DE102012221434A1

DE102012221434A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102012221434A1
Application number: DE102012221434A
Authority: DE
Inventors: Gudrun Oehler; Alexander Bluthard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Es wird eine Tubulare Brennstoffzelle (10) mit einem Trägertubus (11, 12, 13), der als Träger für ein Funktionsschichtsystem (21–28) dient, vorgeschlagen. Um die elektrische Kontaktierung zu vereinfachen, ist mindestens eine der Funktionsschichten (21, 25, 26) durch mindestens einen sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereich (23) unterteilt, so dass mindestens zwei beabstandete Funktionsschichtabschnitte (A, B) entstehen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, ein brennstoffzellenbasiertes Energiesystem sowie die Verwendung einer derartigen Brennstoffzelle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, ein brennstoffzellenbasiertes Energiesystem sowie die Verwendung einer derartigen Brennstoffzelle.
Stand der Technik
Hochtemperatur-Brennstoffzellen, welche auch als Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solide oxide fuel cell) bezeichnet werden, dienen der Erzeugung von Strom und gegebenenfalls auch Wärme. Sie werden meistens in Hilfsaggregaten oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) verwendet.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen 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.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubulare Brennstoffzelle (10) mit einem Trägertubus (Tubus), der als Träger für ein Funktionsschichtsystem dient. Das Funktionsschichtsystem beziehungsweise dessen Funktionsschichten können auf die Innenseite oder auf die Außenseite des Trägertubus (Tubus) aufgebracht sein. Der Trägertubus kann daher als Träger sowohl für innenliegende Funktionsschichten als auch für außenliegende Funktionsschichten, insbesondere jedoch für innenliegende Funktionsschichten dienen. Dabei können grundsätzlich beide Enden des Trägertubus offen sein. Insbesondere kann jedoch das eine Ende des Trägertubus (Tubus) verschlossen sein.
Insbesondere ist mindestens eine der Funktionsschichten, beispielsweise der innenliegenden Funktionsschichten in Längsrichtung des Trägertubus (Tubus), beispielsweise durch mindestens einen sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereich, unterteilt, sodass zwei, insbesondere voneinander beabstandete, Funktionsschichtabschnitte, beispielsweise Halbschichten, entstehen.
Eine Unterteilung einer oder mehrerer Funktionsschichten in Längsrichtung des Trägertubus, insbesondere durch einen sich in Längsrichtung erstreckenden Funktionsschichtabschnitte beabstandenden Bereich, wirkt sich vorteilhaft auf die elektrisch Anbindung der Funktionsschichten aus und ermöglich es den Stromfluss durch den einen Funktionsschichtabschnitt von einem Ende des Trägertubus zum anderen Ende des Trägertubus in eine erste Richtung in Längsrichtung des Trägertubus zu führen und den Stromfluss durch den anderen Funktionsschichtabschnitt wieder in einer zur ersten, entgegengesetzten Richtung von dem einen Ende des Trägertubus zu dem anderen Ende des Trägertubus zu führen. Durch eine mehrfache Unterteilung ist dabei grundsätzlich auch ein mehrfaches Hin- und Herführen des Stromflusses möglich.
Eine Stromführung durch derartig unterteilte Funktionsschichten ist insbesondere bei tubularen Brennstoffzellen mit einem Trägertubus, der an einem Ende verschlossen ist vorteilhaft, das verschlossene Ende eine elektrische Kontaktierung erschwert. Insbesondere kann daher die Umkehrung der Richtung des Stromflusses im Bereich des geschlossenen Endes erfolgen.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist eine an den Trägertubus zumindest teilweise angrenzende Funktionsschicht und/oder eine zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht durch mindestens einen sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilt, sodass mindestens zwei voneinander, insbesondere bezogen auf den Umfang des Trägertubus umfänglich, beabstandete Funktionsschichtabschnitte entstehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Trägertubus und dem sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht beabstandet, eine gasdichte, elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch und ionisch isolierende, innere Isolationsschicht ausgebildet.
Im Zusammenhang mit den Isolationsschichten beziehen sich der Begriff „innere“ auf die Anordnung der Isolationsschicht zwischen dem Trägertubus und den Funktionsschichten, insbesondere wobei der Begriff „innere“ Isolationsschicht offen lässt, ob die Isolationsschicht innerhalb Trägertubus (Funktionsschichtsystem auf Innenseite des Trägertubus) oder außerhalb des Trägertubus (Funktionsschichtsystem auf Außenseite des Trägertubus) ausgebildet ist.
Insbesondere kann die innere Isolationsschicht Randabschnitte der Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht überlappen, welche an den sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden, beabstandenden Bereich angrenzen. Dabei kann die innere Isolationsschicht zwischen dem Trägertubus und den Randabschnitten der Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht angeordnet sein, welche an den sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden, beabstandenden Bereich angrenzen. Dabei können die übrigen Bereiche der Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht an den Trägertubus angrenzen.
Im Rahmen einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform ist der sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht beabstandet, durch eine gasdichte, elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch und ionisch isolierende, offen liegende Isolationsschicht abgedeckt ist. Insbesondere kann die offen liegende Isolationsschicht Randabschnitte der Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht überlappen, welche an den sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden. beabstandenden Bereich angrenzen.
Durch die innere Isolationsschicht und/oder die offen liegende Isolationsschicht kann vorteilhafterweise der die Funktionsschicht/en unterteilende Bereich und damit das Funktionsschichtsystem (tubulares Funktionsschichtpaket) gasdicht abgedichtet werden. So kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass Gas, beispielsweise sauerstoffhaltiges Gas und/oder Brenngas das Funktionsschichtsystem, insbesondere von der einen Seite des Funktionsschichtsystems zu anderen Seite des Funktionsschichtsystems, durchdringen und einen „chemischen Kurzschluss“ verursachen kann. Zudem können durch die innere Isolationsschicht und/oder die offen liegende Isolationsschicht, die unterteilten Funktionsschichtabschnitte elektrisch und ionisch voneinander isoliert werden sowie ein Gasaustausch dazwischen unterbunden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die innere Isolationsschicht und/oder die offen liegende Isolationsschicht streifenförmig in Längsrichtung des Trägertubus. Insbesondere kann dabei die innere Isolationsschicht und/oder die offen liegende Isolationsschicht – wie später näher erläutert – an zu einem Strang gehörende Kathode-Elektrolyt-Einheiten angrenzen beziehungsweise sich parallel zu Strängen aus Kathode-Elektrolyt-Einheiten erstrecken.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsformen ist der sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht beabstandet, teilweise oder vollständig mit dem Material der Isolationsschicht gefüllt, und/oder ist der sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht beabstandet, teilweise oder vollständig mit dem Material der Isolationsschicht gefüllt.
Zusätzlich die zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzende Funktionsschicht durch mindestens einen sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilt sein, sodass zwei oder mehr voneinander, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstandete Funktionsschichtabschnitte entstehen.
Auch die zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht kann zusätzlich durch mindestens einen sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilt sein, sodass zwei oder mehr voneinander, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstandete Funktionsschichtabschnitte entstehen.
Durch diese zusätzliche Unterteilung der Funktionsschichten können insbesondere die später näher erläuterten zu einem Strang gehörenden Kathode-Elektrolyt-Einheiten räumlich voneinander getrennt werden.
Die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht und/oder der zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht beabstanden, können teilweise oder vollständig mit einem gasdichten, elektrisch isolierenden Material gefüllt sein. Das Material kann dabei, muss aber nicht zwingend, zudem ionisch isolierend sein.
Zur Unterscheidung von der inneren und/oder offen liegenden Isolationsschicht, welche sich insbesondere in Längsrichtung des Trägertubus erstreckt, werden die sich in Umfangsrichtung des Trägertubus erstreckenden mit elektrisch isolierendem Material gefüllten Bereiche als Isolationsabschnitte bezeichnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest teilweise an den Tubuskörper angrenzende Funktionsschicht eine Kathodenschicht und die zumindest teilweise offen liegende Schicht eine Anodenschicht.
Umgekehrt ist es jedoch ebenso möglich, dass die zumindest teilweise an den Tubuskörper angrenzende Funktionsschicht eine Anodenschicht und die zumindest teilweise offen liegende Schicht eine Kathodenschicht ist.
Vorzugsweise ist die zumindest teilweise an den Tubuskörper angrenzende Funktionsschicht eine Kathodenschicht und die zumindest teilweise offen liegende Schicht eine Anodenschicht.
Zwischen der zumindest teilweise an den Tubuskörper angrenzenden Funktionsschicht und der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht kann insbesondere eine Zwischenfunktionsschicht ausgebildet sein. Die Zwischenfunktionsschicht kann insbesondere eine Elektrolytschicht sein.
Die Zwischenfunktionsschicht, insbesondere die Elektrolytschicht, kann im Wesentlichen analog zu der angrenzenden Funktionsschicht und der offen liegenden Funktionsschicht, also der Kathodenschicht und der Anodenschicht, ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Zwischenfunktionsschicht durch mindestens einen sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilt sein, sodass mindestens zwei voneinander, insbesondere bezogen auf den Umfang des Trägertubus umfänglich, beabstandete Funktionsschichtabschnitte der Zwischenfunktionsschicht entstehen. Der sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der Zwischenfunktionsschicht beabstandet, kann teilweise oder vollständig mit einem ionisch und elektrisch isolierenden Material gefüllt sein. Insbesondere kann der sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereich, welcher die Funktionsschichtabschnitte der Zwischenfunktionsschicht beabstandet; ebenfalls teilweise oder vollständig mit dem gasdichten, elektrisch und ionisch isolierenden Material der, beispielsweise inneren und/oder offen liegenden, Isolationsschicht/en gefüllt sein.
Zusätzlich kann die Zwischenfunktionsschicht durch mindestens einen sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilt sein, sodass zwei oder mehr voneinander, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstandete Funktionsschichtabschnitte entstehen. Die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche; welche die Funktionsschichtabschnitte der Zwischenschicht beabstanden, können teilweise oder vollständig mit einem elektrisch leitenden, ionisch isolierenden Material gefüllt sein. Insbesondere können die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche zur Unterteilung der Zwischenschicht als Interkonnektoren dienen und beispielsweilsweise zwei benachbarte Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten in Reihe schalten. Dabei können die Interkonnektoren einerseits an eine Kathode einer Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit und andererseits an eine Anode einer anderen Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit angrenzen. Dabei kann Kathode der einen Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit beispielsweise überlappend zur Anode der anderen Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit ausgebildet sein, wobei der Interkonnektor zumindest in dem überlappenden Bereich ausgebildet ist.
Die sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die zumindest teilweise an den Trägerkörper angrenzende Funktionsschicht, die Zwischenfunktionsschicht und die zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht unterteilen, können insbesondere zumindest im Wesentlichen an der gleichen Stelle, insbesondere übereinander, ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass eine Isolationsschicht, insbesondere die innere und/oder offen liegende Isolationsschicht, welche beispielsweise in einem Prozessschritt aufgebracht werden kann, die unterteilten Funktionsschichtabschnitte der zumindest teilweise an den Trägerkörper angrenzende Funktionsschicht, der Zwischenfunktionsschicht und der zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht gleichermaßen elektrisch und ionisch voneinander isolieren sowie ein Gasaustausch dazwischen unterbinden kann. Insbesondere können daher die sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die zumindest teilweise an den Trägerkörper angrenzende Funktionsschicht, die Zwischenfunktionsschicht und die zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht unterteilen, teilweise oder vollständig mit dem gasdichten, elektrisch und ionisch isolierenden Material der inneren und/oder offen liegenden Isolationsschicht gefüllt sein.
Das Funktionsschichtsystem kann beispielsweise sandwichartig ausgebildet sein und insbesondere eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine zwischen der Kathodenschicht und der Anodenschicht angeordnete Elektrolytschicht umfassen. Die Kathodenschicht kann dabei voneinander beabstandete Kathodenschichtabschnitte, die Elektrolytschicht voneinander beabstandete Elektrolytschichtabschnitte und die Anodenschicht voneinander beabstandete Anodenschichtabschnitte aufweisen, wobei jeweils ein Kathodenschichtabschnitt mit einem Elektrolytschichtabschnitt und einem Anodenschichtabschnitt eine Kathode, einen Elektrolyten und eine Anode einer Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit ausbildet. Auf diese Weise können die Kathodenschicht, die Elektrolytschicht und die Anodenschicht, insbesondere die Kathodenschichtabschnitte, die Elektrolytschichtabschnitte und die Anodenschichtabschnitte, eine Vielzahl von Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten ausbilden.
Dabei können in dem Funktionsschichtsystem in Längsrichtung des Trägertubus mindestens zwei zueinander parallele Stränge von in Reihe geschalteten Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten ausgebildet sein.
Die Kathoden, Elektrolyten und Anoden von zu unterschiedlichen Strängen gehörenden Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten können dabei insbesondere durch die sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Kathodenschichtabschnitt der Kathodenschicht beziehungsweise die Elektrolytschichtabschnitte der Elektrolytschicht beziehungsweise die Anodenschichtabschnitte der Anodenschicht, insbesondere bezogen auf den Umfang des Trägertubus umfänglich, beabstanden, voneinander elektrisch und ionisch isoliert werden.
Dabei können die Kathoden und Anoden von zu einem Strang gehörenden Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten durch die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Kathodenschichtabschnitt der Kathodenschicht beziehungsweise die Anodenschichtabschnitte der Anodenschicht, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstanden, voneinander elektrisch isoliert werden.
Die Elektrolyten von zu einem Strang gehörenden Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten können dabei durch die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Elektrolytschichtabschnitte der Elektrolytschicht, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstanden, voneinander ionisch isoliert werden. Dabei können durch die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Elektrolytschichtabschnitte der Elektrolytschicht, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstanden, zudem die zu einem Strang gehörenden Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten in Reihe geschaltet werden. Mit anderen Worten, die sich in Richtung des Umfangs des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Elektrolytschichtabschnitte der Elektrolytschicht, insbesondere bezogen auf Längsrichtung des Trägertubus axial, beabstanden, können auch als Interkonnektoren dienen.
Die Unterteilung der, beispielsweise innenliegenden, Funktionsschichten kann insbesondere derart erfolgt, dass bezogen auf die Funktionsschichten zwei Funktionsschichthalbtuben (Halbtuben) entstehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt daher die Unterteilung der an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht und/oder der offen liegenden Funktionsschicht und/oder der Zwischenfunktionsschicht derart, dass bezogen auf die Funktionsschichten zwei Funktionsschichthalbtuben entstehen, insbesondere wobei die Funktionsschichthalbtuben durch zwei sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckende Bereiche voneinander, insbesondere bezogen auf den Umfang des Trägertubus umfänglich, beabstandet sind.
Die Funktionsschichthalbtuben können beispielsweise jeweils einen Strang aus in Reihe geschalteten Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten aufweisen beziehungsweise ausbilden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind dabei die sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Funktionsschichthalbtuben beabstanden, teilweise oder vollständig mit einem gasdichten, elektrisch und ionisch isolierenden Isolationsschichtmaterial gefüllt ist.
Insbesondere kann dabei zwischen dem Trägertubus und den sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereichen, welche die Funktionsschichthalbtuben beabstanden, jeweils eine gasdichte, elektrisch und ionisch isolierende, innere Isolationsschicht ausgebildet sein, welche gegebenenfalls an den jeweiligen Bereich angrenzende Randabschnitte der Funktionsschichthalbtuben überlappt.
Alternativ oder zusätzlich dazu können die sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereiche, welche die Funktionsschichthalbtuben beabstanden, jeweils durch eine gasdichte, elektrisch und ionisch isolierende, offen liegende Isolationsschicht abgedeckt sein, welche gegebenenfalls an den jeweiligen Bereich angrenzende Randabschnitte der Funktionsschichthalbtuben überlappt.
Die inneren Isolationsschichten und/oder die offen liegenden Isolationsschichten können sich dabei insbesondere streifenförmig in Längsrichtung des Trägertubus erstrecken.
Der Trägertubus kann mindestens ein offenes Ende aufweisen, welches als Fußabschnitt zum Befestigen der Brennstoffzelle (Montageflansch) ausgestaltet ist. Im Fall eines beidseitig offenen Trägertubus kann der Trägertubus an beiden offenen Enden einen derartigen Fußabschnitt aufweisen. Im Fall eines Trägertubus der ein verschlossenes Ende aufweist, kann der Trägertubus an einem Ende durch einen Kappenabschnitt verschlossen sein, wobei das andere offene Ende des Trägertubus als Fußabschnitt dient.
Der Kappenabschnitt kann beispielsweise Einzüge und/oder Streben zur Zentrierung und/oder Stabilisierung einer in den Innenraum des Trägertubus einführbaren Gaszufuhrlanze aufweisen.
Das Funktionsschichtsystem kann insbesondere auf einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen, mittleren Abschnitt des Trägertubus aufgebracht sein, welcher sich zwischen den Fußabschnitten beziehungsweise dem Kappenabschnitt und dem Fußabschnitt erstreckt.
Der mittlere Abschnitt des Trägertubus kann dabei insbesondere gasdurchlässig porös sein.
Der Kappenabschnitt und/oder der/die Fußabschnitte können dabei insbesondere gasdicht sein.
In den Verbindungszonen zwischen einem gasdurchlässig porösen Abschnitt und einem gasdichten Abschnitt, können der gasdurchlässig poröse Abschnitt und der gasdichte Abschnitt miteinander verzahnt ausgebildet sein.
Der Trägertubus kann beispielsweise mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Zirkoniumdioxid, insbesondere dotiertes Zirkoniumdioxid, beispielsweise mit 6,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y₂O₃) dotiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen, wie Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon. Dabei können die gasdichten Abschnitte und der gasdurchlässig poröse Abschnitt aus dem gleichen Material ausgebildet sein und sich im Wesentlichen nur bezüglich der Porosität beziehungsweise Gasdichtigkeit unterscheiden.
Insbesondere kann der Trägertubus mindestens ein Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen (Mg-Spinel), wie Magnesiumaluminat, und Mischungen davon.
Vorzugsweise ist der Trägertubus ein Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, umfassen oder daraus ausgebildet sein. Magnesiumsilikate, insbesondere Forsterit (Mg₂SiO₄), ist auf Grund seiner elektrochemischen Festigkeit, des hohen elektrischen Widerstandes und des zu den Funktionsschichten passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 – 11·10^–6K^–1 als Trägermaterial zur Ausbildung des Trägertubus besonders geeignet und kann zudem somit auch als Material für die innere und/oder offen liegende Isolationsschicht beziehungsweise als Isolationspaste herangezogen zu werden.
Der Stromfluss innerhalb des Tubus kann dabei beispielsweise innerhalb eines ersten Halbtubus vom Fußabschnitt des Trägertubus (Fuß des Tubus) zum Kappenabschnitt des Trägertubus (Kopf des Tubus) und über den zweiten Halbtubus vom Kappenabschnitt (Kopf) zurück zum Fußabschnitt (Fuß) des Trägertubus (Tubus) geführt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird der Stromfluss innerhalb des Funktionsschichtsystems beziehungsweise Tubus innerhalb eines ersten Funktionsschichthalbtubus (Halbtubus) vom offenen Ende (Fuß) des Trägertubus (Tubus) zum geschlossenen Ende (Kopf) des Trägertubus (Tubus) geführt und über den zweiten Funktionsschichthalbtubus (Halbtubus) vom geschlossenen Ende (Kopf) des Trägertubus (Tubus) zurück zum geschlossenen Ende (Fuß) des Trägertubus (Tubus) geführt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist in dem Funktionsschichtsystem ein elektrischer Ringleiter ausgebildet, welcher zwei Funktionsschichtabschnitte einer durch einen sich in Längsrichtung des Trägertubus erstreckenden Bereich unterteilten Funktionsschicht elektrisch miteinander verbindet. Auf diese Weise können insbesondere zwei Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten-Stränge miteinander in Reihe geschaltet werden.
Insbesondere kann dabei im Kopfbereich des Tubus beziehungsweise im Bereich des Kappenabschnitts beziehungsweise geschlossenen Endes des Trägertubus ein elektrischer Ringleiter angeordnet sein.
Beispielsweise kann der erste Funktionsschichthalbtubus mit dem zweiten Funktionsschichthalbtubus im Bereich des geschlossenen Endes des Trägertubus durch den Ringleiter elektrisch verbunden sein. Durch den Ringleiter können so insbesondere die Stränge der Funktionsschichthalbtuben untereinander in Reihe geschaltet werden.
Der Ringleiten kann beispielsweise aus dem Material der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht oder aus dem Material der zumindest teilweise an den Trägertubus angrenzenden Funktionsschicht, insbesondere aus dem Material der Anodenschicht oder der Kathodenschicht, ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das Funktionsschichtsystem auf die Innenseite oder auf die Außenseite, insbesondere die Innenseite, des Trägertubus aufgebracht.
Vorzugsweise ist das Funktionsschichtsystem auf derjenigen Seite des Trägertubus aufgebracht, welche mit Brenngas beaufschlagbar ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um den Innenraum des Trägertubus handeln, wobei die Brennstoffzelle als tubulare Zelle mit innen liegendem Elektrodenpaket bezeichnet werden kann.
Eine Anordnung des Funktionsschichtsystem auf der mit Brenngas beaufschlagbaren Seite des Trägerkörpers, hat den Vorteil, dass der Strom in inerter Brenngasatmosphäre abgenommen werden kann und somit kostengünstigere Materialien, wie beispielsweise Nickel, eingesetzt werden können.
Die Isolationsschicht/en, insbesondere die innere und/oder äußere Isolationsschicht, kann beispielsweise mindestens ein, insbesondere gasdichtes, Material umfassen oder daraus ausgebildet sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Zirkoniumdioxid, insbesondere dotiertes Zirkoniumdioxid, beispielsweise mit 6,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y₂O₃) dotiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen, wie Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon. Dabei kann das Material der Isolationsschicht/en insbesondere das gleiche Material sein, aus dem der Trägertubus ausgebildet ist und sich gegebenenfalls nur bezüglich seiner Gasdichtigkeit unterscheiden.
Als mögliche Materialkandidaten für die Isolationsschicht/en, insbesondere die innere und/oder äußere Isolationsschicht, kommen insbesondere entweder das dichte Forsterit, Mg-Spinel oder Al₂O₃ in Betracht.
Insbesondere kann daher das Isolationsschichtmaterial ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus, insbesondere gasdichten, Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen (Mg-Spinel), wie Magnesiumaluminat, und Mischungen davon.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst oder ist das Isolationsschichtmaterial ein, insbesondere gasdichtes, Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit. Forsterit (Mg₂SiO₄) ist auf Grund seiner elektrochemischen Festigkeit, des hohen elektrischen Widerstandes und des zu den Funktionsschichten passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 – 11·10^–6K^–1 als Trägermaterial zur Ausbildung des Trägertubus besonders geeignet und kann somit auch als Material für die innere und/oder offen liegende Isolationsschicht beziehungsweise als Isolationspaste herangezogen zu werden. Magnesiumsilikate, insbesondere Forsterit, haben sich als besonders geeignet erwiesen, um einerseits eine unerwünschte Gasdiffusion durch das Funktionsschichtsystem sowie in den Funktionsschichten, insbesondere zwischen den unterteilten Funktionsschichtabschnitten der Funktionsschichten, zu behindern und andererseits als elektrischer Isolator zu fungieren.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie mit den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle, insbesondere einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Dabei wird in einem Verfahrensschritt a) eine Hülse oder eine Folie mit einem Funktionsschichtsystem bedruckt, welches eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine dazwischen liegende Elektrolytschicht umfasst, wobei zumindest die zuletzt gedruckte Funktionsschicht, beispielsweise die Kathodenschicht oder die Anodenschicht, insbesondere die Kathodenschicht, durch mindestens einen unbedruckten Bereich unterteilt ist, so dass mindestens zwei beabstandete Funktionsschichtabschnitte entstehen.
In einem Verfahrensschritt b) wird der unbedruckte Bereich der in Verfahrensschritt b) zuletzt gedruckten Funktionsschicht mit einer gasdichten oder gasdicht sinternden, elektrisch isolierenden, insbesondere elektrisch und ionisch isolierenden, Isolationsschicht bedruckt.
In einem Verfahrenschritt c) wird ein mit dem Funktionsschichtsystem versehener Trägertubus mittels Keramikspritzguss (CIM, englisch: Ceramic Injection Moulding) ausgebildet, wobei die das Funktionsschichtsystem tragende Hülse oder Folie überspritzt beziehungsweise hinterspritzt wird, was auch als Inmould Labeling (IML) bezeichnet wird.
Beim Drucken ist es in einem Prozessschritt nicht ohne weiteres möglich, eine Hülse vollständig zum umdrucken beziehungsweise eine Folie direkt bis zum Rand zu bedrucken. Zudem ist bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle vorgesehen, dass mindestens eine der Funktionsschichten durch einen sich in Längsrichtung des Trägertubus in zwei Funktionsschichtabschnitte unterteilt wird. In beiden Fällen kann im Fall eines Druckschrittes daher ein unbedruckbarer und/oder unbedruckter Bereich verbleiben, der insbesondere gegen den porösen Trägertubus, abgedichtet werden muss.
Dabei ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise derartige gasundichte Bereiche auf einfache und effektive Weise durch die Isolationsschicht/en zu versiegeln. Die Isolationsschichten können dabei, beispielsweise zum Schluss, zum Beispiel längs, über den unbedruckten Bereich gedruckt werden. Somit ist es möglich, das Funktionsschichtsystem (Funktionsschichtpaket) seriell zu verschalten und dadurch zu hohen Ströme, die nicht ansonsten nur schlecht abgeleitet werden könnten zu vermeiden.
Das Bedrucken der Hülse und der Folie, insbesondere mit dem Funktionsschichtsystem (Elektrodenpaket) kann Verfahrensschritt a) und b) mittels Rundsiebdrucktechnologie erfolgen.
Alternativ dazu kann in Verfahrensschritt a) eine flache Folie, so genannte Flachware, insbesondere mit dem Funktionsschichtsystem, bedruckt werden, welche anschließend zu einem Hohlzylinder gebogen wird, wobei zwei einander gegenüberliegende Seiten der Folie unter Ausbildung eines Stoßes aneinander angrenzen und wobei der Stoß mit einer weiteren gasdichten oder gasdicht sinternden, elektrisch und ionisch isolierenden Isolationsschicht bedruckt wird.
Im Rahmen einer Ausführungsform umfasst das Verfahren daher weiterhin die Verfahrensschritte b1) und b2), welche nach Verfahrensschritt a) erfolgen. Dabei wird in Verfahrensschritt b1) die Folie zu einem Hohlzylinder gebogen, wobei zwei einander gegenüberliegende Seiten der Folie unter Ausbildung eines Stoßes aneinander angrenzen. In Verfahrensschritt b2) wird dann der Stoß mit einer weiteren gasdichten oder gasdicht sinternden, elektrisch isolierenden, insbesondere elektrisch und ionisch isolierenden, Isolationsschicht () bedruckt. Verfahrensschritt b) kann dabei vor Verfahrensschritt b1), beispielsweise mittels Flachsiebdruck, oder vor, während oder nach Verfahrensschritt b2), beispielsweise mittels Rundsiebdruck, erfolgt.
In Verfahrensschritt b) und Verfahrensschritt b2) kann insbesondere eine Siebdruckpaste eingesetzt werden, welche zur Ausbildung eines gasdichten und elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch und ionisch isolierenden, Material ausgelegt ist.
Die Siebdruckpaste kann beispielsweise mindestens ein Material zur Ausbildung mindestens eines Materials 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 Magnesiumspinellen, wie Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon, umfassen. Dabei kann das Material zu dessen Ausbildung die Siebdruckpaste ausgelegt ist, insbesondere das gleiche Material sein, aus dem der Trägertubus ausgebildet wird und sich gegebenenfalls nur bezüglich seiner Gasdichtigkeit unterscheiden.
Insbesondere kann die Siebdruckpaste mindestens ein Material zur Ausbildung mindestens eines Materials aus der Gruppe bestehend aus, insbesondere gasdichten, Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen (Mg-Spinel), wie Magnesiumaluminat, und Mischungen davon, umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Siebdruckpaste mindestens ein Material zur Ausbildung eines Magnesiumsilikats, insbesondere Forsterits.
Die vorstehenden Materialien können insbesondere pulverförmig in der Siebdruckpaste enthalten sein.
Die eines oder mehrere der vorstehenden Materialien in Pulverform enthaltende Siebdruckpaste wird vorzugsweise derart eingestellt, dass die daraus auszubildende/n Isolationsschicht/en im Sinterschrumpf und Temperaturausdehnungskoeffizient (TAK/WAK) mit dem des Funktionsschichtsystems (Funktionsschichtpaket) und des Trägertubus (Forsterittubus) übereinstimmt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird das Funktionsschichtsystem in Verfahrenschritt a) derart gedruckt, dass die Kathodenschicht, die Elektrolytschicht und die Anodenschicht durch mindestens einen gemeinsamen unbedruckten Bereich unterteilt sind.
In Verfahrensschritt c) kann beispielsweise mindestens eine Spritzgusskomponente, insbesondere zwei Spritzgusskomponenten, eingesetzt werden, welche mindestens ein Material zur Ausbildung mindestens eines Materials 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 Magnesiumspinellen, wie Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Mischungen davon, umfasst. Dabei kann das Material zu dessen Ausbildung die Spritzgusskomponente beziehungsweise die Spritzgusskomponenten ausgelegt sind, insbesondere das gleiche Material sein, aus dem die Isolationsschicht/en ausgebildet werden und sich gegebenenfalls nur bezüglich seiner Gasdichtigkeit unterscheiden.
Insbesondere kann die mindestens eine Spritzgusskomponente mindestens ein Material zur Ausbildung mindestens eines Materials aus der Gruppe bestehend aus, insbesondere gasdichten, Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Aluminiumoxid (Al₂O₃), Spinellen, beispielsweise Magnesiumspinellen (Mg-Spinel), wie Magnesiumaluminat, und Mischungen davon, umfassen.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Spritzgusskomponente mindestens ein Material zur Ausbildung eines Magnesiumsilikats, insbesondere Forsterits.
In Verfahrensschritt c) kann insbesondere ein Spritzgusswerkzeug, insbesondere mit einer Kavität und einem in die Kavität einbringbaren Werkzeugkern eingesetzt werden, wobei die Hülse oder Folie auf den Werkzeugkern oder eine zum Werkzeugkern beabstandete Wandung der Kavität aufgebracht wird.
Der Trägertubus (Tubus) kann in Verfahrensschritt c) insbesondere mittels Mehrkomponentenkeramikspritzguss, beispielsweise eine 2-Komponenten-Keramik-Spritzgusstechnik (CIM), hergestellt werden.
Die Hülse beziehungsweise Folie kann nach Verfahrensschritt c) entfernt, beispielsweise beim Sintern des Trägertubus ausgebrannt oder mechanisch entfernt, werden. Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Energiesystem, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie mit den Figuren verwiesen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Energiesystem, zum Beispiel 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 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle und/oder ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und/oder eine erfindungsgemäß hergestellte Brennstoffzellen und/oder ein erfindungsgemäß hergestelltes Brennstoffzellensystem umfasst und/oder verwendet (Einsatz in SOFC-KWK-Anlagen). 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 Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie mit den Figuren verwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen tubularen Brennstoffzelle oder einer erfindungsgemäß hergestellten tubularen Brennstoffzelle in Hochtemperatur-Brennstoffzellen oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem sowie mit den Figuren 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 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
2 eine schematische angeschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; und
3a–3g schematische Ansichten zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Funktionsschichtsystems einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen tubularen Brennstoffzelle (Hochtemperatur-Brennstoffzelle, SOFC-Tubus) 10 weist einen teilweise porösen, im Wesentlichen zylindrisch geformten Trägertubus 11, 12, 13 auf, der als Träger für innen liegende, also auf der Innenseite des Trägertubus aufgebrachte, Funktionsschichten (in 1 verdeckt) dient. 1 zeigt, dass das eine Ende des Trägertubus 11, 12, 13 durch einen Kappenabschnitt 12 aus einem gasdichten Material verschlossen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist ein Fußabschnitt 11 (Montageflansch, Gasanschlussflansch) ebenfalls aus einem gasdichten Material ausgeformt, der eine gasdichte Verbindung des Trägertubus 11, 12, 13 mit einer Trägerplatte (nicht dargestellt) – gegebenenfalls ohne zusätzliche Abdichtung durch glasartige Materialien – ermöglicht.
1 zeigt weiterhin, dass sich zwischen dem gasdichten Fußabschnitt 11 und dem gasdichten Kappenabschnitt 12 ein gasdurchlässig poröser, im Wesentlichen hohlzylinderförmiger, mittlerer Abschnitt 13 erstreckt. Auf der Innenseite der in diesem Abschnitt 13 porösen Tubuswandung ist das Funktionsschichtsystem (in 1 verdeckt) aufgebracht, welches von außerhalb des Trägertubus 11, 12, 13 durch die Poren des mittleren Abschnitts 13 mit einem Gas, beispielsweise einem sauerstoffhaltigen Gas, wie Luft, beaufschlagbar ist und vom Innenraum des Trägertubus 11, 12, 13 aus mit einem anderen Gas, beispielsweise einem Brenngas, wie Wasserstoff, Methan, etc.), beaufschlagbar ist.
Die gestrichelten Linien deuten an, dass in den Verbindungszonen aneinander angrenzende dichte und poröse Abschnitte miteinander verzahnt ausgebildet sein können.
1 zeigt weiterhin, dass in den Innenraum des Trägertubus 11, 12, 13 eine Gaszufuhrlanze 14 hineinragt, welche dazu ausgelegt den Innenraum mit dem Gas, insbesondere Brenngas, zu beaufschlagen. 1 illustriert, dass der Kappenabschnitt 12 zur Zentrierung und/oder Stabilisation der Gaszufuhrlanze konkave Einzüge und/oder Streben 12a aufweisen kann.
Grundsätzlich, insbesondere bei einer Umkehrung der Schichtabfolge des Funktionsschichtsystem – ist auch umgekehrte Gaszufuhr, nämlich des Innenraums des Trägertubus 11, 12, 13 mit einem sauerstoffhaltigen Gas und die der äußeren Umgebung des Trägertubus 11, 12, 13 mit Brenngas möglich. Ebenso ist es möglich, das Funktionsschichtsystem in gleicher oder umgekehrter Schichtabfolge auf die Außenseite des porösen Abschnitts 13 aufzubringen.
2 veranschaulicht, dass das im Tubusinneren 11, 12, 13 befindliche Funktionsschichtpaket 21–28 so aufgeteilt, dass die Funktionsschichten 26, 25, 21 längs des Trägertubus 11, 12, 13 unterteilt werden, so dass zwei „Halbtuben“ A, B entstehen. Über den einen Funktionsschichthalbtubus (Halbtubus) A wird der Strom S vom Fuß 11 des Tubus 11, 12, 13 zum Kopf 12 geführt, über den anderen Funktionsschichthalbtubus (Halbtubus) B vom Kopf 12 zurück zum Fuß 13. Am Kopf 12 des Tubus 11, 12, 13 werden die beiden Halbschalen A, B über einen Ringleiter 21a elektrisch miteinander verbunden. Zwischen den beiden Halbtuben A, B sind zwei die Halbtuben A, B beabstandende Bereiche 23 ausgebildet, welche auch als Nahtstellen bezeichnet werden können, ausgebildet, von denen in 2 jedoch nur einer eingezeichnet ist, da der andere auf der dem Betrachter zugewandten Seite liegt. Die die Halbtuben A, B beabstandenden Bereiche 23 erstrecken sich in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 und bleiben während der Herstellung des Funktionsschichtpaketes 21–28 zunächst unbedruckt. Um diese unbedruckten Bereiche 23 gasdicht zu verschließen, insbesondere ohne einen elektronischen, ionischen oder gastechnischen Kurzschluss zu erzeugen, wird auf die unbedruckten Bereiche 23, insbesondere nachträglich, jeweils eine gasdichte, elektrisch und ionisch isolierende Isolationsschicht 24 aufgebracht, insbesondere welche den jeweiligen unbedruckten Bereich 23 ausfüllt. Die Isolationsschicht 24 kann dabei insbesondere von Außen auf den jeweiligen Bereich 23 aufgedruckt sein und dabei angrenzende Randabschnitte der Halbtuben A, B überlappen, so dass die Isolationsschicht 24 teilweise zwischen dem Trägertubus 11, 12, 13 und den Randabschnitten der Halbtuben A, B ausgebildet ist.
1 zeigt, dass das Funktionsschichtsystem 21–28 weiterhin, dass die zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht 21 zusätzlich zu der Unterteilung durch den sich in Längsrichtung L des Trägertubus erstreckenden, nachträglich mit der Isolationsschicht 24 bedruckten Bereich 23, durch sich in Richtung des Umfangs U des Trägertubus 11, 12, 13 erstreckende Bereiche 22 unterteilt ist, sodass jeweils vier voneinander, insbesondere bezogen auf Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 axial, beabstandete Funktionsschichtabschnitte 21 entstehen. Bei der Funktionsschicht 21 kann es sich insbesondere um eine Anodenschicht 21 handeln, wobei die unterteilten Anodenschichtabschnitte 21 als Anoden dienen, welche mit als Elektrolyten und Kathoden dienenden Funktionsschichtabschnitten einer ähnlich segmentierten, darunter liegenden Elektrolytschicht (in 2 verdeckt) und einer wiederum darunter liegenden, ähnlich segmentierten Kathodenschicht (in 2 verdeckt) acht Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten, welche auch als Segmente bezeichnet werden können, ausbilden. 2 zeigt, dass die Abdichtung der beiden unbedruckten Bereiche 23 durch jeweils eine gasdichte Isolationsschicht 24 erfolgt, welche quer zu den Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten (Segmenten) gedruckt wird und sich insbesondere parallel zu den beiden Strängen erstreckt.
Die 3a bis 3g zeigen schematische Ansichten zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Funktionsschichtsystems 21–28 einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 10.
Die 3a und 3c zeigen Querschnitte durch das in 3b in einer Draufsicht gezeigte Funktionsschichtsystem. In 3b kennzeichnet die linke, mit nach links weisenden Blickrichtungspfeilen versehene, dicke, strichpunktierte, senkrechte Linie kennzeichnet die Schnittebene des in 3a gezeigten Querschnitts und die rechte, mit nach rechts weisenden Blickrichtungspfeilen versehene, dicke, strichpunktierte, senkrechte Linie kennzeichnet die Schnittebene des in 3c gezeigten Querschnitts.
Die 3d und 3e sind stark vergrößerte Ausschnitte aus dem obersten Bereich von 3a und einem Bereich oben-links in 3b. Entsprechend zeigt 3d einen stark vergrößerten Querschnitt und 3e eine stark vergrößerte Draufsicht.
Die 3f und 3g sind stark vergrößerte Ausschnitte aus dem obersten Bereich von 3c und einem Bereich oben-rechts in 3b. Entsprechend zeigt 3f einen stark vergrößerten Querschnitt und 3g eine stark vergrößerte Draufsicht.
In den Draufsichten 3b, 3e und 3f wurde eine einheitliche Linienkennzeichnung (Strich-Punkt-Strich-Linien, Strich-Strich-Strich-Linien, dünne durchgezogene Linien, dicke durchgezogene Linien) vorgenommen. Dabei wurde für die Bezugslinien, der dazugehörigen Bezugszeichen die gleiche Linienkennzeichnung verwendet.
So kennzeichnen die Strich-Punkt-Strich-Linien eine unterste Funktionsschichtsystemebene, insbesondere die Anodenschicht 21, in der Anoden (Anodenschichtabschnitte) 21 ausgebildet sind, welche teilweise durch in der gleichen Ebene ausgebildete, ebenfalls mit Strich-Punkt-Strich-Linien gekennzeichnete Anodenisolationsabschnitte 22 voneinander getrennt werden. In dieser untersten Funktionsschichtsystemebene ist auch ein elektrischer Ringleiter 21a ausgebildet, welcher deshalb ebenfalls mit Strich-Punkt-Strich-Linien gekennzeichnet ist.
Die Strich-Strich-Strich-Linien kennzeichnen eine über der Ebene der Anodenschicht 21, 22 liegende Funktionsschichtsystemebene, insbesondere die Zwischenschicht beziehungsweise Elektrolytschicht 25, in der Elektrolyten (Elektrolytschichtabschnitte) 25 ausgebildet sind, welche teilweise von in der gleichen Ebene ausgebildete, ebenfalls mit Strich-Strich-Strich-Linien gekennzeichnet Interkonnektoren 28 voneinander getrennt werden.
Die dazu benachbarten dünnen durchgezogenen Linien kennzeichnen eine über der Ebene der Zwischenschicht beziehungsweise Elektrolytschicht 25 liegende Funktionsschichtsystemebene, insbesondere die Kathodenschicht 26, in der Kathoden (Kathodenschichtabschnitte) 26 ausgebildet sind, welche teilweise von in der gleichen Ebene ausgebildeten, ebenfalls mit dünnen durchgezogenen Linien gekennzeichneten Kathodenisolationsabschnitten 27 voneinander getrennt werden.
Die dicken durchgezogenen Linien, welche die mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichneten senkrechte Streifen umrandenden, kennzeichnen Isolationsschichten 24, welche oberhalb der zuvor erläuterten Ebenen liegen.
Der in den 3b, 3f und 3g ersichtliche oberste Streifen veranschaulicht, dass das Funktionsschichtsystem 21, 28 zunächst auf eine Trägerfolie gedruckt wird.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in den Übersichtsdarstellungen 3a bis 3c nicht alle Bezugzeichen eingezeichnet. Zum besseren Verständnis werden im Rahmen der Figurenbeschreibung der 3a bis 3d auch Bezugszeichen genannt, welche nur in den vergrößerten Darstellungen 3d bis 3g eingezeichnet sind, deren Bedeutung aufgrund der einheitlichen Bezugszeichenvergabe, der einheitlichen Linienkennzeichnung und der Vergleichbarkeit der Übersichtdarstellungen in den 3a bis 3c mit den stark vergrößerten Darstellungen in den 3d bis 3g jedoch ersichtlich ist.
Die Querschnitte 3a, 3c, 3d und 3d zeigen, dass das Funktionsschichtsystem 21-sandwichartig ausgebildet ist und eine Kathodenschicht 26, 27, eine darunter liegende Elektrolytschicht 25, 28 und eine wiederum darunter liegende Anodenschicht 21, 22 umfasst.
Die 3b, 3e und 3g zeigen Draufsichten auf die Kathodenschicht 26 des Funktionsschichtsystems 21–28. Dabei veranschaulicht insbesondere 3b, dass, dass die Kathodenschicht 26, die Elektrolytschicht 25 und die Anodenschicht 21 durch einen zunächst unbedruckten Bereich 23 unterteilt sind, welcher sich später beim Aufbringen des Funktionsschichtsystems 21–28 auf einen Trägertubus 11, 12, 13 in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 (siehe 2) erstreckt und welcher 23 die Kathodenschicht 26, die Elektrolytschicht 25 und die Anodenschicht 21 so unterteilt, dass zwei, insbesondere bezogen auf den Umfang U des Trägertubus 11, 12, 13 (siehe 2) umfänglich, beabstandete Funktionsschichtabschnitte A, B (Halbschichten) entstehen. Beim Aufbringen des Funktionsschichtsystems 21–28 auf den Trägertubus 11, 12, 13 wird auch das Funktionsschichtsystem 21–28 zu einem Tubus geformt, so dass die beiden Funktionsschichtabschnitte A, B (Halbschichten) auch als Funktionsschichthalbtuben A, B bezeichnet werden können.
Zusätzlich zu dem sich später in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 erstreckenden Bereich 23, werden die Kathodenschicht 26, die Elektrolytschicht 25 und die Anodenschicht 21 durch Bereiche 22, 27, 28 unterteilt, welche sich später in Richtung des Umfangs U des Trägertubus 11, 12, 13 erstreckenden, wobei in der Kathodenschicht 26, der Elektrolytschicht 25 und der Anodenschicht 21 jeweils insgesamt zwei mal acht voneinander, bezogen auf Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 axial, beabstandete Funktionsschichtabschnitte 26, 25, 21 entstehen.
Die die Funktionsschichtabschnitte der Kathodenschicht 26 (Kathodenschichtabschnitte) axial beabstandenden Bereiche (Kathodenisolationsschichtabschnitte) 27 sowie die die Funktionsschichtabschnitte der Anodenschicht 21 (Anodenschichtabschnitte) axial beabstandenden Bereiche (Anodenisolationsschichtabschnitte) 22 können insbesondere mit einem gasdichten, elektrisch isolierenden Material gefüllt sein.
Die die Funktionsschichtabschnitte der Elektrolytschicht 25 (Elektrolytschichtabschnitte) axial beabstandenden Bereiche (Interkonnektoren) 28 können insbesondere mit einem gasdichten, ionisch isolierenden und elektrisch leitenden Material gefüllt sein und dadurch sowohl die Elektrolytschichtabschnitte 25 voneinander ionisch isolierend als auch als Interkonnektoren 28 zum in Reihe schalten von benachbarten Kathodenabschnitten 26 und Anodenabschnitten 21 unterschiedlicher Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten 26, 25, 21 dienen.
Die Querschnitte in 3a, 3c, 3d und 3f veranschaulichen, dass die Kathodenschichtabschnitte 26, die Elektrolytschichtabschnitte 25 und die Anodenschichtabschnitte 21 zueinander leicht versetzt angeordnet sind, so dass jeweils ein Kathodenschichtabschnitt 26 einen benachbarten Anodenschichtabschnitt 21 überlappt, wobei in dem überlappten Bereich ein Interkonnektor 28 in der Elektrolytschicht 25 ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, benachbarte Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten 26, 25, 21 miteinander zu Strängen in Reihe zu schalten, welche sich jeweils durch den linken A Funktionsschichtabschnitt und durch den rechten Funktionsschichtabschnitt B in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 erstrecken und über einen elektrischen Ringleiter 21a, welcher in der Anodenschicht 21 aus dem Anodenmaterial ausgebildet ist, untereinander in Reihe geschaltet werden.
Die Kathoden 26, Elektrolyten 25 und Anoden 21 von zu unterschiedlichen Strängen gehörenden Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten 26, 25, 21 werden dabei den sich in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 erstreckenden Bereiche 23, welche die Kathodenschichtabschnitt der Kathodenschicht 26 beziehungsweise die Elektrolytschichtabschnitte der Elektrolytschicht 25 beziehungsweise die Anodenschichtabschnitte der Anodenschicht 21, insbesondere bezogen auf den Umfang U des Trägertubus 11, 12, 13 umfänglich, beabstandet, voneinander elektrisch und ionisch isoliert.
Weiterhin veranschaulichen die 3b, 3e und 3g, dass auf den die Kathodenschicht 26, die Elektrolytschicht 25 und die Anodenschicht 21 unterteilenden, sich in Längsrichtung L des Trägertubus 11, 12, 13 erstreckenden Bereich 23 sowie auf seitlich an die Kathodenschicht 26, die Elektrolytschicht 25 und die Anodenschicht 21 angrenzende, zunächst unbedruckte Bereichen 23 zwei gasdichte oder gasdicht sinternde, elektrisch und ionisch isolierende, Isolationsschicht 24 aufgebracht werden, welche die zunächst unbedruckten Bereiche 23 ausfüllen.
Die Kathoden 26 zur Reihenschaltung der Stränge jeweils die Anoden 21 der benachbarten Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten 26, 25, 21 können um eine gewisse Strecke (d1), insbesondere in Längsrichtung L des Tubus 11, 12, 13, von etwa 8 cm, beispielsweise von etwa 2 mm, zum Beispiel von 1,94 mm, überlappen. Die elektrochemisch aktive Fläche (d2) einer einzelnen Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheit 26, 25, 21 kann beispielsweise eine Höhe, insbesondere in Längsrichtung L des Tubus 11, 12, 13, von etwa 8 cm, von in etwa 6 mm, beispielsweise 5,88 mm, aufweisen. Die zur Reihenschaltung benachbarter Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten benötigte Fläche (d3) kann beispielsweise eine Höhe, insbesondere in Längsrichtung L des Tubus 11, 12, 13, von etwa 8 cm, von in etwa 4 mm, beispielsweise 3,94 mm, aufweisen. Und die elektrochemisch aktive Fläche des Funktionsschichtsystems insgesamt kann beispielsweise eine Höhe (d4), insbesondere in Längsrichtung L des Tubus 11, 12, 13, von etwa 8 cm, zum Beispiel 74,62 mm, aufweisen.
Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das in den 3a bis 3g gezeigte Funktionsschichtsystem 21–28 mittels Rundsiebdruck auf eine Hülse gedruckt, wobei die Bereiche 23 zunächst unbedruckt bleiben. In einem weiteren Verfahrensschritt werden dann zwei Isolationsschichten 24 aufgedruckt werden, wobei der in 3b mittlere unbedruckte Bereich 23 durch die eine Isolationsschicht 24 bedeckt wird und die beiden äußeren unbedruckten Bereiche 23, welche auf der Hülse in Form eines gemeinsamen unbedruckten Bereichs 23 ausgebildet sind, durch die andere Isolationsschicht 24 bedeckt werden.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei das in den 3a bis 3g gezeigte Funktionsschichtsystem 21–28 mittels Siebdruck auf eine flache Folie gedruckt, welche zu einem Hohlzylinder gebogen wird, wobei die beiden äußeren unbedruckten Bereiche 23 unter Ausbildung eines Stoßes 23 aneinander angrenzen, wobei der Stoß 23 dann, beispielsweise mittels Rundsiebdruck, mit einer Isolationsschicht 24 bedruckt wird. Der mittlere zunächst unbedruckte Bereich 23 kann dabei sowohl in der flachen als auch in der gebogenen Form der Folie mit der Isolationsschicht 24 bedruckt werden.
Im Rahmen der in den 3a bis 3g gezeigten Ausführungsform sind die Kathodenschicht 26 und die Isolationsschichten 24, bezogen auf die Hülse beziehungsweise der gebogene Folie die äußersten Schichten.
Wird eine derartige Anordnung auf einen Werkzeugkern aufgebracht, welcher in eine Kavität eines Spritzgusswerkzeugs derart einbringbar ist, dass das Funktionsschichtsystem 21–28 beabstandet zu der Innenwandung der Kavität ist, kann durch Einspritzen einer Keramikspritzgusskomponente in die Kavität ein Trägertubus 11, 12, 13 ausgebildet werden, dessen Innenseite mit dem Funktionsschichtsystem 21–28 versehen ist, wobei die Kathodenschicht 26 und die Isolationsschichten 24 an den Trägertubus 11, 12, 13 angrenzen und die Anodenschicht 21 offen liegt und vom Innenraum des Trägertubus 11, 12, 13 aus frei zugänglich ist.
Wird jedoch eine derartige Anordnung auf eine Innenwandung einer Kavität eines Spritzgusswerkzeugs aufgebracht und ein Werkzeugkern beabstandet zu dem Funktionsschichtsystem 21–28 in die Kavität eingebracht, kann durch Einspritzen einer Keramikspritzgusskomponente in die Kavität ein Trägertubus 11, 12, 13 ausgebildet werden, dessen Außenseite mit dem Funktionsschichtsystem 21–28 versehen ist, wobei die Anodenschicht 21 an den Trägertubus 11, 12, 13 angrenzt und die Kathodenschicht 26 und die Isolationsschichten 24 offen liegen und von der äußeren Umgebung des Trägertubus 11, 12, 13 aus frei zugänglich sind.
Im Fall einer umgekehrten Schichtabfolge, in der die Anodenschicht 21 auf der Elektrolytschicht 25 und die Elektrolytschicht 25 auf der Kathodenschicht 26 aufgebracht ist, wären die Anodenschicht 21 und die Isolationsschichten 24, bezogen auf die Hülse beziehungsweise der gebogene Folie, die äußersten Schichten.
Im Fall einer Aufbringung einer derartigen Anordnung auf den Werkzeugkern eines Spritzgusswerkzeugs, kann ein Trägertubus 11, 12, 13 ausgebildet werden, dessen Innenseite mit dem Funktionsschichtsystem 21–28 versehen ist, wobei die Anodenschicht 21 und die Isolationsschichten 24 an den Trägertubus 11, 12, 13 angrenzen und die Kathodenschicht 26 offen liegt und vom Innenraum des Trägertubus 11, 12, 13 aus frei zugänglich ist
Im Fall einer Aufbringung einer derartigen Anordnung auf die Kavitätsinnenwandung eines Spritzgusswerkzeugs, kann ein Trägertubus 11, 12, 13 ausgebildet werden, dessen Außenseite mit dem Funktionsschichtsystem 21–28 versehen ist, wobei die Kathodenschicht 26 an den Trägertubus 11, 12, 13 angrenzt und die Anodenschicht 21 und die Isolationsschichten 24 offen liegen und von der äußeren Umgebung des Trägertubus 11, 12, 13 aus frei zugänglich sind.

Claims

Tubulare Brennstoffzelle (10) mit einem Trägertubus (11, 12, 13), der als Träger für ein Funktionsschichtsystem (21–28) dient, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Funktionsschichten (21, 25, 26) durch mindestens einen sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereich (23) unterteilt ist, so dass mindestens zwei voneinander beabstandete Funktionsschichtabschnitte (A, B) entstehen.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei eine an den Trägertubus (11, 12, 13) zumindest teilweise angrenzende Funktionsschicht (26) und/oder eine zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht (21) durch mindestens einen sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereich (23) unterteilt ist, sodass mindestens zwei voneinander beabstandete Funktionsschichtabschnitte (A, B) entstehen.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Trägertubus (11, 12, 13) und dem sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereich (23), welcher die Funktionsschichtabschnitte (A, B) der zumindest teilweise an den Trägertubus (11, 12, 13) angrenzenden Funktionsschicht (26) beabstandet, eine gasdichte, elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch und ionisch isolierende, innere Isolationsschicht (24) ausgebildet ist, und/oder wobei der sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckende Bereich (23), welcher die Funktionsschichtabschnitte (A, B) der zumindest teilweise offen liegende Funktionsschicht (21) beabstandet, durch eine gasdichte, elektrisch isolierende, insbesondere elektrisch und ionisch isolierende, offen liegende Isolationsschicht (24) abgedeckt ist.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3, wobei sich die innere Isolationsschicht (24) und/oder die offen liegende Isolationsschicht (24) streifenförmig in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckt.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die innere Isolationsschicht (24) Randabschnitte der Funktionsschichtabschnitte (A, B) der zumindest teilweise an den Trägertubus (11, 12, 13) angrenzenden Funktionsschicht (26) überlappt, welche an den sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden, beabstandenden Bereich (23) angrenzen, und/oder wobei die offen liegende Isolationsschicht (24) Randabschnitte der Funktionsschichtabschnitte (A, B) der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht (21) überlappt, welche an den sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden. beabstandenden Bereich (23) angrenzen.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Isolationsschichtmaterial (24) ein Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit, umfasst.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zumindest teilweise an den Tubuskörper (11, 12, 13) angrenzende Funktionsschicht (26) eine Kathodenschicht und die zumindest teilweise offen liegende Schicht (21) eine Anodenschicht ist, oder wobei die zumindest teilweise an den Tubuskörper angrenzende Funktionsschicht eine Anodenschicht und die zumindest teilweise offen liegende Schicht eine Kathodenschicht ist.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unterteilung der an den Trägertubus (11, 12, 13) angrenzenden Funktionsschicht (26) und/oder der offen liegenden Funktionsschicht (21) und/oder einer, zwischen der zumindest teilweise an den Tubuskörper (11, 12, 13) angrenzenden Funktionsschicht (26) und der zumindest teilweise offen liegenden Funktionsschicht (21) ausgebildeten Zwischenfunktionsschicht (25) derart erfolgt, dass bezogen auf die Funktionsschichten (21–28) zwei Funktionsschichthalbtuben (A B) entstehen, insbesondere wobei die Funktionsschichthalbtuben (A, B) durch zwei sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckende Bereiche (23) voneinander beabstandet sind.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 8, wobei die sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereiche (23), welche die Funktionsschichthalbtuben (A, B) beabstanden, teilweise oder vollständig mit einem Isolationsschichtmaterial (24) gefüllt ist.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Stromfluss innerhalb des Funktionsschichtsystems (21–28) innerhalb eines ersten Funktionsschichthalbtubus (A) von einem offenen Ende (11) des Trägertubus (11, 12, 13) zu einem geschlossenen Ende (12) des Trägertubus (11, 12, 13) geführt wird und über den zweiten Funktionsschichthalbtubus (B) vom geschlossenen Ende (12) des Trägertubus (11, 12, 13) zurück zum geschlossenen Ende (11) des Trägertubus (11, 12, 13) geführt wird.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in dem Funktionsschichtsystem (21–28) ein elektrischer Ringleiter (21a) ausgebildet ist, welcher zwei Funktionsschichtabschnitte einer durch einen sich in Längsrichtung (L) des Trägertubus (11, 12, 13) erstreckenden Bereich unterteilten Funktionsschicht (21) elektrisch miteinander verbindet, insbesondere wobei der elektrische Ringleiter (21a) im Bereich eines geschlossenen Endes (12) des Trägertubus (11, 12, 13) ausgebildet ist.
Tubulare Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Funktionsschichtsystem (21–28) auf die Innenseite oder auf die Außenseite, insbesondere die Innenseite, des Trägertubus (11, 12, 13) aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer tubularen Brennstoffzelle (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bedrucken einer Hülse oder einer Folie mit einem Funktionsschichtsystem (21–28), welches eine Kathodenschicht (26), eine Anodenschicht (21) und eine dazwischen liegende Elektrolytschicht (25) umfasst, wobei zumindest die zuletzt gedruckte Funktionsschicht (21), insbesondere die Kathodenschicht, durch mindestens einen unbedruckten Bereich (23) unterteilt ist, so dass mindestens zwei beabstandete Funktionsschichtabschnitte (A, B) (Halbschichten) entstehen, b) Bedrucken des unbedruckten Bereichs (23) der in Verfahrensschritt b) zuletzt gedruckten Funktionsschicht (26) mit einer gasdichten oder gasdicht sinternden, elektrisch isolierenden, insbesondere elektrisch und ionisch isolierenden, Isolationsschicht (24), c) Ausbilden eines mit dem Funktionsschichtsystem (21–28) versehenen Trägertubus (11, 12, 13) mittels Keramikspritzguss, wobei die das Funktionsschichtsystem (21–28) tragende Hülse oder Folie überspritzt beziehungsweise hinterspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in Verfahrenschritt a) das Funktionsschichtsystem (21–28) derart gedruckt wird, dass die Kathodenschicht (26), die Elektrolytschicht (25) und die Anodenschicht (21) durch mindestens einen gemeinsamen unbedruckten Bereich (23) unterteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren weiterhin die Verfahrensschritte b1) und b2) umfasst: b1) Biegen der Folie zu einem Hohlzylinder, wobei zwei einander gegenüberliegende Seiten der Folie unter Ausbildung eines Stoßes (23) aneinander angrenzen, b2) Bedrucken des Stoßes (23) mit einer weiteren gasdichten oder gasdicht sinternden, elektrisch isolierenden, insbesondere elektrisch und ionisch isolierenden, Isolationsschicht (24), wobei die Verfahrensschritt b1) und b2) nach Verfahrensschritt a) erfolgen, wobei Verfahrensschritt b) vor Verfahrensschritt b1) oder vor, während oder nach Verfahrensschritt b2) erfolgt.