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Stand der Technik
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Bei einem Betrieb von Hochtemperaturbrennstoffzellen beziehungsweise Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: Solide Oxide Fuel Cell) in Hausenergieanlagen kann die Qualität und Zusammensetzung des Brennstoffs, beispielsweise von Biogas, Erdgas, etc., sowie der Umgebungsluft je nach Aufstellungsort und Anlagentyp stark variieren.
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In fast jedem Brennstoff, zum Beispiel Biogas, Erdgas etc., ist Schwefel in unterschiedlichen Mengen enthalten.
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Zudem kann bei hoher Temperatur aus siliciumdotierten Metallen und siliciumhaltigen Materialien, wie Silikonen, zum Beispiel aus Dehnungsfugen, geschmierten Metallverbindungen etc., Silicium entweichen, was dazu führen kann, dass der Brennstoff und/oder angesaugte Luft Silicium enthält.
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Geringste Mengen an Schwefel beziehungsweise Silicium können jedoch zu Vergiftungs- beziehungsweise Verglasungserscheinungen, insbesondere der Anode, der Zelle führen.
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Die Druckschrift
US 4,898,792 A beschreibt ein Gerät mit einer Vielzahl von elektrochemischen Zellen und einem Isolationsmaterial. Dabei ist das Isolationsmaterial mit einem Material imprägniert, welches ein (A) Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca-Al, Sr-Al, Ce, Ba und Mischungen davon und (A) Metallen plus Ni.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Filter für ein Energiesystem, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine mit einem Brennstoff und/oder Luft betreibbare elektrochemische Zelle, beispielsweise Brennstoffzelle, umfasst, wobei der Filter einen porösen, keramischen Filterkörper aufweist. Der Filterkörper umfasst dabei mindestens ein Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen. Dabei ist der Filterkörper derart ausgestaltet, dass er unter Ausbildung einer lösbaren, kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung in eine Brennstoffzufuhrleitung oder Luftzufuhrleitung des Systems einsetzbar ist.
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Unter Luft kann im Sinn der vorliegenden Erfindung insbesondere ein sauerstoffhaltiges Gas, also sowohl herkömmliche Luft als auch ein anderes sauerstoffhaltiges Gasgemisch oder reiner Sauerstoff, verstanden werden.
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Bei dem Brennstoff kann es sich insbesondere um einen gasförmigen Brennstoff beziehungsweise ein Brenngas, beispielsweise Biogas, Erdgas, Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan, Butan und Mischungen davon, handeln. Insbesondere kann es sich daher bei dem Filter um einen Gasfilter handeln.
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Durch den Filter können vorteilhafterweise in dem Brennstoff beziehungsweise Luft enthaltene Verunreinigungen in Form von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen entfernt werden. So können wiederum vorteilhafterweise zellschädigende Effekte, zum Beispiel in Form einer Vergiftung und/oder Verglasung von Zellbestandteilen, wie der Anode beziehungsweise der Kathode, welche zu einer Degradation der Leistung der Zelle führen können, insbesondere auf der Brennstoffseite, gegebenenfalls jedoch auch auf der Luftseite, reduziert werden.
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Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Zelle und damit auch die Nachhaltigkeit des Energiesystems zum Einen erhöht werden.
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Zum Anderen kann die Nachhaltigkeit des Energiesystems dadurch erhöht werden, dass der Filter als separates Bauteil ausgestaltet ist, dessen Filterkörper lösbar in der Zuleitung einsetzbar ist. Dies ermöglicht es nämlich den Filterkörper nach einer bestimmten Betriebsdauer und beispielsweise vor dem Erreichen einer durch ihn bindbaren Schadstoffmenge auszubauen und entweder zu reinigen und erneut einzusetzen oder einen neuen Filterkörper einzusetzen. So kann vorteilhafterweise das Energiesystem weiter betrieben werden, insbesondere ohne dabei andere, beispielsweise ansonsten noch funktionsfähige, Systembestandteile austauschen zu müssen.
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Zudem ist es möglich, filterlos konzipierte Systeme nachträglich mit dem Filter nachzurüsten.
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Insbesondere kann daher der Filter ein austauschbarer und/oder nachrüstbarer, gegebenenfalls recycelbarer beziehungsweise regenerierbarer, Verbrauchsartikel sein.
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Dass durch den Filter eine Leistungsdegradation der Zelle verhindert oder zumindest verringert werden kann, hat zudem den Vorteil, dass degradationsanfällige Zellbestandteile, wie die Anode oder gegebenenfalls Kathode, zu Beginn der Lebensdauer nicht stark überdimensioniert ausgelegt werden müssen, was zu einer Kostenreduktion führt.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nitraten, Oxiden und Aluminaten von Erdalkalimetallen, wie Magnesium, Calcium, Strontium und/oder Barium, und Kombinationen davon. Beispielsweise kann das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Nitraten, Oxiden und Aluminaten von Magnesium und/oder Calcium. Diese Materialien haben sich zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen als vorteilhaft erwiesen. Zudem sind diese Materialien relativ kostengünstig und leicht.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Nitraten, Oxiden und Aluminaten von Magnesium. Beispielsweise kann das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen Magnesiumnitrat und/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat, insbesondere Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat, sein. Diese Materialien haben sich zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Grundsätzlich ist es möglich den Filterkörper aus einem porösen keramischen Trägermaterial auszubilden, welches mit dem mindestens einen Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen imprägniert beziehungsweise beschichtet ist. Das poröse keramische Trägermaterial kann zum Beispiel durch Sintern eines, insbesondere einen Porenbildner enthaltenden, Materials hergestellt werden und beispielsweise im abgekühlten Zustand entweder in ein Tauchbad aus einer Imprägnierlösung getaucht oder mit Hilfe einer Sprüheinrichtung mit einer Imprägnierlösung besprüht werden. Insofern der Filterkörper ein Hohlkörper, beispielsweise in Form eines Hohlzylinders ist, wird die lmprägnierlösung vorzugsweise im Innenraum des Hohlkörpers aufgetragen. Vorzugsweise weist die Imprägnierlösung dabei eine ausreichend geringe Viskosität auf, um ausreichend tief in das Porengerüst des Trägermaterials eindringen zu können. Als Imprägnierlösung kann beispielsweise eine, insbesondere wässrige, Magnesiumnitratlösung eingesetzt werden. Des Weiteren kann die Imprägnierlösung organische Materialien beinhalten, welche die Wirkung verbessern und/oder zur Einstellung einer optimalen Viskosität dienen. Da beim Betrieb einer Hochtemperaturzelle Temperaturen von über 500 °C erreicht werden, können sich derartige organische Zusatzstoffe bei der Inbetriebnahme rückstandslos zersetzen.
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Im Rahmen einer speziellen Ausführungsform ist der Filterkörper jedoch aus dem mindestens einen Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass – verglichen mit einem imprägnierten beziehungsweise beschichteten porösen, keramischen Trägermaterial – eine größere Menge an Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen zur Verfügung gestellt werden kann beziehungsweise der Filterkörper dünner und damit platzsparender, leichter und mit geringeren Materialkosten ausgestaltet werden kann. Der Filterkörper kann beispielsweise aus Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist der Filterkörper durch einen Gefrierprozess, insbesondere Gefriergießen, hergestellt. Durch das Gefrieren von beispielsweise wässrigen keramischen Suspensionen können vorteilhafterweise hochporöse, dreidimensional komplex geformte Bauteile, insbesondere mit einer gerichteten Porenstruktur, zum Beispiel aus Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat, hergestellt werden. Dabei kann zum Beispiel eine wässrige keramische Suspension auf eine gekühlte Platte, zum Beispiel mit einer Temperatur in einem Bereich von –10 °C bis –50 °C, gegossen werden. An der Platte können Eiskristalle keimen, welche dann im Temperaturgradienten der Lösung langsam beispielsweise von unten nach oben wachsen können. Dabei können die keramischen Partikel zwischen entstehenden Eislamellen separiert werden. Durch Sublimation des Eises kann dann eine hoch poröse keramische Struktur, insbesondere mit einer gerichteten Porosität, erhalten werden. Um die Festigkeit der Struktur zu erhöhen, kann eine Temperung angeschlossen werden. Durch die hochporöse und insbesondere gerichtete Struktur kann vorteilhafterweise ein Filter mit einem geringen Strömungswiderstand bereitgestellt und ein Druckabfall verringert oder vermieden werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Filterkörper eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Insbesondere kann der Filterkörper dabei derart ausgestaltet sein, dass in einer in die Zufuhrleitung eingesetzten Stellung eine äußere Mantelfläche des Filterkörpers an einer inneren Mantelfläche der Zufuhrleitung anliegt. Beispielsweise kann der Filterkörper in Form eines Zylinders, zum Beispiel Vollzylinders, oder eines Hohlzylinders ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der Filterkörper in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, welcher mindestens eine Stützstruktur aufweist, welche sich durch den Innenraum des Hohlzylinders erstreckt. Insbesondere kann der Hohlzylinder eine Vielzahl von Stützstrukturen aufweisen, welche sich durch den Innenraum des Hohlzylinders erstrecken. Die Stützstrukturen können dabei insbesondere – ebenso wie der hohlzylinderförmige Abschnitt – das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen umfassen. Dabei können die Stützstrukturen insbesondere ebenfalls aus einem porösen keramischen Material ausgebildet sein, bei dem es sich entweder um ein Trägermaterial oder insbesondere um das mindestens eine Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen handeln kann. Damit können die Stützstrukturen nicht nur zur Stützung, sondern auch zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen dienen und beispielsweise als Stütz- und Filterstrukturen bezeichnet werden.
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Grundsätzlich kann der Filter auch zur Reinigung von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Wie bereist erläutert, kann es sich bei dem Filter jedoch insbesondere um einen Gasfilter handeln.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei der Filterkörper in eine Gaszuführlanze, insbesondere einer tubularen Zelle, und/oder einen Wärmetauscher einsetzbar. Beispielsweise kann der Filterkörper als eine Art Inlet in die Gaszuführlanze eingebaut werden und auf diese Weise Verunreinigungen aus dem durch die Lanze geleiteten Gas, beispielsweise Brenngas, filtern.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Filters wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Energiesystem und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie mit den Zeichnungen verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Energiesystem, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine mit einem Brennstoff und/oder Luft betreibbare elektrochemische Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, mindestens eine Brennstoff- oder Luftzufuhrleitung und mindestens einen erfindungsgemäßen Filter umfasst. Der Filter kann dabei insbesondere unter Ausbildung einer lösbaren, kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung in die Zufuhrleitung einsetzbar oder eingesetzt sein.
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Bei der mindestens einen Zelle kann es sich insbesondere um eine tubulare Zelle, insbesondere Brennstoffzelle, handeln. Beispielsweise kann die tubulare Zelle eine einseitig geschlossene oder beidseitig offene tubulare Zelle sein. Die Zelle kann dabei zum Beispiel segmentierte Funktionsschichten aufweisen, welche beispielsweise eine Vielzahl von miteinander seriell und/oder parallel verschalteten Kathode-Elektrolyt-Anode-Einheiten ausbilden.
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Grundsätzlich kann der Filter sowohl in einer Brennstoffzufuhrleitung als auch in einer Luftzufuhrleitung einsetzbar beziehungsweise eingesetzt sein. Dabei kann sowohl ein als auch zwei oder mehr erfindungsgemäße Filter verwendet werden, wobei zum Beispiel ein erfindungsgemäßer Filter in einer Brennstoffzufuhrleitung, insbesondere Brenngaszufuhrleitung, und/oder ein erfindungsgemäßer Filter in einer Luftzufuhrleitung einsetzbar beziehungsweise eingesetzt ist.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist (zumindest) in einer Brenngaszufuhrleitung ein erfindungsgemäßer Filter einsetzbar oder eingesetzt.
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Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist die Zufuhrleitung, in welche der Filter einsetzbar beziehungsweise eingesetzt ist, eine Gaszuführlanze, insbesondere eine in den Innenraum einer tubularen Zelle einführbare beziehungsweise eingeführte Gaszuführlanze.
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Im Rahmen einer anderen speziellen Ausgestaltung ist die Zufuhrleitung, in welche der Filter einsetzbar beziehungsweise eingesetzt ist, ein Wärmetauscher.
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Das Energiesystem kann beispielsweise eine Energiespeicher- und/oder – wandleranlage, beispielsweise eine kraftwärmegekoppelte Energiespeicher- und/oder -wandleranlage, sein.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Systems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Filter und der erfindungsgemäßen Verwendung sowie mit den Zeichnungen verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Filters als austauschbarer und/oder nachrüstbarer Verbrauchsartikel beziehungsweise zum (Wieder-)Instandsetzen und/oder Nachrüsten eines Systems, welches mindestens eine mit einem Brenngas und/oder einem sauerstoffhaltigen Gas betreibbare elektrochemische Zelle umfasst.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Filter und System sowie mit den Zeichnungen verwiesen.
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Zeichnungen
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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
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine tubulare Zelle mit einer Gaszuführlanze, in die eine ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters eingesetzt ist;
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine tubulare Zelle mit einer Gaszuführlanze, in die eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters eingesetzt ist;
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine tubulare Zelle mit einer Gaszuführlanze, in die eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters eingesetzt ist; und
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4 einen schematischen Querschnitt durch eine tubulare Zelle mit einer Gaszuführlanze, in die eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters eingesetzt ist.
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Die 1 bis 4 zeigen Energiesysteme 10 mit einseitig geschlossenen, tubularen elektrochemischen Zellen 11, beispielsweise Brennstoffzellen. Die 1 bis 4 veranschaulichen, dass dabei die tubularen Zellen 11 einen beispielsweise mit Luft A gefüllten Gasraum außerhalb der Zelle 11 von einem beispielsweise mit einem Brenngas B gefüllten Gasraum innerhalb der Zelle 11 trennen. Die 1 bis 4 illustrieren, dass dabei jeweils eine Gaszuführlanze 12 in einen Zellinnenraum eingeführt ist, durch welche dem Zellinnenraum das Brenngas B zuführbar ist. Die 1 bis 4 zeigen weiterhin, dass die Zellen 11 auf einer Bodenplatte 13 befestigt sind, auf welcher insbesondere nicht nur eine, sondern insbesondere eine Vielzahl von derartigen tubularen Zellen 11 befestigt sein können.
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Die 1 bis 4 veranschaulichen, dass in die Gaszuführlanzen 12 jeweils ein Gasfilter 1 mit einem porösen, keramischen Filterkörper 2 unter Ausbildung einer lösbaren, kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung eingesetzt ist, welcher 2 mindestens ein Material zur Bindung von Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen umfasst. Bei dem Bindungsmaterial kann es sich zum Beispiel um Magnesiumnitrat und/oder Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat handeln. Insbesondere kann dabei der Filterkörper 2 aus dem Bindungsmaterial, zum Beispiel Magnesiumoxid und/oder Magnesiumaluminat, zum Beispiel durch einen Gefrierprozess, ausgebildet sein. So kann der Filterkörper 2 vorteilhafterweise mit einer großen Menge an aktivem Bindungsmaterial ausgestattet sein.
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Die 1 bis 4 zeigen, dass die Filterkörper 2 jeweils eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen und derart ausgestaltet sind, dass in der in die Zufuhrleitung 12 eingesetzten Stellung eine äußere Mantelfläche 2a des Filterkörpers 2 an einer inneren Mantelfläche 12i der Zufuhrleitung beziehungsweise Gaszuführlanze 12 anliegt. Auf diese Weise kann eine lösbare kraftschlüssige Verbindung erzielt werden, welche es ermöglicht den Filter 1 als austauschbaren und/oder nachrüstbaren Verbrauchsartikel einzusetzen.
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Im Rahmen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist der Filterkörper 2 in Form eines Vollzylinders ausgebildet. 1 veranschaulicht, dass dabei das Brenngas B durch die Poren des Filterkörpers 2 strömt, wobei Silizium und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder deren Verbindungen von dem darin enthaltenen Bindungsmaterial gebunden und damit aus dem Brenngas gefiltert werden können. Durch eine Ausgestaltung des Filterkörpers 2 in Form eines porösen Vollzylinders kann vorteilhafterweise ein besonders wirkungsvoller Filtereffekt erzielt werden.
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Im Rahmen der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist der Filterkörper 2 in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. 2 veranschaulicht, dass dabei das Brenngas B durch den Hohlraum des Hohlzylinders strömt und dabei über und teilweise auch durch das Bindungsmaterial enthaltende poröse keramische Material des Filterkörpers 2 geleitet wird. Durch eine Ausgestaltung des Filterkörpers 2 in Form eines porösen Hohlzylinders kann vorteilhafterweise ein geringer Strömungswiderstand erzielt werden.
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Im Rahmen der in 3 gezeigten dritten Ausführungsform ist der Filterkörper 2 in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, welcher Stützstrukturen 2b aufweist, die 2b sich durch den Innenraum des Hohlzylinders erstrecken. Dabei sind sowohl der hohlzylinderförmige Abschnitt als auch die Stützstrukturen 2b aus einem das Bindungsmaterial enthaltenden, porösen keramischen Material ausgebildet. Durch eine derartige Ausgestaltung des Filterkörpers 2 kann vorteilhafterweise sowohl ein besonders wirkungsvoller Filtereffekt als auch ein geringer Strömungswiderstand erzielt werden.
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Im Rahmen der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen kann die lösbare Verbindung zwischen dem Filterkörper 2 und der Gaszuführlanze 12 im Wesentlichen auf einem Kraftschluss zwischen der äußeren Mantelfläche 2a des Filterkörpers 2 und der inneren Mantelfläche 12i der Gaszuführlanze 12 beruhen.
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Im Rahmen der in 4 gezeigten Ausführungsform beruht die lösbare Verbindung zwischen dem Filterkörper 2 und der Gaszuführlanze 12 neben dem Kraftschluss zwischen der äußeren Mantelfläche 2a des Filterkörpers 2 und der inneren Mantelfläche 12i der Gaszuführlanze 12 auf einem Formschluss zwischen einem an einem Endabschnitt des Filterkörpers 2 ausgebildeten Vorsprung 2c und einer Stirnseite der Gaszuführlanze 12. So kann vorteilhafterweise eine besonders exakte Positionierung des Filter 1 in der Gaszuführlanze 12 bewirkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4898792 A [0005]
- EP 1038575 B1 [0006]
