt ausgebildet. Dabei können sich die Materialien insbesondere in ihrer Zusammensetzung und/oder Porosität beziehungsweise Dichtigkeit unterscheiden.
  • Zum Beispiel kann im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes das Material des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, beziehungsweise des kappenförmigen Endabschnitts die gleiche Zusammensetzung aufweisen, wie das Material des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts, sich jedoch von dem Material des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts dadurch unterscheiden, dass das Material gasdicht und nicht gasdurchlässig porös ist. Beispielsweise kann dabei der mindestens eine zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt und/oder der kappenförmige Endabschnitt aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen beziehungsweise inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein.
  • Dadurch, dass der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt und/oder der kappenförmige Endabschnitt nicht aus dem gleichen Material wie der hohlzylindrische Zwischenabschnitt ausgebildet ist und insbesondere inert beziehungsweise elektrochemisch inaktiv sein kann und nicht sauerstoffionenleitfähig (elektrolytgeträgertes Konzept) beziehungsweise poröse (inertgeträgertes Konzept) sein muss, kann das Material vorteilhafterweise aus einer breiteren Materialpalette ausgewählt werden. Dies ermöglicht es unter Anderem ein kostengünstigeres Material und/oder ein elektrisch schwach leitendes oder elektrisch isolierendes Material hierfür einzusetzen.
  • Dadurch, dass für den zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt ein elektrisch schwach leitendes, insbesondere elektrisch isolierendes Material verwendet wird, kann vorteilhafterweise durch den zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt auch eine elektrische Isolierung zwischen den elektrochemisch aktiven Komponenten der Zelle und der Gasleitung beziehungsweise der Trägerplatte des Gasleitungssystems, welche als solch metallisch und damit elektrisch leitenden sein kann, gewährleistet werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher der mindestens eine zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen beziehungsweise inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven, und elektrisch schwach leitenden beziehungsweise elektrisch isolierenden, insbesondere keramischen, Material ausgebildet. Entsprechend kann auch der kappenförmige Endabschnitt aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen beziehungsweise inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven, und elektrisch schwach leitenden beziehungsweise elektrisch isolierenden, insbesondere keramischen, Material ausgebildet sein.
  • Insbesondere kann der kappenförmige Endabschnitt aus dem gleichen Material wie der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt ausgebildet sein.
  • Insbesondere kann der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt und/oder der kappenförmige Endabschnitt, insbesondere in dem an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt angrenzenden Unterabschnitt, eine größere Wandstärke (d112', d113'), beispielsweise um mindestens den Faktor 1,1 oder 1,2 oder 1,5 oder 2, zum Beispiel um mindestens den Faktor 3 oder 4 oder 10, größere Wandstärke (d112', d113'), als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (d) aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine hohe mechanische Stabilität der Zelle als solches sowie im Fall des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts eine hohe mechanische Stabilität der Anbindung der Zelle an der Gasleitung beziehungsweise der Trägerplatte des Gasleitungssystems erzielt werden. Da die Wandstärke des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts beziehungsweise des kappenförmigen Endabschnitts die elektrochemische Reaktion nicht beeinflusst, können zur Ausbildung des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts und/oder des kappenförmigen Endabschnitts vorteilhafterweise auch Materialien eingesetzt werden, welche als solches zwar eine geringere mechanische Stabilität als das Material des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts aufweisen, bei denen die geringe mechanische Stabilität des Materials, jedoch durch die vergrößerte Wandstärke des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, beziehungsweise kappenförmigen Endabschnitts kompensiert oder sogar überkompensiert wird, so dass der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, beziehungsweise kappenförmige Endabschnitt selbst bei der Verwendung eines mechanisch instabileren Materials insgesamt sogar eine höhere mechanische Stabilität als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt aufweisen kann. Der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt kann neben dem an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt angrenzenden Unterabschnitt, mindestens einen weiteren Unterabschnitt, zum Beispiel in Form eines Vorsprungs, aufweisen, welcher beispielsweise zur mechanischen Anbindung der Zelle dient und welcher insbesondere eine noch größere Wandstärke (d112'') als der an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt angrenzende Unterabschnitt (d112', d113') aufweisen kann.
  • Es hat sich herausgestellt, dass eine tubulare elektrochemische Zelle zum effizienten Elektrolyseeinsatz, insbesondere zur Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, deutlich höhere Ansprüche hinsichtlich der Ionendiffusion des Elektrolyten erfüllen muss, als eine Brennstoffzelle. Dies liegt darin begründet, dass bei einer Elektrolysezelle der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks (pO2) über den Elektrolyten deutlich stärker als bei einer Brennstoffzelle ist, was zu stärkeren Degradationsphänomenen über die Lebensdauer der Zelle führen kann. Es hat sich zudem herausgestellt, dass derartigen Degradationsphänomenen vorteilhafterweise dadurch entgegen getreten werden, dass die Elektrolytschicht mit einer größeren Schichtdicke, insbesondere als eine Brennstoffzelle, ausgelegt wird.
  • Um Degradationsphänomenen entgegen zu wirken und eine Elektrolysezelle mit einer ausreichend langen Lebensdauer zur Verfügung zu stellen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Schichtdicke der Elektrolytschicht nicht so dünn wie möglich, sondern zumindest auf ≥ 15 μm oder ≥ 20 μm oder ≥ 50 μm, beispielsweise ≥ 100 μm, auszulegen.
  • Im Hinblick auf eine ausreichend hohe realisierbare Stromdichte, hat es sich hingegen als vorteilhaft erwiesen, die Schichtdicke der Elektrolytschicht bei einer Elektrolysezelle ≤ 300 μm zu wählen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist daher die Elektrolytschicht eine Schichtdicke beziehungsweise im elektrolytgeträgerten Konzept der hohlzylindrische Zwischenabschnitt eine Wandstärke von ≥ 15 μm oder ≥ 20 μm oder ≥ 50 μm bis ≤ 300 μm auf. Insbesondere kann die Elektrolytschicht eine Schichtdicke beziehungsweise im elektrolytgeträgerten Konzept der hohlzylindrische Zwischenabschnitt eine Wandstärke in einem Bereich von ≥ 15 μm oder ≥ 20 μm oder ≥ 50 μm, beispielsweise ≥ 100 μm oder ≥ 120 μm, bis ≤ 300 μm, beispielsweise ≤ 250 μm oder ≤ 200 μm oder ≤ 180 μm, zum Beispiel von etwa 150 μm, aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine besonders effiziente Elektrolysezelle bereitgestellt werden. Da die Zelle dabei auch die für den Brennstoffzellen-Betrieb geringen Anforderungen erfüllt, kann eine derartige Elektrolysezelle auch als Brennstoffzelle und insbesondere als kombinierte Elektrolyse-Brennstoff-Zelle eingesetzt werden.
  • Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes lassen sich derartige Wandstärken des als Elektrolytschicht dienenden hohlzylindrischen Zwischenabschnitts – gegebenenfalls direkt – durch (Keramik-)Spritzguss mit einer geringen Wandstärke herstellen. Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes kann gegebenenfalls die Wandstärke eines durch (Keramik-)Spritzguss hergestellten Körpers zusätzlich durch abtragendes Behandeln, zum Beispiel Abschleifen, des (Keramik-)Spritzgusskörpers eingestellt werden.
  • Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes kann eine Elektrolytschicht mit einer derartigen Schichtdicke beispielsweise durch eine Drucktechnik hergestellt werden. Die Elektrodenschichten des Funktionsschichtsystems können dabei ebenfalls durch eine Drucktechnik hergestellt werden. Der tubulare Trägerkörper kann dabei – analog zum elektrolytgeträgerten Konzept – mittels (Keramik-)Spritzguss hergestellt werden, wobei der tubulare Trägerkörper während der Herstellung mittels Folienhinterspritzung (IML, englisch: Inmould Labeling) gleichermaßen mit dem Funktionsschichtsystem versehen werden kann. Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt beispielsweise eine Wandstärke in einem Bereich von ≥ 250 μm bis ≤ 2000 μm oder ≤ 1500 μm oder ≤ 1000 μm, zum Beispiel von etwa 500 μm, aufweisen. Vorzugsweise weist das gasdurchlässig poröse Material dabei eine Porosität von ≥ 40% auf.
  • Insbesondere kann daher der tubulare Trägerkörper ein (Keramik-)Spritzgusskörper sein. (Keramik-)Spritzguss bietet – im Gegensatz zur Extrusion – vorteilhafterweise die verfahrensbedingte Möglichkeit, beispielsweise mittels eines speziell entwickelten Spritzgusswerkzeugs, tubusförmige Hohlkörper mit komplexen Geometrien herzustellen und beispielsweise die Endabschnitt des tubularen Trägerkörpers direkt montageflanschförmig/gasanschlussflanschförmig beziehungsweise kappenförmig auszubilden und insbesondere auch direkt aus einem anderen Material an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt anzuspritzen. So kann wiederum vorteilhafterweise eine gute Funktionsintegration erzielt werden. Ein (Keramik-)Spritzgusskörper kann insbesondere eine für Spritzguss charakteristische Mikrostruktur, beispielsweise Textur und/oder Fließlinien, aufweisen.
  • Gegebenenfalls kann, insbesondere im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes, zumindest der hohlzylindrische Zwischenabschnitt eine (ab-)geschliffene Außenseite aufweisen. Insbesondere kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt dabei außen rund geschliffen sein. Das Schleifen beziehungsweise Außenrundschleifen kann insbesondere mit charakteristischen Bearbeitungsspuren im Querschliff oder Längsschliff einhergehen.
  • Bei Betriebstemperaturen von 650°C bis 950°C kann die Anbindung mittels eines, insbesondere elektrisch isolierenden, Glaslots abgedichtet werden. Da Glaslote nicht uneingeschränkt temperaturbeständig sind, hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Stirnseite des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts und gegebenenfalls auch des den Anbindungsabschnitt des Gasleitung beziehungsweise die Trägerplatte des Gasleitungssystems mit einem Planschliff zu versehen. So kann vorteilhafterweise auch eine glaslotfreie Abdichtung realisiert werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt eine Verzahnung ausgebildet ist. Insbesondere kann die Verzahnung dabei Nut-Feder-artig beziehungsweise wellenförmig sein und beispielsweise eine zumindest teilweise umfängliche Erstreckung aufweisen. Im Bereich der Verzahnung zwischen dem zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt insbesondere im Wesentlichen konvex und der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt insbesondere im Wesentlichen konkav geformt sein. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise erzielt werden, dass die elektrochemisch aktive Fläche durch die Verzahnung nicht oder nur kaum beeinträchtigt wird.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem kappenförmigen Endabschnitt und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung, insbesondere mit einer zumindest teilweise umfänglichen Erstreckung, ausgebildet. Insbesondere kann auch hierbei die Verzahnung Nut-Feder-artig beziehungsweise wellenförmig sein und beispielsweise eine zumindest teilweise umfängliche Erstreckung aufweisen. Im Bereich der Verzahnung zwischen dem kappenförmigen Endabschnitt und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt insbesondere im Wesentlichen konvex und der kappenförmige Endabschnitt insbesondere im Wesentlichen konkav geformt sein. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise erzielt werden, dass die elektrochemisch aktive Fläche durch die Verzahnung nicht oder nur kaum beeinträchtigt wird.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der kappenförmige Endabschnitt mindestens drei, insbesondere umfänglich verteilt ausgebildete, Einzüge und/oder (Innen-)Streben auf. Die Einzüge und/oder Streben können insbesondere zueinander rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei die Rotationssymmetrieachse der Längsachse des tubularen Trägerkörpers entsprechen. Die Einzüge und/oder Streben können insbesondere einen sich dazwischen erstreckenden Freiraums begrenzen, dessen Durchmesser sich entlang der Symmetrie-/Längsachse des tubularen Trägerkörpers vom hohlzylindrischen Zwischenabschnitt in Richtung auf das Zentrum des kappenförmigen Endabschnitts verringert. Diese Einzüge und/oder Streben können insbesondere in den kappenförmigen Endabschnitt eingespritzt sein beziehungsweise im Rahmen des (Keramik-)Spritzgießens des tubularen Trägerkörpers erzeugt sein. Derartig ausgebildete Streben beziehungsweise Einzüge können, insbesondere als Zentrierungs- und/oder Stabilisierungselemente, zur Zentrierung und/oder Stabilisierung einer in den Innenraum der tubularen Zelle einführbaren Gaslanze, beispielsweise Wasserzufuhrlanze und/oder Wasserstoffzufuhrlanze, dienen. So kann vorteilhafterweise mittels einer weiteren Funktionsintegration eine exakte, sowohl radiale als auch axiale Positionierung und Fixierung der Gaslanze erzielt und eine über die Lebensdauer präzise und reproduzierbare Gasführung gewährleistet werden. Insbesondere kann der kappenförmige Endabschnitt drei derartige Einzüge und/oder Streben aufweisen. Dies hat sich zur Zentrierung und Fixierung als vorteilhaft heraus gestellt.
  • Die Sauerstoffelektrodenschicht und die Brenngaselektrodenschicht können im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes die gesamte Außenseite beziehungsweise die gesamte Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts bedecken. Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes kann das Funktionsschichtsystem die gesamte Außenseite oder die gesamte Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts bedecken. Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes sind vorzugsweise diejenigen Abschnitte des Trägerkörpers, welche nicht mit dem Funktionsschichtsystem versehen sind, aus einem gasdichten, insbesondere nicht-sauerstoffionenleitfähigen beziehungsweise inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven, keramischen Material ausgebildet. Geeignete nicht-sauerstoffionenleitfähige beziehungsweise inerte beziehungsweise elektrochemisch inaktive, insbesondere keramische, Materialien, welche sowohl gasdurchlässig porös als auch gasdicht ausgeführt werden können, werden später näher erläutert.
  • Die Endabschnitte, insbesondere der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endanschnitt beziehungsweise der kappen-/kuppelförmige Endabschnitt, können insbesondere nicht mit den Elektrodenschichten (elektrolytgeträgertes Konzept) beziehungsweise dem Funktionsschichtsystem (inertgeträgertes Konzept) beschichtet sein.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht (jeweils) mindesten einen Interkonnektor aus einem elektrisch leitenden Material auf, insbesondere welcher mindestens einen, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitte der (jeweiligen) Elektrodenschicht elektrisch kontaktiert. Gegebenenfalls kann ein Interkonnektor dabei mindestens zwei, insbesondere elektrochemisch aktive, Elektrodenschichtabschnitte der (jeweiligen) Elektrodenschicht elektrisch leitend miteinander verbinden.
  • Dabei können die Interkonnektoren der Sauerstoffelektrodenschicht und der Brenngaselektrodenschicht sowohl aus dem gleichen Material als auch aus voneinander unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Grundsätzlich können die können die Interkonnektoren der Sauerstoffelektrodenschicht und der Brenngaselektrodenschicht sowohl aus einem porösen beziehungsweise gasdurchlässigen als auch aus einem dichten beziehungsweise gasdichten Material ausgebildet sein.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung weist die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht (jeweils) mindestens einen flächigen, insbesondere vollflächigen, Interkonnektor auf. Zum Beispiel können die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht einen flächigen, insbesondere vollflächigen Interkonnektor, zum Beispiel aus einem gasdurchlässigen Material, aufweisen, welcher auf den, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitten der (jeweiligen) Elektrodenschicht aufgebracht ist.
  • Im Rahmen einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung weist die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht (jeweils) mindestens einen beziehungsweise mehrere stegförmige/n Interkonnektor/en auf welche/r zwischen mindestens zwei Elektrodenschichtabschnitten der (jeweiligen) Elektrodenschicht angeordnet ist. Der beziehungsweise die stegförmige/n Interkonnektor/en können sowohl aus einem gasdurchlässigen als auch aus einem gasdichten Material ausgebildet sein.
  • Die Sauerstoffelektrodenschicht und/oder die Brenngaselektrodenschicht, können (jeweils) ein sauerstoffionenleitfähiges und/oder mischleitendes (Sauerstoffionen und Elektronen leitfähiges), insbesondere keramisches, Material, als elektrochemisch aktives Material beziehungsweise mindestens einen daraus ausgebildeten, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitt, beispielsweise eine Vielzahl von, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitten, umfassen. Dabei können die, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitte der beiden Elektrodenschichten, insbesondere der Sauerstoffelektrodenschicht und der Brenngaselektrodenschicht, sowohl aus dem gleichen Material als auch aus voneinander unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Insbesondere können die elektrochemisch aktiven Elektrodenschichtabschnitte der Elektrodenschichten aus voneinander unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein.
  • Die, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitte der Sauerstoffelektrodenschicht können beispielsweise Lanthanstrontiummanganoxid (LSM), Lanthanstrontiumcobaltferrit (LSCF), Lanthanstrontiumferrit (LSF), Lanthanstrontiumcobaltoxid (LSC), Lanthannickelferrit (LNF) umfassen sein. Gegebenenfalls können diese Materialien als Mischung mit einem sauerstoffionenleitfähigen Material, beispielsweise Elektrolytmaterial, eingesetzt werden.
  • Die, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitte der Brenngaselektrodenschicht können beispielsweise eine Mischung aus einem sauerstoffionenleitfähigen Material, beispielsweise Elektrolytmaterial, und einem metallischen Material, zum Beispiel Nickel, umfassen.
  • Die Elektrodenschichtabschnitte der Sauerstoffelektrodenschicht und/oder der Brenngaselektrodenschicht können insbesondere eine Schichtdicke von kleiner oder gleich 200 μm, insbesondere von kleiner oder gleich 100 μm, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 10 μm bis ≤ 100 μm, zum Beispiel von ≥ 10 μm oder ≥ 15 μm oder ≥ 20 μm oder ≥ 25 μm bis ≤ 200 μm oder ≤ 100 μm, zum Beispiel von etwa 50 μm, aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine hohe Gasdiffusion erzielt werden.
  • Die Interkonnektoren der Sauerstoffelektrodenschicht und/oder der Brenngaselektrodenschicht können aus einem, insbesondere redoxstabilen, keramischen oder metallischen Material ausgebildet sein.
  • Unter einem redoxstabilen Material kann insbesondere ein Material verstanden werden, welches unter den Bedingungen, denen es beim Betrieb der Zelle ausgesetzt ist, elektrochemisch und/oder chemisch stabil ist, insbesondere keine Reduktionsreaktionen und Oxidationsreaktionen, so genannte Redoxreaktionen, durchläuft. Die Beurteilung der Redoxstabilität kann dabei insbesondere im Hinblick auf die Bedingungen, denen das Material beim Betrieb der tubularen Zelle ausgesetzt ist, erfolgen.
  • Beispielsweise kann das Interkonnektormaterial mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lanthanchromaten (LaCrO3), Lanthanstrontiummanganoxiden (LSM), insbesondere scandiumdotiertes Lanthanstrontiummanganoxid (LSSM), Lanthannickeleisenverbindungen (LNF), Metallen, insbesondere Edelmetallen und/oder anderen, insbesondere hochtemperaturstabilen, Metallen, wie Nickel, und Mischungen davon. Dabei können unter hochtemperaturstabilen Metallen, Metalle verstanden werden, die einen Schmelzpunkt von mindestens 1000°C aufweisen und insbesondere unter reduzierender und/oder oxidierender Atmosphäre, insbesondere unter der Atmosphäre unter der sie betrieben werden, chemisch stabil sind.
  • Um sowohl eine gute Korrosionsbeständigkeit als auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu realisieren, können beispielsweise chromhaltige, insbesondere hoch-chromhaltige, Werkstoffe, wie Lanthanchromoxid (LaCrO3), hierfür eingesetzt werden. Zur Ausbildung von Interkonnektoren, welche einer nichtoxidierenden beziehungsweise reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt sind, beispielsweise für Interkonnektoren auf der Brenngasseite (Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO)), hat sich Nickel als vorteilhaft herausgestellt, da dieses eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist und unter einer derartigen Atmosphäre chemisch stabil ist.
  • Die Interkonnektoren können eine Schichtdicke von kleiner oder gleich 200 μm, insbesondere kleiner oder gleich 100 μm, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 10 μm bis ≤ 100 μm, zum Beispiel von ≥ 10 μm oder ≥ 15 μm oder ≥ 20 μm oder ≥ 25 μm bis ≤ 200 μm oder ≤ 100 μm, zum Beispiel von etwa 50 μm, aufweisen. Insbesondere können die Interkonnektoren einer Elektrodenschicht die gleiche Schichtdicke wie die, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitte der (jeweiligen) Elektrodenschicht aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Sauerstoffelektrodenschicht die äußere Elektrodenschicht des Funktionsschichtsystems und die Brenngaselektrodenschicht die innere Elektrodenschicht des Funktionsschichtsystems.
  • Das Funktionsschichtsystem kann insbesondere eine Gesamtschichtsystemdicke von kleiner oder gleich 500 μm, beispielsweise von kleiner oder gleich 400 μm, zum Beispiel in einem Bereich von ≥ 150 μm oder ≥ 200 μm bis ≤ 500 μm oder ≤ 400 μm aufweisen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das gasdichte, sauerstoffionenleitfähige, insbesondere keramische, Material der Elektrolytschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus (hoch-)dotierten Zirkoniumoxiden (ZrO2), beispielsweise mit 6,5 Gew.-% oder mehr dotierten Zirkoniumdioxide, insbesondere seltenerddotierten, beispielsweise mit Scandium (Sc), Yttrium (Y), Cer (Ce) Terbium (Tb), Praseodym (Pr), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd) und/oder Dysprosium (Dy) dotierten, Zirkoniumdioxiden, zum Beispiel scandium-, yttrium-, und/oder cerdotierten Zirkoniumdioxiden,. Lanthanstrontiumgallaten- und/oder -manganaten (LSGM), undotierten oder beispielsweise mit Samarium (Sm), Gadolinium (Gd) und/oder Terbium (Tb), dotierten Ceroxiden und Mischungen davon.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das gasdurchlässig poröse oder gasdichte, nicht-sauerstoffionenleitfähige beziehungsweise inerte beziehungsweise elektrochemisch inaktive, insbesondere elektrisch schwach leitende oder elektrisch isolierende, Material, beispielsweise das Material des zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitts und/oder das Material des kappenförmigen Endabschnitts und/oder das Material des gasdurchlässig porösen hohlzylindrischen Zwischenabschnitts, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus niedrig dotierten Zirkoniumdioxiden, das heißt mit weniger als 3 Gew.-% dotierten Zirkoniumdioxiden, undotiertem Zirkoniumdioxid, Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit (Mg2SiO4), Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, beispielsweise Magnesiumaluminat (MgAl2O4), Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon.
  • Insbesondere kann als gasdurchlässig poröses oder gasdichtes, nicht-sauerstoffionenleitfähiges beziehungsweise inertes beziehungsweise elektrochemisch inaktives, insbesondere elektrisch isolierendes, Material Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, eingesetzt werden. Forsterit basiert im Wesentlichen auf der allgemeinen Summenformel Mg2SiO4. Forsterit kann vorteilhafterweise elektrisch und ionisch hoch isolierend sein und beispielsweise bei 20°C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1011 Ωm und bei 600°C einen spezifischen elektrischen Widerstand von 105 Ωm aufweisen. 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 thermischer Ausdehnungskoeffizient. So kann Forsterit vorteilhafte Schwindungseigenschaften und eine vorteilhafte Schwindungskinetik aufweisen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Forsterit kann dabei zudem im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien des Funktionsschichtsystems entsprechen und kann etwa 10 bis 11·10–6 K–1 betragen, was sich vorteilhaft auf eine gleichzeitige Sinterung (Cosinterung) des tubularen Trägerkörpers und des Funktionsschichtsystems auswirkt. Zudem kann Forsterit über eine Reaktionssinterung aus kostengünstigen Rohstoffen, wie Talk und Magnesiumoxid gewonnen werden, was zur Kosteneinsparung bei der Herstellung weiter beiträgt.
  • Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise eine Elektrolysezelle und/oder eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Elektrolysezelle oder eine kombinierte Elektrolyse-Brennstoff-Zelle, sein. Dabei kann die Zelle zum Beispiel eine Hochtemperatur-Elektrolysezelle und/oder eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere eine Hochtemperatur-Elektrolysezelle oder eine kombinierte Hochtemperatur-Elektrolyse-Brennstoff-Zelle, sein. Die elektrochemische Zelle kann beispielsweise durch das im Folgenden erläuterte erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen elektrochemischen Zelle, insbesondere Elektrolysezelle, beispielsweise einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
  • Das Verfahren kann insbesondere einen (Keramik-)Spritzguss-Prozess, insbesondere einen Mehr-Komponenten-(Keramik)-Spritzguss-Prozess, beispielsweise einen Zwei-Komponenten-(Keramik)-Spritzguss-Prozess umfassen. Insbesondere kann dabei der Spritzguss-Prozess Teil eines so genannten Inmould-Labeling-Prozesses (IML) beziehungsweise einer Folien(hinter)spritzung sein.
  • Eine Herstellung mittels (Keramik-)Spritzguss hat den Vorteil, dass dadurch bindenahtfreie, geschlossene tubulare Körper hergestellt werden können, was durch herkömmliche Verfahren, die auf einem nachträglichen Zudrücken von extrudierten Röhren beruhen nicht erzielt werden kann. So können vorteilhafterweise Schwachstellen, welche während unter thermomechanischen Spannungen während des Betriebes reißen beziehungsweise brechen können und ansonsten die Lebensdauer der Zelle verringern würden, vermieden werden.
  • Das Verfahren kann insbesondere den Verfahrensschritt a): Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs mit einer Kavität und einem in die Kavität einbringbaren Spritzgusswerkzeugkern umfassen, wobei durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns in die Kavität ein tubularer Hohlraum ausbildbar ist. Insbesondere kann der tubulare Hohlraum dabei einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitten aufweisen. Mindestens einer der Endabschnitte des tubularem Hohlraums des Spritzgusswerkzeugs kann dabei zur Ausbildung eines, insbesondere offenen, Montage(end)abschnitts, zum Beispiel eines Gasanschlussflansches, ausgelegt sein. Der andere Endabschnitt kann zur Ausbildung einer geschlossenen Kappe oder gegebenenfalls eines weiteren, insbesondere offenen, Montage(end)abschnitts, zum Beispiel eines Gasanschlussflansches, ausgelegt sein.
  • Im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt des tubularen Hohlraums insbesondere derart ausgestaltet, dass ein hohlzylindrischer Zwischenabschnitt eines darin ausgebildeten Spritzgusskörpers eine Wandstärke von kleiner oder gleich 500 μm, insbesondere von kleiner oder gleich 400 μm, beispielsweise von kleiner oder gleich 360 μm, zum Beispiel von kleiner oder gleich 240 μm, und insbesondere von größer oder gleich 20 μm, zum Beispiel von größer oder gleich 60 μm oder von größer oder gleich 120 μm, aufweist.
  • Im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes kann dabei der hohlzylindrische Zwischenabschnitt des tubularen Hohlraums insbesondere derart ausgestaltet, dass ein hohlzylindrischer Zwischenabschnitt eines darin ausgebildeten Spritzgusskörpers eine Wandstärke von kleiner oder gleich 2400 μm, beispielsweise von kleiner oder gleich 1800 μm oder von kleiner oder gleich 1200 μm, und/oder insbesondere von größer oder gleich 300 μm, zum Beispiel von etwa 600 μm, aufweist.
  • Da im Rahmen des Sinterns eine Schwindung des Spritzgusskörpers von etwa 20% auftreten kann, können durch derartig ausgestaltete Spritzgusswerkzeuge die gewünschten Wandstärken des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts erzielt werden.
  • Um den zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt und/oder den kappenförmigen Endabschnitt des Spritzgusskörpers aus einem anderen Material als dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt auszubilden, kann Verfahrensschritt c) als Mehr-Komponenten-(Keramik)-Spritzguss-Prozess, beispielsweise einen Zwei-Komponenten-(Keramik)-Spritzguss-Prozess, erfolgen. Insbesondere kann ein Spritzgusswerkzeug mit zwei oder mehr Werkzeugeinheiten verwendet werden.
  • Dabei kann in Verfahrensschritt c) in den mindestens einen montage(end)abschnittbildenden, insbesondere gasanschlussflanschbildenden, Endabschnitt und/oder den kappenbildenden Endabschnitt des tubularen Hohlraums des Spritzgusswerkzeugs insbesondere eine andere Spritzgusskomponente eingespritzt werden. Insbesondere kann dabei in Verfahrensschritt c), sowohl im Rahmen der Verfahrensvarianten b1) und b2) als auch der Verfahrensvariante b3), in den mindestens einen montage(end)abschnittbildenden, insbesondere gasanschlussflanschbildenden, Endabschnitt und/oder den kappenbildenden Endabschnitt des tubularen Hohlraums des Spritzgusswerkzeugs eine zur Ausbildung eines gasdichten, nicht-sauerstoffionenleitfähigen beziehungsweise inerten beziehungsweise elektrochemisch inaktiven und/oder elektrische schwach leitenden beziehungsweise elektrisch isolierenden, insbesondere keramischen, Materials eingespritzt werden.
  • Das Spritzgusswerkzeug kann weiterhin dazu ausgelegt sein eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung, von unterschiedlichen Spritzkörperabschnitten zu erzeugen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Spritzgusswerkzeug dazu ausgelegt eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung, beispielsweise mit einer zumindest teilweise umfänglichen Erstreckung, von unterschiedlichen Spritzkörperabschnitten, beispielsweise zwischen einem hohlzylindrische Zwischenabschnitt und einem zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt und/oder einem kappenförmigen Endabschnitt zu erzeugen. Dabei kann das Spritzgusswerkzeug beispielsweise derart ausgelegt sein, dass im Bereich der Verzahnung der hohlzylindrische Zwischenabschnitt insbesondere im Wesentlichen konvex und der zur Montage ausgelegte, insbesondere gasanschlussflanschförmige, Endabschnitt beziehungsweise der kappenförmigen Endabschnitt insbesondere im Wesentlichen konkav ist.
  • Hierfür kann zum Beispiel die erste Werkzeugeinheit eine durch eine Struktur zur Ausbildung eines Teils einer Verzahnung begrenzte Kavität aufweisen, wobei in einem ersten Spritzgussschritt von einer Seite eine erste Spritzgusskomponente gegen diese Struktur gespritzt wird. Für den zweiten Spritzgussschritt kann dann der entstehende Vorspritzling in eine zweite Werkzeugeinheit überführt werden, welche eine durch den Verzahnungsteil des Vorspritzlings begrenzbare beziehungsweise begrenzte Kavität aufweist, wobei in einem zweiten Spritzgussschritt, insbesondere von der gegenüberliegenden Seite, eine zweite Spritzgusskomponente gegen den Verzahnungsteil des Vorspritzlings gespritzt wird.
  • Zum Beispiel kann die erste Werkzeugeinheit einen tubularen Hohlraum mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und einem kappenbildenden beziehungsweise montage(end)abschnittbildenden, insbesondere gasanschlussflanschbildenden, Endabschnitt und einem verzahnungsbildenden Endabschnitt und einen in den kappenbildenden beziehungsweise montage(end)abschnittbildenden mündenden Angusskanal aufweisen, durch welchen im ersten Spritzgussschritt die erste Spritzgusskomponente eingespritzt wird. So kann ein Vorspritzling entstehen, welcher einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt aufweist, der einerseits in einen kappenförmigen beziehungsweise zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt übergeht und andererseits einen Teil einer Verzahnung aufweist. Für den zweiten Spritzgussschritt kann dann der entstehende Vorspritzling in eine zweite Werkzeugeinheit überführt werden, welche eine durch den Verzahnungsteil des Vorspritzlings begrenzbare beziehungsweise begrenzten tubularen Hohlraum zur Ausbildung eines Montage(end)abschnittes, insbesondere Gasanschlussflansches, und einen darin mündenden Angusskanal aufweist, durch welchen im zweiten Spritzgussschritt die zweite Spritzgusskomponente eingespritzt wird. Auf diese Weise kann die zweite Spritzgusskomponente gegen den Verzahnungsteil des Vorspritzlings gespritzt und die Verzahnung fertig gestellt werden. So kann insbesondere ein Spritzgusskörper mit einer Verzahnung, beispielsweise zwischen einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und einem zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt, realisiert werden.
  • Durch eine ähnliche Herangehensweise kann mit einem Spritzgusswerkzeug mit zwei oder mehr Werkzeugeinheiten jedoch auch ein Spritzgusskörper mit zwei oder mehr Verzahnungen, beispielsweise zwischen einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und einem zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt einerseits und einem kappenförmigen oder gegebenenfalls weiteren zur Montage ausgelegten, insbesondere gasanschlussflanschförmigen, Endabschnitt andererseits realisiert werden.
  • Die Elektrodenschichten in Verfahrensschritt b) und/oder Verfahrensschritt e) können insbesondere mindesten einen Interkonnektor aus einem elektrisch leitenden Material umfassen, insbesondere welcher mindestens einen, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitt der (jeweiligen) Elektrodenschicht elektrisch kontaktiert und/oder welcher mindestens zwei, insbesondere elektrochemisch aktive, Elektrodenschichtabschnitte der (jeweiligen) Elektrodenschicht elektrisch leitend miteinander verbindet.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellten Zelle.
  • Insbesondere kann die erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Zelle als Elektrolysezelle und/oder als Brennstoffzelle, insbesondere als Elektrolysezelle und/oder als kombinierte Elektrolyse-Brennstoff-Zelle, verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Zelle als Hochtemperatur-Elektrolysezelle und/oder als Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere als Hochtemperatur-Elektrolysezelle und/oder als kombinierte Hochtemperatur-Elektrolyse-Brennstoff-Zelle, verwendet werden.
  • Dabei kann die erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Zelle beispielsweise zum Speichern eines Stromüberschusses, zum Beispiel einer Photovoltaikanlage und/oder Windenergieanlage und/oder Biogasanlage beziehungsweise zur Herstellung von Energiespeichersystemen, insbesondere für vorgenannte Anlagen, verwendet werden. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Zelle in einer Energiespeicher- und/oder -wandleranlagen, beispielsweise einer so genannten Stromspeicheranlage, zum Beispiel für eine Windkraftanlage und/oder Photovoltaikanlage und/oder Biogasanlage, verwendet werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Energiesystem, zum Beispiel eine Energiespeicher- und/oder -wandleranlage oder eine (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage oder eine kraftwärmegekoppelte Energiespeicher- und/oder -wandleranlage, beispielsweise für eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Biogasanlage, ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk oder ein Fahrzeug, insbesondere für eine Photovoltaikanlage und/oder Windkraftanlage, welche/s mindestens eine erfindungsgemäße beziehungsweise erfindungsgemäß hergestellte Zelle umfasst und/oder erfindungsgemäß verwendet. Unter einer (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann insbesondere eine Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Energieträger verstanden werden.
  • Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiesystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, den erfindungsgemäßen Verwendungen sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
  • Zeichnungen
  • 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 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer elektrolytgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle mit einem tubularen Trägerkörper, dessen hohlzylindrischer Zwischenabschnitt eine Wandstärke von ≤ 300 μm;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer elektrolytgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle mit einem Gasanschlussflanschendabschnitt aus einem gasdichten, elektrochemisch inaktiven Material;
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer elektrolytgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle mit einem Gasanschlussflanschendabschnitt und einem Kappenabschnitt aus einem gasdichten, elektrochemisch inaktiven Material;
  • 4a–c schematische Querschnitte durch spezielle Elektrodenschichtausgestaltungen der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen;
  • 5 einen schematischen Querschnitt durch eine spezielle Ausgestaltung der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen, im Rahmen derer zwischen dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und dem Gasanschlussflanschabschnitt eine Verzahnung ausgebildet ist;
  • 6 einen schematischen Querschnitt durch eine spezielle Ausgestaltung der in 3 gezeigten Ausführungsform, im Rahmen derer zwischen dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und dem Kappenabschnitt eine Verzahnung ausgebildet ist;
  • 7a, 7b schematische Querschnittsausschnitte von speziellen Kappenabschnittsausgestaltungen der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen, in einer bezüglich der in den 1 bis 3 gezeigten um die Zellenlängsachse gedrehten Querschnittsebene;
  • 7c schematische Querschnitte der in den 7a und 7b gezeigten Kappenabschnittsausgestaltungen, in einer zur Zellenlängsachse senkrechten Querschnittsebene; und
  • 8a–f schematische Querschnitte zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens;
  • 9 einen schematischen Querschnittsausschnitt zur Veranschaulichung von auf weiteren Ausführungsformen des Verfahrens beruhenden speziellen Ausgestaltungen der Zelle; und
  • 10–13 schematische Querschnitte durch weitere Ausführungsform von inertgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle, und
  • 14 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer elektrolytgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle.
  • 1 zeigt eine tubulare, elektrochemische Zelle 10, insbesondere eine Elektrolysezelle, beispielsweise eine kombinierte Elektrolyse-Brennstoff-Zelle, welche einen tubularen Trägerkörper 11 aufweist. 1 veranschaulicht, dass der tubulare Trägerkörper 11 einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 und zwei Endabschnitten 112, 113 aufweist, wobei der eine Endabschnitte 112 offen als Gasanschlussflansch 112 und der andere Endabschnitt 113 geschlossen als Kappe ausgestaltet ist. Die in 1 gezeigte Zelle 10 kann daher als einseitig geschlossene Zelle bezeichnet werden. 1 zeigt, dass die Zelle 10 über den gasanschlussflanschförmigen Endabschnitt 112 mit einer Trägerplatte 20 verbunden ist, welche im Bereich des Innenraums der Zelle 10 eine durchgängige Aussparung aufweist, durch welche eine Gaslanze 30 in den Innenraum der Zelle 10 geführt ist. Die Doppelpfeile veranschaulichen, dass durch den die Gaslanze 30 umgebenden Bereich der durchgängigen Aussparung in der Trägerplatte 20 und die Gaslanze 30 ein Gas, beispielsweise bei der Elektrolyse Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid beziehungsweise im Brennstoffzellen betrieb Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, dem Innenraum der Zelle 10 zugeführt und aus dem Innenraum der Zelle 10, beispielsweise bei der Elektrolyse Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid beziehungsweise im Brennstoffzellenbetrieb Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid, wieder abgeführt werden kann. Über den die Außenseite der Zelle 10 umgebenden Raum kann dabei ein anderes Gas, beispielsweise Sauerstoff, beispielsweise bei der Elektrolyse, abgeführt beziehungsweise, beispielsweise im Brennstoffzellenbetrieb, zugeführt werden.
  • 1 zeigt weiterhin, dass auf der Innenseite und auf der Außenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 111 jeweils eine Elektrodenschicht 12, 13 aufgebracht ist. Dabei kann die äußere Elektrodenschicht 12 beispielsweise eine Sauerstoffelektrodenschicht und die innere Elektrodenschicht 13 eine Brenngaselektrodenschicht. Es ist jedoch auch eine umgekehrte Ausbildung der Elektrodenschichten 12, 13 nämlich dahingehend, dass die äußere Elektrodenschicht 12 beispielsweise eine Brenngaselektrodenschicht und die innere Elektrodenschicht 13 eine Sauerstoffelektrodenschicht ist.
  • Der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111 ist aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material, beispielsweise aus dotiertem Zirkoniumdioxid, ausgebildet ist und weist – exklusive der beiden Elektrodenschichten 12, 13 – eine Wandstärke d von ≥ 15 μm bis ≤ 300 μm, auf. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Wandstärke die Lebensdauer der Zelle ausreichend hoch und der elektrische Widerstand ausreichend gering ist, um die Zelle 10 effektiv als Elektrolysezelle einzusetzen. Wie im Rahmen der 8a bis 9 näher erläutert, kann eine tubulare, elektrochemische Zelle 10 mit einer derartig geringen Wandstärke d durch (Keramik-)Spritzguss und gegebenenfalls in Kombination mit einem Schleifprozess erzielt werden. Gegebenenfalls kann daher der hohlzylindrische Zwischenabschnitt eine abgeschliffene Außenseite aufweisen, auf welcher wiederum die äußere Elektrodenschicht 12 aufgebracht ist. 1 zeigt weiterhin, dass der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 und der kappenförmige Endabschnitt 113 in an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 angrenzenden Unterabschnitten 112', 113' eine Wandstärke d112', d113' aufweisen können, welche d112', d113' größer als die Wandstärke d des hohlzylindrische Zwischenabschnitts 111 ist. 1 zeigt weiterhin, dass der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 neben dem an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 angrenzenden Unterabschnitt 112', mindestens einen weiteren Unterabschnitt 112'', zum Beispiel in Form eines Vorsprungs, aufweisen, welcher beispielsweise zur mechanischen Anbindung der Zelle 10 dient und welcher insbesondere eine noch größere Wandstärke d112'' als der an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt angrenzende Unterabschnitt aufweisen kann.
  • Die 4a bis 4c zeigen vergrößerte Ansichten des in 1 mit dem Bezugszeichen A gekennzeichneten Abschnitts und veranschaulichen unterschiedliche Ausgestaltungen von Elektrodenschichten 12, 13. Die Sauerstoffelektrodenschicht 12 und die Brenngaselektrodenschicht 13 können jeweils einen oder mehrere elektrochemisch aktive Elektrodenschichtabschnitte 121, 131 sowie einen oder auch gegebenenfalls Interkonnektoren 122, 123 aufweisen. Der oder die Elektrodenschichtabschnitte 121 der äußeren Elektrodenschicht 12 können insbesondere als Sauerstoffelektroden und die Elektrodenschichtabschnitte 131 der inneren Elektrodenschicht 13 als Brenngaselektroden dienen. Die Interkonnektoren 122, 123 dienen dabei der elektrischen Kontaktierung beziehungsweise Verschaltung der jeweiligen Elektrodenabschnitte 121, 131.
  • In der in 1 gezeigten Ansicht ist keine spezielle Strukturierung des kappenförmigen Endabschnitts 113 erkennbar. Die 7a bis 7c veranschaulichen jedoch, dass der kappenförmige Endabschnitt 113 auch eine spezielle Strukturierung aufweisen kann.
  • Im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform sind der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 und der kappenförmige Endabschnitt 113 aus dem gleichen, gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material wie der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111 ausgebildet. Die Sichtkanten zwischen den Abschnitten 111, 112; 111, 113 dienen daher im Wesentlichen zur Veranschaulichung des hohlzylindrischen 111, gasanschlussflanschförmigen 112 und kappenförmigen 113 Abschnitts.
  • Die im Rahmen von 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 1 gezeigten Ausführungsform, dass der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 aus einem anderen Material ausgebildet ist als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111 und der kappenförmige Endabschnitt 113. Insbesondere ist dabei der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen beziehungsweise elektrochemisch inaktiven Material ausgebildet. Dadurch, dass das Material des gasanschlussflanschförmigen Endabschnitts 112 nicht aus der Gruppe der sauerstoffionenleitfähigen Materialien ausgewählt werden muss, kann das Material vorteilhafterweise aus einer breiteren Palette von Materialien ausgewählt werden. Dies ermöglicht es unter Anderem ein kostengünstigeres Material und/oder ein elektrisch schwach leitendes oder elektrisch isolierendes Material hierfür einzusetzen
  • Der mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnete Abschnitt kann – wie im Rahmen von 5 näher erläutert – im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung eine Verzahnung aufweisen.
  • Die im Rahmen von 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in 2 gezeigten Ausführungsform, dass auch der kappenförmige Endabschnitt 113 aus einem anderen Material ausgebildet sein kann als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111. Insbesondere kann dabei der kappenförmige Endabschnitt 112 ebenso wie der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen beziehungsweise elektrochemisch inaktiven Material, insbesondere mit einer besonders hohen mechanischen Stabilität, ausgebildet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Zelle 10 weiter verbessert werden.
  • Der mit dem Bezugszeichen C gekennzeichnete Abschnitt kann – wie im Rahmen von 6 näher erläutert – im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ebenfalls eine Verzahnung aufweisen.
  • Wie bereits erläutert veranschaulichen die 4a bis 4c unterschiedliche Ausgestaltungen der Elektrodenschichten 12, 13.
  • Im Rahmen der in 4a gezeigten Ausführungsform weist sowohl die Sauerstoffelektrodenschicht 12 als auch die Brenngaselektrodenschicht 13 einen stegförmige Interkonnektoren 122, 132 auf, welcher jeweils zwischen mindestens zwei elektrochemisch aktiven Elektrodenschichtabschnitten 121, 131 der jeweiligen Elektrodenschicht 12, 13 ausgebildet sind. Die stegförmigen Interkonnektoren 122, 132 können insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, welches sowohl gasdurchlässig porös als auch gasdicht ausgestaltet sein kann.
  • Im Rahmen der in 4b gezeigten Ausführungsform weist sowohl die Sauerstoffelektrodenschicht 12 als auch die Brenngaselektrodenschicht 13 einen vollflächigen Interkonnektor 123, 133 auf, welcher jeweils auf den elektrochemisch aktiven Elektrodenschichtabschnitt 121, 131 der jeweiligen Elektrodenschicht 12, 13 aufgebracht ist. Die auf den elektrochemisch aktiven Elektrodenschichtabschnitte 121, 131 aufgebrachten Interkonnektoren 123, 133 können insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sein, welches gasdurchlässig ausgestaltet ist.
  • 4c zeigt eine Kombination der in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsformen.
  • 5 zeigt, dass im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung zwischen dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 und dem gasanschlussflanschförmigen Endabschnitt 112 eine Nut-Feder-artige Verzahnung 15 ausgebildet sein kann.
  • 6 zeigt, dass im Rahmen einer anderen speziellen Ausgestaltung zwischen dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 und dem kappenförmigen Endabschnitt 113 eine Nut-Feder-artige Verzahnung 16 ausgebildet sein kann.
  • Diese Nut-Feder-artigen Verzahnungen 15, 16 können eine zumindest teilweise oder gegebenenfalls vollständige umfängliche Erstreckung aufweisen. Vorzugsweise sind die Verzahnungen 15, 16 dabei derart ausgebildet, dass dadurch die elektrochemisch aktive Fläche der Zelle 10 nicht oder zumindest möglich wenig reduziert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass – wie in 5 und 6 gezeigt – in dem Verzahnungsbereich 15, 16 der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111 im Wesentlichen konvex und der gasanschlussflanschförmige Endabschnitt 112 beziehungsweise der kappenförmige Endabschnitt 113 im Wesentlichen konkav geformt ist. In 5 und 6 ist nur eine einfache Verzahnung 15, 16 gezeigt. Um die mechanische Stabilität des Anbindungsbereichs zwischen dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 und dem gasanschlussflanschförmigen Endabschnitt 112 beziehungsweise dem kappenförmigen Endabschnitt 113 weiter zu erhöhen, kann jedoch eine mehrfache Verzahnung 15, 16, beispielsweise in Form eines doppelten oder dreifachen Nut-Feder-Profils beziehungsweise Wellen-Profils, sinnvoll sein.
  • Die 7a bis 7c zeigen spezielle Ausgestaltungen des kappenförmigen Endabschnitts 113, in welchen der kappenförmige Endabschnitt 113 drei umfänglich verteilt ausgebildete, insbesondere zueinander rotationssymmetrische, Innenstreben 17 (7a) beziehungsweise Einzüge 17 (7b) aufweist. Dabei zeigen die 7a und 7b schematische Querschnittsausschnitte, in einer bezüglich der in den 1 bis 3 gezeigten um die Zellenlängsachse gedrehten Querschnittsebene. 7c zeigt einen schematischen Querschnitte der in den 7a und 7b gezeigten Kappenabschnittsausgestaltungen, in einer zur Zellenlängsachse senkrechten Querschnittsebene. Die 7a bis 7c veranschaulichen, dass die Innenstreben 17 beziehungsweise Einzüge 17 einen sich dazwischen erstreckenden Freiraum derart begrenzen, dass dessen Durchmesser sich entlang der Symmetrieachse des hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 111 in Richtung auf das Zentrum des kappenförmigen Endabschnitts 113 verringert. Durch derartig ausgebildete Innenstreben 17 beziehungsweise Einzüge 17 kann vorteilhafterweise eine Zentrierung und Stabilisierung der Gaslanze 30 erzielt werden.
  • Die 8a bis 8f veranschaulichen eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung von erfindungsgemäßen Zellen 10.
  • 8a zeigt, dass zunächst in einem Verfahrensschritt a) ein Spritzgusswerkzeug 40 bereitgestellt wird, welches eine zylindrische Kavität und einen in der Längsmittelachse der Kavität positionierten Spritzgusswerkzeugkern aufweist, wobei durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns in die Kavität ein tubularer Hohlraum 41 mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 411, einem zur Ausbildung eines Gasanschlussflanschs ausgelegten Endabschnitt 412 und einem zur Ausbildungen einer Kappe ausgelegten Endabschnitt 413 ausbildbar ist.
  • 8b veranschaulicht, dass in einem Verfahrensschritt b), insbesondere gemäß einer Verfahrensvariante b1), eine Elektrodenschicht 13 auf den Werkzeugkern in einer Position aufgebracht wird, in welcher die Elektrodenschicht 13 in dem in die Kavität eingebrachten Zustand des Werkzeugkerns den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 411 des tubularen Hohlraums 41 begrenzt. Die gestrichelten Rechtecke veranschaulichen, dass alternativ dazu im Rahmen einer dazu umgekehrten Variante b1) die Elektrodenschicht (12, 13) auf die gegenüberliegende, den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 411 des tubularen Hohlraums 41 begrenzende Innenwandung der Kavität aufgebracht werden kann. Oder im Rahmen einer Variante b2) kann sowohl auf den Werkzeugkern 13(12) als auch auf die Innenwandung der Kavität (12, 13) jeweils eine Elektrodenschicht aufgebracht werden können. Oder im Rahmen einer Variante b3) kann ein Funktionsschichtsystempaket auf den Werkzeugkern 13(12) oder die Innenwandung der Kavität (12, 13) aufgebracht werden kann.
  • Unabhängig der speziellen Variante, kann die Elektrodenschicht 13 beziehungsweise die Elektrodenschichten 12, 13 beziehungsweise das Funktionsschichtsystempaket 12, 14, 13 dabei insbesondere von einer Kunststofffolie (nicht dargestellt) getragen werden. Der Spritzgusswerkzeugkern ist dabei vorzugsweise so geformt, dass an ihn die Kunststoff-Folie angelegt werden kann (nicht dargestellt). Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Fuß des Werkzeugkerns einen um die Foliendicke größeren Außendurchmesser aufweist, sodass die Folie über die Spitze des Werkzeugkerns auf den Werkzeugkern aufgeschoben und die Seitenfläche der Folie an die Seitenfläche des Werkzeugkernfußes angelegt werden kann (nicht dargestellt).
  • Da der Werkzeugkern im Rahmen der in 8b gezeigten Ausführungsform einen im Wesentlichen, das heißt abgesehen von kleineren nicht dargestellten Variationen zum Anlegen der Kunststofffolie – einheitlichen Außendurchmesser aufweist, überragt die darauf aufgebrachte Elektrodenschicht 13 den Außendurchmesser des Werkzeugkerns.
  • 8c veranschaulicht, dass in einem Verfahrensschritt c) eine Spritzgusskomponente 11 in den tubularen Hohlraum 41 eingespritzt wurde. 8c veranschaulicht, dass dabei die Spritzgusskomponente 11 die Elektrodenschicht 13 überströmt – ohne diese dabei zu verschieben oder aufzuwellen – und sich dabei innig mit dem Material der Elektrodenschicht 13 verbindet.
  • In den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 411 des tubularen Hohlraums 41 wird im Rahmen des elektrolytgeträgerten Konzeptes eine Spritzgusskomponente 111 zur Ausbildung eines gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Materials und im Rahmen des inertgeträgerten Konzeptes eine Spritzgusskomponente zur Ausbildung eines gasdurchlässig porösen keramischen Material eingespritzt. In den gasanschlussflanschbildenden Endabschnitt 412 des tubularen Hohlraums 41 und gegebenenfalls in den kappenbildenden Endabschnitt 412 kann beispielsweise eine anderen Spritzgusskomponente 112, 113, insbesondere zur Ausbildung eines gasdichten, inerten, elektrisch isolierenden Materials, eingespritzt werden.
  • 8c illustriert, dass – da die Elektrodenschicht 13 in dieser Ausgestaltung den Außendurchmesser des Werkzeugkerns überragt – die Spritzgusskomponente nicht nur an deren Außenfläche, sondern auch an deren Seitenflächen angespritzt wird, so dass das in den gasanschlussflanschbildenden 412 und den kappenbildenden 413 Endabschnitt eingespritzt Material seitlich an die Elektrodenschicht 13 angrenzt. Gegebenenfalls kann dabei Verfahrensschritt c) zwei oder mehr Prozessschritte aufweisen. Dabei kann insbesondere auch ein Spritzgusswerkzeug mit zwei oder mehr Werkzeugeinheiten eingesetzt werden. Zum Beispiel kann in einer ersten Werkzeugeinheit aus einer ersten Spritzgusskomponente ein Spritzgusskörper, ein so genannter Vorspritzling, ausgebildet werden, welcher dann in eine zweite Werkzeugeinheit überführt und dort mit einer zweiten Spritzgusskomponente angespritzt wird.
  • 8d veranschaulicht, dass nach der Entnahme aus dem Werkzeug der in Verfahrensschritt c) erzeugte Spritzgusskörper 11, 13 die Form eines einseitig geschlossenen Tubus 111, 113 mit einem Gasanschlussflansch 112 und mit einer auf die Innenseite aufgebrachten Elektrodenschicht 13, welche bis hin zum gasanschlussflanschförmigen Endabschnitt 112 reicht. Gegebenenfalls nach einer thermischen Entbinderung kann der in Verfahrensschritt c) erzeugte Spritzgusskörper 11, 13 in einem Verfahrensschritt d) gesintert werden.
  • 8e zeigt, dass in einem Verfahrensschritt e0) die Außenseite des in dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 411 des Spritzgusswerkzeugs 40 ausgebildeten hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 111 des Spritzgusskörpers 11, 13 abgeschliffen werden kann. Im Rahmen der in 8e gezeigten Ausgestaltung wurde dabei nur die Außenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 111 angeschliffen, wobei die Außenseite des gasanschlussflanschförmigen Endabschnitts 112 und des kappenförmigen Endabschnitts 112 wurden dabei nicht abgeschliffen.
  • 8f zeigt, dass in einem Verfahrensschritt e) auf die abgeschliffene Außenseite (Schlifffläche) des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 111 des Spritzgusskörpers 11, 13 eine weitere Elektrodenschicht 12 aufgebracht wurde. Im Anschluss kann der in Verfahrensschritt e) erzeugte Spritzgusskörper 11, 12, 13 in einem Verfahrensschritt g) noch nachgesintert (Postfiring) werden.
  • 9 veranschaulicht, dass die Form des verfahrensgemäßen Spritzgusskörpers 11, 12, 13 im Rahmen anderer Ausgestaltungen auch leicht variieren kann. 9 zeigt, dass in Verfahrensschritt e0) neben der Außenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 111 auch die des kappenförmigen Endabschnitts 113 und gegebenenfalls die des gasanschlussflanschförmigen Endabschnitts 112 (nicht dargestellt) abgeschliffen werden kann. So kann das die äußere Elektrodenschicht 12 die Oberfläche des kappenförmigen Endabschnitts 113 und gegebenenfalls auch des gasanschlussflanschförmigen Endabschnitts 112 (nicht dargestellt) zumindest abschnittsweise überragen.
  • 9 illustriert weiterhin, dass durch eine andere Ausgestaltung des Werkzeugkerns, zum Beispiel im Rahmen derer der Werkzeugkern im Bereich Elektrodenschicht 13 einen verringerten Außendurchmesser aufweist, die innere Elektrodenschicht 13 seitlich unbegrenzt in den Innenraum der Zelle hineinragen kann.
  • Die 10 bis 13 zeigen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen, inertgeträgerten, tubularen Zellen 10, insbesondere Elektrolysezellen. Im Rahmen der in den 10 bis 13 gezeigten Ausführungsformen ist der hohlzylindrische Zwischenabschnitt 111 des tubularen Trägerkörpers 11, nicht wie im Rahmen der in den 1 bis 3 gezeigten elektrolytgeträgerten Ausführungsformen aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material, sondern aus gasdurchlässig porösen, inerten keramischen Trägermaterial ausgebildet. Im Rahmen der in den 10 bis 13 gezeigten Ausführungsformen dient der rohrförmige Trägerkörper 11 folglich nicht als Elektrolyt, sondern nur als Träger. Daher ist eine zusätzliche Elektrolytschicht 14 vorgesehen, welche zwischen der Sauerstoffelektrodenschicht 12 und der Brenngaselektrodenschicht 13 angeordnet ist. Insgesamt bilden die Sauerstoffelektrodenschicht 12, die Elektrolytschicht 14 und die Brenngaselektrodenschicht 13 ein Funktionsschichtsystempaket 12, 14, 13.
  • Dieses Funktionsschichtsystempaket 12, 14, 13 ist im Rahmen der in den 10 und 12 gezeigten Ausführungsformen auf der Außenseite und im Rahmen der in den 11 und 13 gezeigten Ausführungsformen auf der Innenseite des tubularen Trägerkörpers 11, insbesondere von dessen hohlzylindrischem Zwischenabschnitt 111, angeordnet.
  • Im Rahmen der in 10 und 13 gezeigten Ausführungsformen grenzt die Brenngaselektrodenschicht 13 einerseits (direkt) an den gasdurchlässig porösen Zwischenabschnitt 111 des tubularen Trägerkörpers 11 und andererseits an die Elektrolytschicht 14 des Funktionsschichtsystems 12, 14, 13 an. Die Sauerstoffelektrodenschicht 12 grenzt dabei einerseits an die der Brenngaselektrodenschicht 13 gegenüberliegende Seite der Elektrolytschicht 14 des Funktionsschichtsystems 12, 14, 13 an und liegt andererseits offen.
  • Im Rahmen der in den 11 und 12 gezeigten Ausführungsformen grenzt die Sauerstoffelektrodenschicht 12 einerseits an den gasdurchlässig porösen Zwischenabschnitt 111 des tubularen Trägerkörpers 11 und andererseits an die Elektrolytschicht 14 des Funktionsschichtsystems 12, 14, 13 an. Die Brenngaselektrodenschicht 13 grenzt dabei einerseits an die der Sauerstoffelektrodenschicht 12 gegenüberliegende Seite der Elektrolytschicht 14 des Funktionsschichtsystems 12, 14, 13 an und liegt andererseits offen.
  • 14 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer elektrolytgeträgerten, tubularen, elektrochemischen Zelle 10 und veranschaulicht die Umfangsrichtung U und die Längsachse L des tubularen Trägerkörpers.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0177434 A1 [0004]
    • DE 102010001988 A1 [0004]
    • US 2007/0054170 A1 [0004]

Claims (15)

  1. Tubulare Elektrolysezelle (10), umfassend einen tubularen Trägerkörper (11) mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) und zwei Endabschnitten (112, 113) und ein Funktionsschichtsystem aus einer Sauerstoffelektrodeschicht (12), einer Brenngaselektrodeschicht (13) und einer zwischen der Sauerstoffelektrodenschicht (12) und der Brenngaselektrodenschicht (13) ausgebildeten Elektrolytschicht (111, 14), wobei der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) des tubularen Trägerkörpers (11) aus einem gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Material ausgebildet ist und als Elektrolytschicht (111) des Funktionsschichtsystems (12, 13, 11) dient oder wobei der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) des tubularen Trägerkörpers (11) aus einem gasdurchlässig porösen, keramischen Material ausgebildet ist, auf dessen (111) Außenseite oder Innenseite das Funktionsschichtsystem (12, 13, 14) aufgebracht ist, und wobei mindestens einer der Endabschnitte (112, 113) des tubularen Trägerkörpers (11) zur Montage der Zelle (10) ist, wobei der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) aus einem anderen, insbesondere gasdichten und keramischen, Material als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) ausgebildet ist.
  2. Zelle nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) aus einem gasdichten, nicht-sauerstoff-leitfähigen Material ausgebildet ist.
  3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) aus einem gasdichten, nicht-sauerstoffleitfähigen, elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist.
  4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Elektrolytschicht (111, 14) eine Schichtdicke (d) in einem Bereich von ≥ 15 μm bis ≤ 300 μm aufweist.
  5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der andere Endabschnitt (131) des tubularen Trägerkörpers (11) als geschlossene Kappe ausgestaltet ist, insbesondere wobei der kappenförmige Endabschnitt (113) aus einem anderen gasdichten Material als der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) ausgebildet ist, insbesondere wobei der kappenförmige Endabschnitt (113) aus dem gleichen, gasdichten, nicht-sauerstoffionenleitfähigen, insbesondere elektrisch isolierenden, Material wie der zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) ausgebildet ist.
  6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) und/oder der kappenförmige Endabschnitt (113) in dem an den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt angrenzenden Unterabschnitt (112', 113') eine größere Wandstärke (d112', d113') aufweisen.
  7. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen dem zur Montage ausgelegten Endabschnitt (112) und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung (15), ausgebildet ist, insbesondere wobei im Bereich der Verzahnung (15) zwischen dem zur Montage ausgelegten Endabschnitt (112) und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) im Wesentlichen konvex und der zur Montage ausgelegte Endabschnitt (112) im Wesentlichen konkav geformt ist, und/oder wobei zwischen dem kappenförmige Endabschnitt (113) und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung (16), ausgebildet ist, insbesondere wobei im Bereich der Verzahnung (16) zwischen dem kappenförmigen Endabschnitt (113) und dem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) der hohlzylindrische Zwischenabschnitt (111) im Wesentlichen konvex und der kappenförmige Endabschnitt (113) im Wesentlichen konkav geformt ist.
  8. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der kappenförmigen Endabschnitt (113) mindestens drei, insbesondere umfänglich verteilt ausgebildete, Einzüge und/oder Innenstreben (17) aufweist, wobei die Einzüge und/oder Streben (17) eines sich dazwischen erstreckenden Freiraums begrenzen, dessen Durchmesser sich entlang der Symmetrieachse des hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (111) in Richtung auf das Zentrum des kappenförmigen Endabschnitts (113) verringert.
  9. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sauerstoffelektrodenschicht (12) und/oder die Brenngaselektrodenschicht (13) mindesten einen Interkonnektor (122–123, 132–133) aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, welcher mindestens einen Elektrodenschichtabschnitt (121, 131) der jeweiligen Elektrodenschicht (12, 13) elektrisch kontaktiert, insbesondere wobei die Sauerstoffelektrodenschicht (12) und/oder die Brenngaselektrodenschicht (13) einen flächigen Interkonnektor (122, 132) aus einem gasdurchlässigen, elektrisch leitenden Material umfasst, welcher auf den, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitten (121, 131) der jeweiligen Elektrodenschicht (12, 13) aufgebracht ist und/oder wobei zumindest eine der Elektrodenschichten (12, 13) mindestens einen stegförmigen Interkonnektor (123, 133) aus einem gasdurchlässigen oder gasdichten, elektrisch leitendem Material umfasst, welcher zwischen mindestens zwei, insbesondere elektrochemisch aktiven, Elektrodenschichtabschnitten (121, 131) der jeweiligen Elektrodenschicht (12, 13) angeordnet ist.
  10. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Sauerstoffelektrodenschicht (12) die äußere Elektrodenschicht des Funktionsschichtsystems (12, 11, 13; 12, 14, 13) und die Brenngaselektrodenschicht (13) die innere Elektrodenschicht des Funktionsschichtsystems (12, 11, 13; 12, 14, 13) ist.
  11. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das gasdichte, sauerstoffionenleitfähige Material der Elektrolytschicht (111, 14) ausgewählt ist, aus der Gruppe bestehend aus dotierten Zirkoniumoxiden, insbesondere mit 6,5 Gew.-% oder mehr dotierten Zirkoniumdioxide, Lanthanstrontiumgallaten- und/oder -manganaten, undotierten oder insbesonder mit Samarium, Gadolinium und/oder Terbium dotierten Ceroxiden und Mischungen davon, und wobei das Material des gasdurchlässig poröse Zwischenabschnitts und/oder das gasdichte Material des zur Montage ausgelegten Endabschnitts und/oder das gasdichte Material des kappenförmigen Endabschnitts, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mit weniger als 3 Gew.-% dotierten Zirkoniumdioxiden, insbesondere undotiertem Zirkoniumdioxid, Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, insbesondere Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon.
  12. Verfahren zur Herstellung einer tubularen Elektrolysezelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Spritzgusswerkzeugs (40) mit einer Kavität und einem in die Kavität einbringbaren Spritzgusswerkzeugkern, wobei durch Einbringen des Spritzgusswerkzeugkerns in die Kavität ein tubularer Hohlraum (41) mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (411) und zwei Endabschnitten (412, 413) ausbildbar ist, wobei mindestens einer der Endabschnitte (412) des tubularem Hohlraums (41) des Spritzgusswerkzeugs (40) zur Ausbildung eines Montageabschnitts (112) ausgelegt ist, b) Aufbringen mindestens einer Elektrodenschicht (13), gegebenenfalls in Form eines Funktionsschichsystempakets (12, 13, 14) aus zwei Elektrodenschichten und einer dazwischen ausgebildeten Elektrolytschicht, auf den Werkzeugkern oder auf eine Innenwandung der Kavität in einer Position, in welcher die Elektrodenschicht/en (13, 12) beziehungsweise das Funktionsschichtsystempaket (12, 13, 14) in dem in die Kavität eingebrachten Zustand des Werkzeugkerns den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (411) des tubularen Hohlraums (41) begrenzt, c) Einspritzen einer Spritzgusskomponente (11) zur Ausbildung eines gasdichten, sauerstoffionenleitfähigen Materials beziehungsweise zur Ausbildung eines gasdurchlässig porösen keramischen Material in den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt (411) des tubularen Hohlraums (41) und einer anderen Spritzgusskomponente (11), insbesondere zur Ausbildung eines gasdichten, nicht-sauerstoffionenleitfähigen Materials, in den montageabschnittbildenden Endabschnitt (413) des tubularen Hohlraums (41), und d) Thermisches Behandeln des Spritzgusskörpers (11, 13) aus Verfahrensschritt c). wobei das Verfahren insofern in Verfahrensschritt b) eine Elektrodenschicht aufgebracht wird weiterhin nach dem Verfahrensschritt d) den Verfahrensschritt e). Aufbringen einer weiteren Elektrodenschicht (12) auf die, der in Verfahrensschritt b) aufgebrachten Elektrodenschicht (13) gegenüberliegende Seite des Spritzgusskörpers (11, 13; 11, 12, 13, 14), umfasst,
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Spritzgusswerkzeug (40) dazu ausgelegt ist, eine, insbesondere Nut-Feder-artige, Verzahnung (15, 16) zwischen unterschiedlichen Spritzkörperabschnitten (111, 112, 113) zu erzeugen.
  14. Verwendung einer Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder einer Zelle hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, als Elektrolysezelle oder als Brennstoffzelle, insbesondere als kombinierte Elektrolyse-Brennstoff-Zelle.
  15. Energiesystem, insbesondere eine Energiespeicher- und/oder -wandleranlage, beispielsweise für eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Biogasanlage, ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk oder ein Fahrzeug, welche/s mindestens eine Zelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eine Zelle hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 umfasst und/oder gemäß Anspruch 14 verwendet.
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