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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochtemperaturzellensystem, Hochtemperaturzellen und ein Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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In der Druckschrift
DE 10 2010 001 988 A1 wird die Herstellung einer einseitig geschlossenen, tubularen Hochtemperaturbrennstoffzelle (Englisch: Solide Oxide Fuel Cell, SOFC) mittels keramischem Spritzguss beschrieben. In der Druckschrift
EP 2 363 910 A2 wird eine Möglichkeit zur elektrischen Kontaktierung derartiger Zellen beschrieben.
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Die Druckschrift
US 2012/0015278 A1 beschreibt ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, in dem ein Adapter zur elektrischen Verschaltung von Zellen verwendet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hochtemperaturzellensystem, umfassend mindestens zwei tubulare Hochtemperaturzellen mit jeweils einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitten, von denen mindestens ein Endabschnitt ein hohlzylindrischer Befestigungsabschnitt ist, welcher einen polygonen Außenquerschnitt sowie in einer vom hohlzylindrischen Zwischenabschnitt abgewandten Stirnseite mindestens eine Vertiefung aufweist, welche sich von einer, an eine innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Innenkante zu einer, an einer äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstreckt. Dabei können insbesondere mindestens zwei tubularen Hochtemperaturzellen an Außenkanten, insbesondere ihrer polygonen Außenquerschnitte, aneinander anliegen oder anlegbar sein: Dabei können insbesondere mindestens zwei Vertiefungen unterschiedlicher tubularer Hochtemperaturzellen linear ineinander münden oder mündbar sein.
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Die mindestens eine Vertiefung kann sich insbesondere linear von der, an die innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden innenkante zu der an der äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstrecken. Die an die innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzende Innenkante kann dabei gebogen oder linear sein. Die an die äußere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzende Außenkante kann linear oder gebogen, insbesondere linear, sein.
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Unter einem Hochtemperaturzellensystem kann ein System verstanden werden, welches elektrochemische Hochtemperaturzellen umfasst. Unter einer Hochtemperaturzelle kann insbesondere eine bei einer hohen Temperatur, beispielsweise von ≥ 500 °C, betriebene, insbesondere keramische, elektrochemische Zelle, beispielsweise eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (Englisch: Solide Oxide Fuel Cell, SOFC) und/oder eine Hochtemperaturelektrolysezelle (Englisch: Solide Oxide Electrolysis Cell, SOEC) und/oder eine Hochtemperatur-Metall-Luft-Zelle verstanden werden. Insbesondere kann das Hochtemperaturzellensystem ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem und/oder Hochtemperaturelektrolysezellensystem und/oder Hochtemperatur-Metall-Luft-Zellen-System sein. Die tubularen Hochtemperaturzellen können insbesondere keramische, tubulare Zelle sein.
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Die Vertiefungen ermöglichen es vorteilhafterweise unterschiedliche Zellen auf einfache, kompakte und mechanisch robuste (schüttelfest) Weise miteinander elektrisch zu verschalten, indem darin ein elektrisches Kontaktelement angeordnet wird. Dadurch kann zum Einen die Montage des Systems vereinfacht werden. Zudem Anderen kann dadurch vorteilhafterweise auch die Wartung und Reparatur vereinfacht – beziehungsweise gegebenenfalls sogar erst ermöglicht – und insbesondere auch die Lebenszeit des Systems (insgesamt) verlängert werden.
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Über die Lebenszeit eines Hochtemperatursystems kann es nämlich geschehen, dass einzelne Zellen teilweise oder vollständig ausfallen, was bei einer Beibehaltung der Zellenverschaltung zu einem Leistungseinbruch führen kann. Dabei ist es insbesondere möglich, dass eine einzelne Zellen nur teilweise ausfällt, beispielsweise in dem die Zelle mehrere Stränge von in Reihe geschalteten Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten aufweist, von denen nur eine oder wenige Einheiten beziehungsweise Strang/Stränge ausgefallen sind, so dass die Zelle eigentlich mit den funktionstüchtigen Strängen weiterbetrieben werden könnte. Das erfindungsgemäße Hochtemperaturzellensystem, die erfindungsgemäße Hochtemperaturzellen und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen es vorteilhafterweise die Verschaltung der Zellen des Systems nachträglich, beispielsweise im Rahmen einer Wartung und/oder im Rahmen einer Reparatur und/oder automatisch, derart zu Modifizieren, dass die Leistung nach einem Leistungseinbruch aufgrund von einer oder mehreren teilweise oder vollständig ausgefallenen Zellen wieder angehoben wird. So kann das System vorteilhafterweise insgesamt über einen längeren Zeitraum, insbesondere mit einer akzeptablen Leistung, eingesetzt werden.
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Eine nachträgliche Modifizierung der Verschaltung kann dabei nicht nur durch eine Wartung und/oder Reparatur, sondern gegebenenfalls auch automatisch erfolgen, in dem gezielt elektrische Kontaktelemente mit dickeren und dünneren Leitungsquerschnitten verwendet werden, insbesondere so dass gezielt Alternativwege für Zellausfälle vorgegeben werden. Der Strom der zu Beginn immer den einfacheren Weg nehmen würde, würde dann im Fall eines Defektes einer Zelle einen Alternativweg wählen.
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Vorteilhafterweise können geometrische Designelemente, wie die Vertiefungen, ohne Schwierigkeiten über Keramikspritzguss (CIM-Technologie, CIM: Englisch: Ceramic Injection Molding) während der Tubusformgebung realisiert werden. Insbesondere ermöglicht Keramikspritzguss die Realisierung von, beispielsweise nutförmigen, Vertiefungen (Kerben) beispielsweise auf der Unterseite des Befestigungsabschnittes (Tubusfußes), welche die Kontaktelemente aufnehmen können.
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Unter einem hohlzylindrischen Abschnitt kann insbesondere ein Abschnitt verstanden werden, welcher von zwei parallelen Flächen (Stirnflächen) sowie von einer inneren und einer äußeren, von parallelen Geraden gebildeten Mantelfläche begrenzt wird. Unter einem hohlzylindrischen Abschnitt kann daher nicht nur ein rohrförmiger Abschnitt, sondern vielmehr ein allgemeiner Hohlzylinder verstanden. Ein allgemeiner Hohlzylinder kann daher auch ein Körper mit einen polygonen Außenquerschnitt (und damit einer in Abschnitte unterteilten äußeren Mantelfläche) und einem kreisförmigen Innenquerschnitt (und damit eine gebogene innere Mantelfläche) oder ein Körper mit einem polygonen Außenquerschnitt und einem gleichartigen oder andersartigem, polygonen Innenquerschnitt sein.
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Die hohlzylindrischen Befestigungsabschnitte können gegebenenfalls auch als Anschlussflansch beziehungsweise Tubusfuß bezeichnet werden. Der hohlzylindrischen Befestigungsabschnitte können insbesondere auch als offen ausgestaltet beziehungsweise eine in den Innenraum der tubularen Hochtemperaturzelle mündende, insbesondere durchgängige, Öffnung aufweisende Befestigungsabschnitte beschrieben werden. Die Befestigungsabschnitte können insbesondere einteilig mit dem jeweiligen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt ausgebildet sein.
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Der andere Endabschnitt kann ein Kappenabschnitt (einseitig geschlossene tubulare Zelle), insbesondere welcher den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt verschließt, oder ebenfalls ein Befestigungsabschnitt (beidseitig offene Zelle), insbesondere welcher analog beziehungsweise gegebenenfalls spiegelverkehrt zu dem anderen Befestigungsabschnitt ausgestaltet sein kann, sein. Der hohlzylindrische Zwischenabschnitt kann insbesondere mit den Funktionsschichten der Zelle ausgestattet sein.
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Die tubularen Hochtemperaturzellen können insbesondere inertgeträgerte oder elektrolytgeträgerte, tubulare Zellen sein.
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Bei einer inertgeträgerten Ausgestaltung kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt beispielsweise aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten, keramischen Trägermaterial, beispielsweise Forsterit, ausgebildet sein. Auf der Innenseite oder auf der Außenseite kann ein derartig ausgestalteter hohlzylindrischer Zwischenabschnitt mit einem Funktionsschichtsystem aus zwei Elektrodenschichten, insbesondere einer Kathodenschicht und einer Anodenschicht, und einer dazwischen ausgebildeten Elektrolytschicht ausgestattet sein. Insbesondere kann das Funktionsschichtsystem ein zweiteiliges Funktionsschichtsystem sein, beispielsweise bei dem zwei, gegebenenfalls gegenläufige, Stränge von in Reihe geschalteten Anode-Elektrolyt-Kathode-Einheiten durch einen Isolationsabschnitt, welcher sich beispielsweise in Längsrichtung erstreckt, elektrisch voneinander getrennt und/oder, beispielsweise in einem zum Kappenabschnitt benachbarten Verbindungsbereich, durch einen elektrischen Leitungsabschnitt untereinander verbunden, beispielsweise in Reihe und/oder parallel geschaltet, sind.
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Bei einer elektrolytgeträgerten Ausgestaltung kann der hohlzylindrische Zwischenabschnitt insbesondere aus einem Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet sein. Auf der Außenseite und der Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts kann dabei jeweils eine Elektrodenschicht, beispielsweise Kathodenschicht beziehungsweise Anodenschicht, aufgebracht sein.
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Der Befestigungsabschnitt und der Kappenabschnitt beziehungsweise die Befestigungsabschnitte können insbesondere aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus einem elektrisch schlecht leitenden beziehungsweise elektrisch isolierenden, keramischen Material, beispielsweise Forsterit, ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist in mindestens einem Paar von ineinander mündenden Vertiefungen ein elektrisches Kontaktelement angeordnet.
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Vorteilshafterweise können hier fertig konfektionierte Drähte, Bleche oder Metallnetze eingelegt werden. Die elektrischen Kontaktelemente können dabei gegebenenfalls lediglich über kleine Kontaktierpunkte mit den Elektroden verbunden sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist auf der Innenseite der hohlzylindrischen Zwischenabschnitte der tubularen Hochtemperaturzellen jeweils ein Funktionsschichtsystem aufgebracht. Dabei können die zu kontaktierende Funktionsschichtsystemabschnitte, beispielsweise ein zu kontaktierender Elektrodenabschnitt, insbesondere axial, an eine Vertiefung angrenzen beziehungsweise mit einer Vertiefung überlappen. Dabei kann insbesondere mindestens ein elektrisches Kontaktelement zwei Funktionsschichtsysteme unterschiedlicher tubularer Hochtemperaturzellen elektrisch leitend miteinander verbinden.
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Das mindestens eine elektrische Kontaktelement kann insbesondere metallisch sein.
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Insofern die elektrische Kontaktelemente im Bereich einer reduzierenden Gasatmosphäre, beispielsweise Brenngas-Atmosphäre, befinden, können auch diese auch aus – verglichen mit Edelmetallen – kostengünstigen, oxidationsempfindlichen Metallen, wie Nickel, ausgebildet sein. Im Rahmen einer Ausgestaltung kann daher das mindestens eine elektrische Kontaktelement Nickel umfassen oder daraus ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine elektrische Kontaktelement ein Draht, Blech oder Metallnetz. Gegebenenfalls kann das elektrische Kontaktelement ein gestanztes Blech sein.
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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform ist das mindestens eine elektrische Kontaktelement durch Eindispensen einer elektrisch leitfähigen Paste in die Vertiefung/en ausgebildet.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem elektrischen Kontaktelement und den zu kontaktierenden Funktionsschichtsystemabschnitten eine elektrisch leitfähige Paste vorgesehen.
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Insbesondere kann die elektrisch leitfähige Paste ein Anodenmaterial oder Kathodenmaterial ausbilden. Beispielsweise kann die elektrisch leitfähige Paste abhängig davon, ob der jeweilige zu kontaktierende Funktionsschichtsystemabschnitt aus einem Anodenmaterial oder Kathodenmaterial ausgebildet ist, aus einem Anodenmaterial oder Kathodenmaterial, insbesondere aus dem gleichen Material, ausgebildet sein.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist an jeder Kante, insbesondere an linearen Kante, des polygonen Außenquerschnitts eine Vertiefung ausgebildet. So kann vorteilhafterweise eine besonders große Anzahl von Verschaltungsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Außenquerschnitte sechseckig. Beispielsweise können die Außenquerschnitte dabei in Form von regelmäßigen Sechsecken ausgebildet sein. Insbesondere können dabei die Befestigungsabschnitte eine Wabenstruktur ausbilden. So kann vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise eine spaltfreie – und beispielsweise mechanisch stabile – (Gemeinschafts-)Fläche ausgebildet werden. Beispielsweise kann dabei ein Befestigungsabschnitt sechs Vertiefungen aufweisen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte zu einer spaltfreien (Gemeinschafts-)Fläche aneinander anlegbar.
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Insbesondere können die Befestigungsabschnitte der tubularen Hochtemperaturzelle zur Ausbildung von Steckverbindungen (untereinander), insbesondere Nut-Feder-Verbindungen, ausgelegt sein.
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Insbesondere können die Befestigungsabschnitte dabei zu einer zusammenhängenden Bodenplatte zusammensteckbar sein. Dabei kann vorteilhafterweise die Kontaktierung, beispielsweise der zu einer zusammenhängenden Bodenplatte zusammengesteckten tubularen Zellen beziehungsweise Befestigungsabschnitte ausschließlich auf eine Plattenseite, zum Beispiel der Plattenunterseite, erfolgen, was einen reduzierten Aufwand für das Montagehandling bedeutet.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Hochtemperaturzellensystem mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer ersten Bauform, welcher mit einer Nut ausgestattet ist und einen polygonen Außenquerschnitt aufweist, und mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer zweiten Bauform, welcher mit einer in die Nut der ersten Bauform eingreifbaren Feder ausgestattet ist und einen polygonen Außenquerschnitt aufweist. Dabei können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte insbesondere eine spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche bilden. Beispielsweise können dabei die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte, beispielsweise der ersten und zweiten Bauform, insbesondere deren Seitenflächen beziehungsweise Seitenkanten, spaltfrei aneinander anlegbar sein.
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Die spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche kann insbesondere als quasi geschlossene Fläche bezeichnet werden. Dabei kann unter einer quasi geschlossenen Fläche insbesondere verstanden werden, dass die Befestigungsabschnitte spaltfrei miteinander verbunden sind, die Befestigungsabschnitte selbst können dabei jedoch durch eine in den Innenraum der tubularen Zelle mündende Öffnung offen sein.
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Zur Ausbildung einer spaltfreien (Gemeinschafts-)Fläche können die Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform sowohl gleichartig, beispielsweise als regelmäßige Sechsecke, ausgebildet sein und beispielsweise eine homogene (Gemeinschafts-)Flächen-Struktur, beispielsweise eine Wabenstruktur (Honeycomb-Struktur), bilden als auch können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform unterschiedlich, beispielsweise als regelmäßige Sechsecke und/oder regelmäßige Fünfecke und/oder regelmäßige Dreiecke und/oder regelmäßige Vierecke und/oder regelmäßige Achtecke, ausgestaltet sein und beispielsweise eine heterogene (Gemeinschafts-)Flächen-Struktur, beispielsweise ähnlich der Oberfläche eines Fußballs beziehungsweise eines platonischen oder archimedischen Körpers, bilden.
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Gegebenenfalls kann das Hochtemperaturzellensystem weiterhin mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer weiteren, beispielsweise dritten, Bauform umfassen, welcher mit einer Nut und/oder Feder ausgestattet ist und einen polygonen Außenquerschnitt aufweist. Zum Beispiel können dabei die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte der ersten, zweiten und weiteren (dritten) Bauform, regelmäßige Dreiecke, regelmäßige Vierecke und regelmäßige Fünfecke (ähnlich der Oberfläche eines Rhombenikosidodekaeder) oder regelmäßige Vierecke, regelmäßige Sechsecke und regelmäßige Achtecke (ähnlich der Oberfläche eines abgestumpften Ikosidodekaeder) sein.
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Durch Zusammenstecken des Befestigungsabschnitts mit der Nut mit dem Befestigungsabschnitt mit der Feder kann vorteilhafterweise durch einfaches Zusammenstecken der tubularen Einzelzellen eine Verbindung der tubularen Zellen über eine Steckverbindung erzielt werden. Insbesondere können die Befestigungsabschnitte dabei zu einer zusammenhängenden Bodenplatte zusammensteckbar sein. So kann wiederum vorteilhafterweise eine zeitsparende Stackmontage realisiert werden.
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Dadurch, dass die Befestigungsabschnitte die spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche beziehungsweise quasi geschlossene Fläche ausbilden beziehungsweise die Befestigungsabschnitte zu einer zusammenhängenden Bodenplatte zusammensteckbar sind, können vorteilhafterweise der Gasraum innerhalb beziehungsweise im Innenraum der tubularen Hochtemperaturzellen von dem Gasraum außerhalb der tubularen Hochtemperaturzellen getrennt werden. Herkömmlicherweise wird hierfür eine metallische Bodenplatte verwendet, welche aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit häufig eine elektrische Kontaktierung der tubularen Zellen erschwert. Dadurch, dass die Befestigungsabschnitte der Zellen selbst eine spaltfreie beziehungsweise quasi geschlossene, insbesondere die Gasräume trennende Fläche ausbilden, welche – da die Befestigungsabschnitte insbesondere aus einem elektrisch schlecht leitenden oder elektrisch isolierenden, keramischen Material ausgebildet sein können – selbst eine geringe elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise eine hohe elektrisch isolierende Wirkung aufweisen und gegebenenfalls selbst als Bodenplatte dienen kann, kann vorteilhafterweise die elektrische Kontaktierung der Zellen und/oder die Ausgestaltung der metallische Bodenplatte vereinfacht und gegebenenfalls sogar auf die metallische Bodenplatte verzichtet werden.
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Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein Hochtemperaturzellensystem (Stack) durch eine einfache, zeitsparende und kostengünstige Verbindungstechnik zur Verfügung gestellt werden.
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Vorteilhafterweise können geometrische Designelemente, wie Nut und Feder, ohne Schwierigkeiten über Keramikspritzguss während der Tubusformgebung realisiert werden.
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Die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform und die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform können insbesondere zueinander korrespondierende Neigungen aufweisen.
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Die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform kann insbesondere in einer zur Längsachse der tubularen Hochtemperaturzellen parallelen Richtung in die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform einsteckbar sein. So kann das Hochtemperaturzellensystem vorteilhafterweise auf einfache Weise, beispielsweise kopfüber, zusammengesetzt werden.
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Die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform kann insbesondere umlaufend um einen hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle ausgebildet sein. So können vorteilhafterweise rund um den hohlzylindrischen Abschnitt tubulare Hochtemperaturzelle durch eine Nut-Feder-Verbindung angebunden werden.
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Die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform kann zumindest im Wesentlichen umlaufend um den hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle ausgebildet sein. Insbesondere kann jedoch die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform in Federabschnitte segmentiert sein. Beispielsweise können dabei die Federabschnitte an den Seitenflächen des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform ausgebildet sein. So können vorteilhafterweise mehrere Nut-Feder-Verbindungen zu unterschiedlichen, benachbarten, tubularen Hochtemperaturzellen realisiert werden. Zudem weist dies Vorteile im Hinblick auf eine später erläuterte elektrische Kontaktierung mittels elektrisch leitfähiger Schichten auf.
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Insbesondere kann der Befestigungsabschnitt der ersten Bauform einen Vorsprung aufweisen, welcher den hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle radial auswärts überragt und insbesondere am Ende der tubularen Hochtemperaturzelle beziehungsweise des Befestigungsabschnitts ausgebildet sein kann. Dabei kann die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform insbesondere auf der dem hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle zugewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein.
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Korrespondierend dazu kann auch der Befestigungsabschnitt der zweiten Bauform einen Vorsprung aufweisen, welcher einen hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle radial auswärts überragt und insbesondere in Richtung auf den hohlzylindrischen Abschnitt versetzt beziehungsweise beabstandet zu einem Ende der tubularen Hochtemperaturzelle beziehungsweise von deren Befestigungsabschnitt ausgebildet sein kann. Dabei kann die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform insbesondere auf der dem hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle abgewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein.
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Beispielsweise kann so durch die Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform eine Nut-Feder-Verbindung Feder ausgebildet werden, bei der die Nut unten und die Feder oben angeordnet ist.
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Umgekehrt dazu, ist es jedoch ebenso möglich durch die Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform eine Nut-Feder-Verbindung Feder auszubilden, bei der die Nut oben und die Feder unten angeordnet ist.
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Der Befestigungsabschnitt der ersten Bauform kann daher auch einen Vorsprung aufweisen, welcher den hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle radial auswärts überragt und insbesondere in Richtung auf den hohlzylindrischen Abschnitt versetzt beziehungsweise beabstandet zu einem Ende der tubularen Hochtemperaturzelle beziehungsweise von deren Befestigungsabschnitt ausgebildet sein kann, wobei die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform insbesondere auf der vom hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle abgewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein kann.
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Korrespondierend dazu kann der Befestigungsabschnitt der zweiten Bauform einen Vorsprung aufweisen, welcher einen hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle radial auswärts überragt und insbesondere am Ende der tubularen Hochtemperaturzelle beziehungsweise des Befestigungsabschnitts ausgebildet sein kann. Dabei kann die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform insbesondere auf der dem hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle zugewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein.
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Fügestellen zwischen den Befestigungsabschnitten können insbesondere durch Glas abgedichtet sein. Beispielsweise können die Fügestellen dabei durch eine aufgeschmolzene Glasfolie abgedichtet sein. So kann vorteilhafterweise eine elektrisch isolierende und gasdicht ausgeführte Verbindung der Zellen im Bereich des Befestigungsabschnitte beziehungsweise Anschlussflansche realisiert werden.
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Insbesondere kann mindestens eine elektrische Leitung von dem Glas abgedeckt, beispielsweise überschmolzen, sein. So kann die elektrische Leitung vorteilhafterweise vor einer Beschädigung, beispielsweise durch Korrosion in oxidierender oder reduzierender Gasatmosphäre, geschützt werden.
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Die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform und die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform können insbesondere an Flächen, welche einander in zusammengesteckter Stellung der Nut-Feder-Verbindung kontaktieren, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen sein, wobei die elektrisch leitfähige Schicht der Nut insbesondere elektrisch leitend mit einer Elektrodenschicht der tubularen Hochtemperaturzelle der ersten Bauform und die elektrisch leitfähige Schicht der Feder insbesondere elektrisch leitend mit einer Elektrodeschicht der tubularen Hochtemperaturzelle der zweiten Bauform verbunden ist. Die Nut- und Federelemente an den tubularen Zellen ermöglichen – in Kombination mit den elektrisch leitfähigen Schichten – eine sichere formschlüssige Kontaktierung mit einem geringen Übergangswiderstand (elektrische Kontaktierung) durch einfaches Zusammenstecken der Einzelzellen zu einem System (Stack) zu erzielen. Insbesondere kann so vorteilhafterweise eine Innen- und/oder Außenkontaktierung von zusammengesteckten tubularen Hochtemperaturzellen realisiert werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise tubulare Hochtemperaturzellen auf einfache Weise miteinander zu verschalten (Reihen- und/oder Parallel-Schaltung). Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein Hochtemperaturzellensystem durch eine einfache und kostengünstige Kontaktier- und Verbindungstechnik zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafterweise kann dabei auf aufwendige Kontaktierungsverfahren mittels Bonding von Drähten verzichtet werden.
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Zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht der Nut und der elektrisch leitfähigen Schicht der Feder kann eine elektrische Kontaktierungspaste vorgesehen sein. So kann vorteilhafterweise die elektrische Kontaktierung weiter verbessert werden.
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Insbesondere können die tubularen Hochtemperaturzellen Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zellen sein.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellen, dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine tubulare Hochtemperaturzelle, insbesondere Brennstoffzelle und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zelle, mit einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitten, wobei mindestens einer der Endabschnitte ein hohlzylindrischer Befestigungsabschnitt ist. Der Befestigungsabschnitt weist dabei insbesondere einen polygonen Außenquerschnitt auf. Zudem weist der Befestigungsabschnitt dabei in einer vom hohlzylindrischen Zwischenabschnitt abgewandten Stirnseite mindestens eine Vertiefung auf, welche sich von einer, an eine innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Innenkante, insbesondere linear, zu einer, an einer äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstreckt. Die mindestens eine Vertiefung kann sich insbesondere linear von der, an die innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Innenkante zu der an der äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstrecken. Die an die innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzende Innenkante kann dabei gebogen oder linear sein. Die an die äußere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzende Außenkante kann linear oder gebogen, insbesondere linear, sein.
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Der andere Endabschnitt kann beispielsweise ein Kappenabschnitt, insbesondere welcher den hohlzylindrischen Zwischenabschnitt verschließt, oder ein weiterer, insbesondere hohlzylindrischer, Befestigungsabschnitt sein, welcher beispielsweise analog beziehungsweise gegebenenfalls spiegelverkehrt zu dem anderen Befestigungsabschnitt ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann der andere Endabschnitt ein Kappenabschnitt sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform ist auf der Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts ein Funktionsschichtsystem aufgebracht. Dabei kann insbesondere ein zu kontaktierender Abschnitt des Funktionsschichtsystems, beispielsweise axial, an eine Vertiefung angrenzen beziehungsweise mit einer Vertiefung überlappen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist an jeder Kante, insbesondere an linearen Kante, des polygonen Außenquerschnitts eine Vertiefung ausgebildet.
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Der Außenquerschnitt kann beispielsweise sechseckig, zum Beispiel in Form eines regelmäßigen Sechsecks, sein. Insbesondere können dabei sechs Vertiefungen vorgesehen sein. So kann vorteilhafterweise eine Vielfalt von Verschaltungsmöglichkeiten erzielt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Befestigungsabschnitt mit einer Nut und/oder Feder ausgestattet.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellen wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystem, dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperaturzellensystems, insbesondere eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems.
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Darin werden insbesondere mindestens zwei tubulare Hochtemperaturzellen mit jeweils einem hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitten, von denen mindestens ein Endabschnitt ein hohlzylindrischer Befestigungsabschnitt ist, welcher einen polygonen Außenquerschnitt sowie in einer vom hohlzylindrischen Zwischenabschnitt abgewandten Stirnseite mindestens eine Vertiefung aufweist, welche sich von einer, an eine innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Innenkante zu einer, an einer äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstreckt, an Außenkanten, insbesondere ihrer polygonen Außenquerschnitte, aneinander angelegt werden, wobei mindestens zwei Vertiefungen unterschiedlicher tubularer Hochtemperaturzellen, insbesondere linear, ineinander münden.
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Insbesondere kann dabei in mindestens einem Paar von ineinander mündenden Vertiefungen ein elektrisches Kontaktelement angeordnet werden.
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Insbesondere kann dabei das Verfahren ein Wartungs- und/oder Reparaturverfahren sein. Dabei kann insbesondere das mindesten eine elektrische Kontaktelement in mindestens einem Paar von ineinander mündenden Vertiefungen derart angeordnet werden, dass die Verschaltung der Zellen, und insbesondere Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten beziehungsweise von Strängen aus in Reihe geschalteten Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten, derart modifiziert wird, dass ein Leistungseinbruch aufgrund von einer oder mehreren teilweise oder vollständig ausgefallenen Zellen abgeschwächt beziehungsweise die Leistung wieder angehoben wird. So kann das System vorteilhafterweise insgesamt über einen längeren Zeitraum, insbesondere mit einer akzeptablen Leistung, eingesetzt werden.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung wird das elektrische Kontaktelement in Form eines gestanzten Bleches appliziert, welches derart gestanzt ist, dass eine bestimmte Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung erzielt wird.
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Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung wird das elektrische Kontaktelement durch Eindispensen einer elektrisch leitfähigen Paste in die Vertiefung/en ausgebildet. Ein Aushärten der Paste kann dabei durch eine Temperaturbehandlung oder gegebenenfalls auch erst während des ersten Betriebes, insbesondere durch die Betriebstemperatur, erfolgen.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird zwischen dem elektrischen Kontaktelement und den zu kontaktierenden Funktionsschichtsystemabschnitten eine elektrisch leitfähige Paste aufgebracht.
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Die elektrisch leitfähige Paste kann, insbesondere abhängig davon, ob der jeweilige zu kontaktierende Funktionsschichtsystemabschnitt aus einem Anodenmaterial oder Kathodenmaterial ausgebildet ist, aus einem Anodenmaterial oder Kathodenmaterial ausgebildet sein.
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Insbesondere können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte, insbesondere durch Zusammenstecken von Befestigungsabschnitten (der ersten und zweiten Bauform), eine spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche, beispielsweise mit Wabenstruktur, bilden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer ersten Bauform, welcher mit einer Nut ausgestattet ist und einen polygonen Außenquerschnitt aufweist, und mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer zweiten Bauform, welcher mit einer, in die Nut der ersten Bauform eingreifbaren Feder ausgestattet ist und einen polygonen Außenquerschnitt aufweist, zusammengesteckt. Dabei können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte, insbesondere durch Zusammenstecken von Befestigungsabschnitten der ersten und zweiten Bauform, eine spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche bilden.
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Bei dieser Verbindungsart kann vorteilhafterweise eine stabil zusammengesteckte Einheit entstehen.
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Für die Montage können tubulare Hochtemperaturzellen der ersten Bauform beispielsweise auf Lücke gesetzt werden, in die anschließend tubulare Hochtemperaturzellen der zweiten Bauform aufgesteckt werden.
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Die Montage kann insbesondere „kopfüber“ erfolgen, so dass die Unterseite der Befestigungsabschnitte, welche beispielsweise eine Honigwaben-Struktur bilden können, gut zugänglich ist. So kann vorteilhafterweise das Abdichten vereinfacht werden.
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Das Zusammenstecken der tubularen Hochtemperaturzelle kann insbesondere mit den Befestigungsabschnitten oben und insbesondere mit hohlzylindrischen Abschnitten der Hochtemperaturzellen nach unten weisend erfolgen. Kopfüber kann das Hochtemperaturzellensystem vorteilhafterweise besonders leicht zusammengesetzt werden.
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Zur Abdichtung des zusammengesteckten Systems können sogenannte Glastapes, also Folien aus polymergebundenen Glaspulver, passgenau zugeschnitten beziehungsweise gestanzt und aufgelegt werden. Die in den Tubusinnenraum mündenden Öffnungen der Befestigungsabschnitte sollten hierbei frei belassen werden. Die Verglasung kann über einen thermischen Prozess erfolgen, wobei das Glas aufschmelzen und sich als dünne Schicht auf die Oberfläche und in die Fügestellen legen kann.
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Fügestellen zwischen den Befestigungsabschnitten können insbesondere durch Glas abgedichtet werden. Beispielsweise können die Fügestellen durch Aufschmelzen einer, insbesondere gestanzten, Glasfolie abgedichtet werden. Die Glasfolie kann dabei derart gestanzt sein, dass die Fügestellen durch die Glasfolien abdeckbar und die Öffnungen in den Befestigungsabschnitten unbedeckt sind beziehungsweise frei/offen bleiben.
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Die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform und die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform können insbesondere an Flächen, welche einander in zusammengesteckter Stellung der Nut-Feder-Verbindung kontaktieren, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen werden. Die elektrisch leitfähige Schicht der Nut kann dabei beispielsweise elektrisch leitend mit einer Elektrodenschicht der tubularen Hochtemperaturzelle der ersten Bauform und die elektrisch leitfähige Schicht der Feder elektrisch leitend mit einer Elektrodeschicht der tubularen Hochtemperaturzelle der zweiten Bauform verbunden werden.
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Das Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schichten auf die Nut und Feder kann beispielsweise mittels Tampon-, Rollen- oder Bürstendruck erfolgen. Dabei kann zum Beispiel eine elektrisch leitfähige Paste jeweils auf eine Kontaktierungslasche an einer Elektrodenschicht, auf einen Bereich zwischen der Kontaktierungslasche und der Nut beziehungsweise der Feder und auf die Nut beziehungsweise Feder aufgetragen werden. Hierdurch kann beispielsweise eine elektrische Verbindung zwischen einer innenliegenden Elektrodenschicht beziehungsweise einem innenliegenden Funktionsschichtsystem und der elektrischen Verbindung der Nut-Feder-Verbindung realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann mit dieser diese Methode auch eine außenliegende Elektrodenschicht beziehungsweise ein außenliegendes Funktionsschichtsystem über die Nut-Feder-Verbindung elektrisch kontaktiert werden.
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Zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten beziehungsweise einer Schicht eines Funktionsschichtsystems, sollte die Elektrodenschichten beziehungsweise das Funktionsschichtsystem insbesondere dahingehend modifiziert werden, dass eine Kontaktierung beispielsweise an Anode beziehungsweise Kathode möglich ist. Dies kann beispielsweise mittels Kontaktierungslaschen erfolgen, welche beispielsweise an einem zum Befestigungsabschnitt benachbarten Segment einmal für Anode und einmal für Kathode ausgebildet, beispielsweise gedruckt, werden.
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Zur zusätzlichen Reduzierung unerwünschter Kontaktwiderstände kann bei dieser Bauweise eine kleine Menge einer Kontaktierungspaste auf die Nut und/oder Feder, insbesondere auf die elektrisch leitfähige Schicht der Nut und/oder die elektrisch leitfähige Schicht der Feder, gegeben werden.
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Im Rahmen einer Ausgestaltung wird daher elektrische Kontaktierungspaste auf die Nut und/oder Feder, insbesondere auf die elektrisch leitfähige Schicht der Nut und/oder die elektrisch leitfähige Schicht der Feder, aufgetragen. Vorteilhafterweise können dabei bereits geringe Mengen an Kontaktierungspaste ausreichend sein.
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Die Kontaktierungspaste kann – beispielsweise während der ersten Inbetriebnahme – eine innige elektrisch leitende Verbindung erzeugen. Insbesondere kann vor dem Zusammenstecken der tubularen Hochtemperaturzellen, insbesondere von deren Befestigungsabschnitten, eine Kontaktierungspaste auf die Nut und/oder Feder beziehungsweise deren elektrisch leitfähige Flächen, aufgetragen werden.
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Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystem, den erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellen sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung 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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochtemperaturzelle;
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellesystems aus mehreren in 1 gezeigten tubularen Hochtemperaturzellen;
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3 eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der in 2 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems;
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4 schematische perspektivische Ansichten einer Ausführungsform einer Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt mit einer Nut gemäß einer ersten Bauform und einer Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt mit einer, in die Nut eingreifbaren Feder gemäß einer zweiten Bauform;
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5 einen schematischen Querschnittsausschnitt aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems aus tubularen Zellen, welche zu einer Nut-Feder-Verbindung zusammensteckbar sind, vor dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung;
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6 einen schematischen Querschnittsausschnitt aus der in 5 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems nach dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung;
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7 eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der zusammengesteckten Befestigungsabschnitte der in 4–6 gezeigten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystemen; und
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8 eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der zusammengesteckten Befestigungsabschnitte der in 4–7 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
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Hochtemperaturzellensystems nach dem Abdichten von Fügestellen mit Glas.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen tubulare Hochtemperaturzelle 10, 20.
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1 zeigt dass die tubulare Hochtemperaturzellen 10, 20 einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 13, 23 und zwei Endabschnitten 11, 21; 14, 24 aufweist. Dabei ist einer der Endabschnitte 11, 21 ein hohlzylindrischer Befestigungsabschnitt 11, 21. Der andere Endabschnitt 14, 24 ist dabei ein Kappenabschnitt, welcher die tubulare Hochtemperaturzelle 10, 20 und insbesondere deren hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 13, 23 verschließt. Eine derartige tubulare Hochtemperaturzelle 10, 20 kann insbesondere auch als einseitig geschlossene tubulare Hochtemperaturzelle bezeichnet werden.
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Aus Gründen der Anschaulichkeit wird die Erfindung im Folgenden anhand von einseitig geschlossenen tubularen Zellen erläutert. Die Erfindung ist jedoch analog auch auf beidseitig offene tubulare Zellen, also tubulare Zellen, die anstelle des verschließenden Kappenabschnitts zwei, insbesondere offene, Befestigungsabschnitte aufweisen, anwendbar.
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1 zeigt, dass der Befestigungsabschnitt 11, 21 in einer vom hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 13, 23 abgewandten Stirnseite mehrere Vertiefungen 11a, 21a aufweist, welche sich jeweils von einer, an eine innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts 11, 21 angrenzenden Innenkante linear zu einer, an einer äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden Außenkante erstrecken.
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3 zeigt mehrere der in 1 gezeigten tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20 in einer Draufsicht auf die Befestigungsabschnitte 11, 21, beispielsweise auf die Unterseite der Befestigungsabschnitte 11, 21. 3 veranschaulicht, dass die Befestigungsabschnitte 11, 21 einen polygonen Außenquerschnitt in Form eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen. 3 illustriert, dass in den Befestigungsabschnitten 11, 21 beispielsweise sechs Vertiefungen 11a, 21a ausgebildet sein können, welche sich jeweils von einer, an die innere Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts 11, 21 angrenzenden gebogenen Innenkante linear zu einer, an der äußeren Mantelfläche des hohlzylindrischen Befestigungsabschnitts angrenzenden linearen Außenkante erstrecken. 3 zeigt, dass insbesondere an jeder Außenkante des polygonen Außenquerschnitts eine Vertiefung 11a, 21a ausgebildet ist. 3 illustriert weiterhin, dass derartige tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20 an den Außenkanten aneinander angelegt werden können, wobei jeweils zwei Vertiefungen 11a, 21a unterschiedlicher tubularer Hochtemperaturzellen 10, 20 linear ineinander münden.
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Die tubulare Hochtemperaturzelle 10, 20 kann insbesondere eine inert geträgerte, tubulare Hochtemperaturzellen 10, 20 sein. Dabei kann insbesondere der hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 13, 23 der Zelle 10, 20 aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten, keramischen Trägermaterial, zum Beispiel Forsterit, ausgebildet sein. Der Befestigungsabschnitt 11, 21 und der Kappenabschnitt 14, 24 beziehungsweise die beiden Endabschnitte können dabei beispielsweise aus einem gasdichten, insbesondere inerten, keramischen Material, zum Beispiel Forsterit, ausgebildet sein.
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1 zeigt, dass auf der Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 13, 23 ein Funktionsschichtsystem 16, 18, 17; 26, 28, 27 aufgebracht ist. Das Funktionsschichtsystem 16, 18, 17; 26, 28, 27 kann insbesondere zwei Elektrodenschichten 16, 17; 26, 27 und eine dazwischen angeordneten Elektrolytschicht 18; 28 aufweisen, wobei die Schichten 16, 18, 17; 26, 28, 27 in 1 jedoch nicht im Detail dargestellt sind. Beispielsweise kann jedoch eine innere Elektrodenschicht 16, 26 beispielsweise eine Anodenschicht und eine äußere Elektrodenschicht 17, 27 eine Kathodenschicht, oder umgekehrt die innere Elektrodenschicht 16, 26 eine Kathodenschicht und die äußere Elektrodenschicht 17, 27 eine Anodenschicht sein.
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1 zeigt weiterhin, dass das Funktionsschichtsystem 16, 18, 17; 26, 28, 27 durch einen isolierenden Längsabschnitt I in zwei Funktionsabschnitte A,B unterteilt ist. Die Funktionsabschnitte A,B können jeweils Stränge aus in Reihe geschalteten Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten aufweisen.
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1 zeigt weiterhin, dass ein zu kontaktierender Abschnitt des Funktionsschichtsystems 16, 18, 17; 26, 28, 27 axial an die Vertiefungen 11a, 21a angrenzt beziehungsweise mit diesen 11a, 21a überlappt.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellesystems aus mehreren in 1 gezeigten tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20. In der in 2 gezeigten Ausführungsform eines Hochtemperaturzellesystems 10, 20 ist in einem Paar von ineinander mündenden Vertiefungen 11a, 21a ein elektrisches Kontaktelement 4 angeordnet. Die elektrischen Kontaktelemente 4 können beispielsweise metallische Kontaktelemente in Form von Blechen, Drähten oder Netzen sein. Gegebenenfalls kann dabei eine gewünschte Reihen- und/oder Parallelschaltung durch Applikation von zusammengesteckten Zellen 10, 20 auf ein gestanztes Blech 4 realisiert werden. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung auch durch ein Dispensen einer leitfähigen Paste 4 erfolgen. Auch hierbei würden die Vertiefungen 11a, 21a beziehungsweise Kerben im Befestigungsabschnitt 11, 21 als Führung dienen und eine beliebige Parallel- und/oder Reihenschaltung der einzelnen Zellen 10, 20 ermöglichen.
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2 veranschaulicht, dass die Kontaktelemente in die Vertiefungen 11a, 21a eingelegt und auf Überlapp mit den zu kontaktierenden Elektroden 16, 17; 26, 27 gelegt wurden, welche 16, 17; 26, 27 auf der Innenseite des hohlzylindrischen Zwischenabschnitts 13; 23 bis an den fußartigen Befestigungsabschnitt 11, 21 heruntergezogen sind, so dass eine einfache Kontaktierung der Kontaktelemente 4 mit den Elektroden 16, 17; 26, 27 – gegebenenfalls über einen Kontaktpunkt aus leitfähiger, thermisch verfestigbarer Paste aus Anoden oder Kathodenmaterial – realisiert werden kann.
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2 zeigt, dass der zu kontaktierender Abschnitt des Funktionsschichtsystems 16, 18, 17; 26, 28, 27 axial an das elektrische Kontaktelement 4 angrenzt beziehungsweise mit diesem überlappt und auf diese Weise das elektrische Kontaktelement 4 zwei Funktionsschichtsysteme 16, 18, 17; 26, 28, 27 unterschiedlicher tubularer Hochtemperaturzellen 10, 20 elektrisch leitend miteinander verbindet. In Abhängigkeit davon, welche der Schichten der Funktionsschichtsysteme 16, 18, 17; 26, 28, 27 das elektrische Kontaktelement 4 kontaktiert, kann so sowohl eine Reihenschaltung als auch eine Parallelschaltung der beiden Hochtemperaturzellen 10, 20 realisiert werden.
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Die in 3 gezeigten Befestigungsabschnitte 11, 21 können insbesondere wie im Rahmen der 4 bis 8 näher erläutert zu einer zusammenhängenden Bodenplatte zusammengesteckt sein. 3 kann beispielsweise die Unterseite der zusammengesteckten Zellen 10, 20 zeigen. 3 zeigt, dass dabei sechs rillenförmige beziehungsweise nutförmige Vertiefungen beziehungsweise Kerben 11a, 21a ausgebildet sein können, in die metallische Kontaktelemente 4 eingelegt sein können. Die Geometrie der Vertiefungen kann hierbei auf die erforderlichen Leiterquerschnitte angepasst werden.
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3 deutet an, dass durch die Kontaktelemente 4 Stränge aus Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheiten von Funktionsschichtsystemabschnitten A, B unterschiedlicher Zellen miteinander verschaltet werden können.
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4 zeigt zwei unterschiedliche Tubusformen I, II zur Realisierung einer Steckverbindung.
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4 zeigt eine erste Bauform I einer tubularen Hochtemperaturzelle 10, beispielsweise einer Hochtemperaturbrennstoffzelle und/oder Hochtemperaturelektrolysezelle, welche einen, insbesondere offenen, Befestigungsabschnitt 11 (Anschlussflansch) aufweist, der mit einer Nut 12 ausgestattet ist. 4 zeigt, dass die tubulare Hochtemperaturzelle 10 weiterhin einen hohlzylindrischen Abschnitt 13, welcher auch als hohlzylindrischer Zwischenabschnitt bezeichnet werden kann, und einen Kappenabschnitt 14 aufweist,
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4 zeigt weiterhin, dass die Nut 12 des Befestigungsabschnitts 11 der ersten Bauform I umlaufend um den hohlzylindrischen Abschnitt 13 der tubularen Hochtemperaturzelle 10 ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Befestigungsabschnitt 11 der ersten Bauform I zeigt auf der Oberseite seiner, insbesondere sechseckigen, Grundfläche eine umlaufende Nut beziehungsweise Rille 12 mit einer definierten Neigung.
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4 zeigt eine zweite Bauform II einer tubularen Hochtemperaturzelle 20, beispielsweise einer Hochtemperaturbrennstoffzelle und/oder Hochtemperaturelektrolysezelle, welche einen, insbesondere offenen, Befestigungsabschnitt 11 (Anschlussflansch) aufweist, der mit einer, in die Nut 12 der ersten Bauform I eingreifbaren Feder 22 ausgestattet ist.
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4 zeigt, dass auch diese tubulare Hochtemperaturzelle 20 weiterhin einen hohlzylindrischen Abschnitt 23, welcher auch als hohlzylindrischer Zwischenabschnitt bezeichnet werden kann, und einen Kappenabschnitt 24 aufweist, welcher die tubulare Hochtemperaturzelle 20 und insbesondere deren hohlzylindrischen Abschnitt 23 verschließt.
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4 zeigt weiterhin, dass die Feder 22 des Befestigungsabschnitts 21 der zweiten Bauform II zwar grundsätzlich ebenfalls umlaufend um den hohlzylindrischen Abschnitt 23 der tubularen Hochtemperaturzelle 20 ausgebildet ist, dabei jedoch in sechs voneinander getrennte Federabschnitte 22’ segmentiert ist. Die zweite Bauform II weist insbesondere eine segmentierte Feder 22 beziehungsweise Federsegmente 22’ auf, welche auch als ausgestellte Nasen 22’ bezeichnet werden können, die ein Negativabbild der Nut beziehungsweise Rille 12 der ersten Bauform I darstellen.
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Im Rahmen der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Befestigungsabschnitte beziehungsweise Anschlussflansche sechseckig ausgeformt, was eine spaltfreie Anordnung der Einzelzellen in Form einer Wabenstruktur ermöglicht.
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Die 5 bis 8 veranschaulichen das Prinzip der Steckverbindung zwischen tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20 unterschiedlicher Bauformen I, II. Die 5 bis 8 zeigen, dass durch die Steckverbindung eine plattenförmige Montageeinheit hergestellt werden kann, was es vorteilhafterweise ermöglicht auf eine bisher erforderliche, schwer abdichtbare Bodenplatte zu verzichten.
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Die 5 und 6 zeigen schematische Querschnittsausschnitte aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 10, 20 aus tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20, welche zu einer Nut-Feder-Verbindung zusammensteckbar sind, vor und nach dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung.
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Die 5 und 6 illustrieren, dass die Nut 12 des Befestigungsabschnitts 11 der ersten Bauform I und die Feder 22 des Befestigungsabschnitts 21 der zweiten Bauform II derart ausgebildet sein können, dass die Feder 22 des Befestigungsabschnitts 21 der zweiten Bauform II in einer zur Längsachse L der tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20 parallelen Richtung in die Nut 12 des Befestigungsabschnitts 11 der ersten Bauform I einsteckbar ist.
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Die 5 und 6 veranschaulichen insbesondere, dass der Befestigungsabschnitt 11 der ersten Bauform I einen Vorsprung aufweisen kann, welcher den hohlzylindrischen Abschnitt 13 der tubularen Hochtemperaturzelle 10 radial auswärts überragen und insbesondere am Ende der tubularen Hochtemperaturzelle 10 beziehungsweise von deren Befestigungsabschnitt 11 ausgebildet sein kann. Die 5 und 6 zeigen, dass dabei die Nut 12 des Befestigungsabschnitts 11 der ersten Bauform I auf der dem hohlzylindrischen Abschnitt 13 der tubularen Hochtemperaturzelle 10 zugewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein kann.
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Weiterhin veranschaulichen die 5 und 6, dass der Befestigungsabschnitt 21 der zweiten Bauform II ebenfalls einen Vorsprung aufweisen kann, welcher den hohlzylindrischen Abschnitt 23 der tubularen Hochtemperaturzelle 20 radial auswärts überragen und insbesondere in Richtung auf den hohlzylindrischen Abschnitt 23 versetzt und beabstandet zum Ende der tubularen Hochtemperaturzelle 20 beziehungsweise von deren Befestigungsabschnitt 21 ausgebildet sein kann. Die 5 und 6 zeigen, dass dabei die Feder 22 des Befestigungsabschnitts 21 der zweiten Bauform II auf der, dem hohlzylindrischen Abschnitt 23 der tubularen Hochtemperaturzelle 20 abgewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein kann.
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7 ist eine schematische Draufsicht auf die Befestigungsabschnitte 11, 21, beispielsweise auf die Unterseiten, von zusammengesteckten tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20. 7 veranschaulicht, dass die Befestigungsabschnitte 11, 21 der ersten I und zweiten II Bauform spaltfrei aneinander anlegbar sind, wobei die polygonen, insbesondere sechseckigen, Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte 11, 21 der ersten I und zweiten II Bauform eine spaltfreie beziehungsweise quasi geschlossene Gemeinschaftsfläche bilden. 7 zeigt, dass dabei die aneinander gelegten sechseckigen Außenquerschnitte eine Wabenstruktur beziehungsweise Honeycomb-Struktur ausbilden. 7 zeigt weiterhin, Fügestellen 2 zwischen den einzelnen Befestigungsabschnitten 11, 21. Die Abdichtung und Konsolidierung der Fügestellen 2 der zusammengesteckten Zellen 10, 20 kann – wie im Zusammenhang mit 8 näher erläutert – vorteilhafterweise über eine Glasfolie erfolgen, die in einem Prozessschritt aufgeschmolzen wird.
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8 ist eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der Befestigungsabschnitte 11, 21 der in 7 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 1 nach dem Abdichten der Fügestellen 2 mit Glas 3. 8 zeigt insbesondere verglaste Zonen 3. 8 veranschaulicht, dass die Fügestellen durch Auflegen einer gestanzten Glasfolie auf die Fügestellen und Aufschmelzen der Glasfolie 3 abgedichtet werden können. 5 illustriert, dass die Glasfolie 3 dabei derart gestanzt ist, dass die Fügestellen durch die Glasfolien abdeckbar und die Öffnungen in den Befestigungsabschnitten 11, 21 unbedeckt sind beziehungsweise frei/offen bleiben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001988 A1 [0002]
- EP 2363910 A2 [0002]
- US 2012/0015278 A1 [0003]
