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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 eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer ersten Bauform und mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle mit einem Befestigungsabschnitt einer zweiten Bauform.
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Die Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform können dabei insbesondere zur Ausbildung von, insbesondere Nut-Feder-Verbindungsartigen, Steckverbindungen (untereinander) ausgelegt sein.
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Insbesondere kann dabei der Befestigungsabschnitt der ersten Bauform mit einer Nut ausgestattet sein und einen polygonen Außenquerschnitt aufweisen. Der Befestigungsabschnitt der zweiten Bauform kann dabei insbesondere mit einer in die Nut der ersten Bauform eingreifbaren Feder ausgestattet sein und einen polygonen Außenquerschnitt aufweisen.
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Dabei kann insbesondere eine spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche durch die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte bildbar sein beziehungsweise gebildet werden. Beziehungsweise die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte können, insbesondere durch Zusammenstecken von Befestigungsabschnitten der ersten und zweiten Bauform, eine spaltfreie (Gemeinschafts-)fläche bilden.
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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 Befestigungsabschnitte können gegebenenfalls auch als Anschlussflansch beziehungsweise Tubusfuß bezeichnet werden.
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Insbesondere können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte, beispielsweise der ersten und zweiten Bauform, insbesondere deren Seitenflächen beziehungsweise Seitenkanten, spaltfrei aneinander anlegbar sein. Dabei können die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte insbesondere zu einer spaltfreien (Gemeinschafts-)Fläche aneinander anlegbar sein. Die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte können dabei zu einer spaltfreien (Gemeinschafts-)Fläche aneinander angelegt werden beziehungsweise durch Anlegen aneinander eine spaltfreie (Gemeinschafts-)Fläche bilden.
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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 verbindbar 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, können durch diese 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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Der beziehungsweise die Befestigungsabschnitte können insbesondere offen ausgestaltet sein beziehungsweise eine in den Innenraum der tubularen Hochtemperaturzelle mündende Öffnung aufweisen.
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Die tubularen Hochtemperaturzellen können insbesondere jeweils einen Befestigungsabschnitt und einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweisen. Der Befestigungsabschnitt kann dabei beispielsweise einteilig mit dem hohlzylindrischen Abschnitt ausgebildet sein. Der Befestigungsabschnitt kann dabei ein Endabschnitt der Hochtemperaturzelle sein. Der andere Endabschnitt kann ein Kappenabschnitt (einseitig geschlossene tubulare Zelle) oder ebenfalls ein Befestigungsabschnitt (beidseitig offene Zelle) sein. Der hohlzylindrische Abschnitt kann sich insbesondere zwischen den beiden Endabschnitten der Zelle erstrecken und daher insbesondere auch als hohlzylindrischer Zwischenabschnitt bezeichnet werden. Der hohlzylindrische Abschnitt kann insbesondere mit den Funktionsschichten der Zelle ausgestattet sein.
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Die tubularen Hochtemperaturzellen können insbesondere elektrolytgeträgerte oder inertgeträgerte, tubulare Zellen sein.
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Bei einer elektrolytgeträgerten Ausgestaltung kann der hohlzylindrische Abschnitt insbesondere aus einem Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet sein. Auf der Außenseite und der Innenseite des hohlzylindrischen Abschnitts kann dabei jeweils eine Elektrodenschicht, beispielsweise Kathodenschicht beziehungsweise Anodenschicht aufgebracht sein.
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Bei einer inertgeträgerten Ausgestaltung kann der hohlzylindrische Abschnitt beispielsweise aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten, keramischen Trägermaterial, beispielsweise Forsterit, ausgebildet sein. Auf der Außenseite oder auf der Innenseite kann ein derartig ausgestalteter hohlzylindrischer Abschnitt 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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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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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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Im Rahmen einer Ausführungsform weisen die Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform sechseckige Außenquerschnitte, insbesondere Außenquerschnitte in Form von regelmäßigen Sechsecken, auf. Insbesondere können dabei die Befestigungsabschnitte der ersten und zweiten Bauform beim Anlegen aneinander eine Wabenstruktur ausbilden. So kann vorteilhafterweise auf besonders einfache Weise eine spaltfreie und beispielsweise mechanisch stabile (Gemeinschafts-)Fläche ausgebildet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform in einer zur Längsachse der tubularen Hochtemperaturzellen parallelen Richtung in die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform einsteckbar. So kann das Hochtemperaturzellensystem vorteilhafterweise auf einfache Weise, beispielsweise kopfüber, zusammengesetzt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform umlaufend um einen hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle ausgebildet. 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.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform jedoch in Federabschnitte segmentiert. 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 die Vorteile im Hinblick auf eine später erläuterte elektrische Kontaktierung mittels elektrisch leitfähiger Schichten auf.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Befestigungsabschnitt der ersten Bauform einen Vorsprung auf, 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 weist der Befestigungsabschnitt der zweiten Bauform im Rahmen dieser Ausführungsform einen Vorsprung auf, 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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Im Rahmen einer anderen Ausführungsform weist daher der Befestigungsabschnitt der ersten Bauform einen Vorsprung auf, 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. Dabei kann die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform insbesondere auf der vom hohlzylindrischen Abschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle abgewandten Stirnseite des Vorsprungs ausgebildet sein.
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Korrespondierend dazu weist der Befestigungsabschnitt der zweiten Bauform im Rahmen dieser Ausführungsform einen Vorsprung auf, 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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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind Fügestellen zwischen den Befestigungsabschnitten durch Glas abgedichtet. 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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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine elektrische Leitung von dem Glas abgedeckt, beispielsweise überschmolzen. So kann die elektrische Leitung vorteilhafterweise vor einer Beschädigung, beispielsweise durch Korrosion in oxidierender oder reduzierender Gasatmosphäre, geschützt werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Nut des Befestigungsabschnitts der ersten Bauform und die Feder des Befestigungsabschnitts der zweiten Bauform an Flächen, welche einander in zusammengesteckter Stellung der Nut-Feder-Verbindung kontaktieren, mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen. Dabei kann 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 sein. Die Nutund 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 (Reihenund/oder Parallel-Schaltung). Insgesamt kann so vorteilhafterweise ein Hochtemperaturzellensystem durch eine einfache und kostengünstige Kontaktierund Verbindungstechnik zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafterweise kann dabei auf aufwendige Kontaktierungsverfahren mittels Bonding von Drähten verzichtet werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht der Nut und der elektrisch leitfähigen Schicht der Feder eine elektrische Kontaktierungspaste vorgesehen. So kann vorteilhafterweise die elektrische Kontaktierung weiter verbessert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die tubularen Hochtemperaturzellen Brennstoffzellen und/oder Elektrolysezelle und/oder Metall-Luft-Zellen.
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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 Befestigungsabschnitt, welcher einen polygonen Außenquerschnitt aufweist und mit einer Nut und/oder Feder ausgestattet ist.
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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 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, wobei die polygonen Außenquerschnitte der Befestigungsabschnitte durch das Zusammenstecken 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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Im Rahmen einer Ausführungsform erfolgt daher das Zusammenstecken der tubularen Hochtemperaturzelle mit den Befestigungsabschnitten oben und insbesondere mit hohlzylindrischen Abschnitten der Hochtemperaturzellen nach unten weisend. 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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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden Fügestellen zwischen den Befestigungsabschnitten durch Glas abgedichtet. 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. Die Kontaktierungspaste kann beispielsweise während der ersten Inbetriebnahme eine innige elektrisch leitende Verbindung erzeugen. Vor dem Zusammenstecken der tubularen Hochtemperaturzellen, insbesondere von deren Befestigungsabschnitten, kann daher eine Kontaktierungspaste auf die Nut und/oder Feder beziehungsweise deren elektrisch leitfähige Flächen, aufgetragen. Vorteilhafterweise können dabei bereits geringe Mengen an Kontaktierungspaste ausreichend sein.
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Weiterhin kann auf die elektrisch leitfähige Schicht der Nut und/oder die elektrisch leitfähige Schicht der Feder eine elektrische Kontaktierungspaste 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 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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2 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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3 einen schematischen Querschnittsausschnitt aus der in 2 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems nach dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung;
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4 eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der zusammengesteckten Befestigungsabschnitte der in 1–3 gezeigten Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystemen;
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5 eine schematische Draufsicht, beispielsweise auf die Unterseite, der zusammengesteckten Befestigungsabschnitte der in 1–4 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems nach dem Abdichten von Fügestellen mit Glas und
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6–13 schematische Querschnittsausschnitte aus weiteren Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystemen, bei denen die Nuten und Federn zum elektrischen Verschalten der tubularen Zellen untereinander mit elektrisch leitfähigen Schichten versehen sind jeweils vor und nach dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindungen.
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1 zeigt zwei unterschiedliche Tubusformen I, II zur Realisierung einer Nut-Feder-Verbindungsartigen Steckverbindung.
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1 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. 1 zeigt, dass die tubulare Hochtemperaturzelle 10 weiterhin einen hohlzylindrischen Abschnitt 13, welcher auch als hohlzylindrischer Zwischenabschnitt bezeichnet werden kann, sowie einen Kappenabschnitt 14 aufweist, welcher die tubulare Hochtemperaturzelle 10 und insbesondere deren hohlzylindrischen Abschnitt 13 verschließt. Eine derartige tubulare Hochtemperaturzelle 10 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 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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1 zeigt weiterhin 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. 1 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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1 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 dabei 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 1 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 2 bis 5 veranschaulichen das Prinzip der Steckverbindung zwischen tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20 unterschiedlicher Bauformen I, II. Die 2 bis 5 zeigen, dass durch die Steckverbindung eine plattenförmige Montageeinheit hergestellt werden kann, was es vorteilhafterweise ermöglicht auf eine bisher erforderliche, aber schwer abdichtbare Bodenplatte zu verzichten.
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Die 2 und 3 zeigen schematische Querschnittsausschnitte aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 1 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 2 und 3 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 2 und 3 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 3 und 4 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 2 und 3, 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 2 und 3 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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4 ist eine schematische Draufsicht auf die Befestigungsabschnitte 11, 21, beispielsweise auf die Unterseiten, von zusammengesteckten tubularen Hochtemperaturzellen 10, 20. 4 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. 4 zeigt, dass dabei die aneinander gelegten sechseckigen Außenquerschnitte eine Wabenstruktur beziehungsweise Honeycomb-Struktur ausbilden.
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4 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 5 näher erläutert – vorteilhafterweise über eine Glasfolie erfolgen, die in einem Prozessschritt aufgeschmolzen wird.
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5 ist eine schematische Draufsicht auf die Befestigungsabschnitte 11, 21, beispielsweise auf die Unterseite, der in 4 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 1 nach dem Abdichten von Fügestellen 2 mit Glas 3. 5 zeigt insbesondere verglaste Zonen 3. 5 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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Die 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems, dessen Hochtemperaturzellen elektrolytgeträgerte Zellen sind und bei dem die Nut 12 und Feder 22 zum elektrischen Verschalten der Zellen untereinander mit elektrisch leitfähigen Schichten 15, 16 versehen sind, jeweils vor und nach dem Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung 12, 22.
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Insbesondere zeigen die 6 und 7, dass die hohlzylindrischen Abschnitte 13, 23 der Zellen aus Elektrolytmaterial, beispielsweise dotiertem Zirkoniumoxid, ausgebildet sind und als Elektrolytschichten 28 dienen. Die 6 und 7 zeigen weiterhin, dass auf der Innenseite und der Außenseite der hohlzylindrischen Abschnitte 13, 23 jeweils eine Elektrodenschicht 16, 17; 26, 27 aufgebracht ist.
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Im Rahmen der in den 6 bis 13 gezeigten Ausführungsformen kann die innere Elektrodenschicht 16, 26 beispielsweise eine Anodenschicht und die 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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Die 6 und 7 veranschaulichen, dass die Nut 12 des Befestigungsabschnitts 11 der Zelle der ersten Bauform I und die Feder 22 des Befestigungsabschnitts 21 der Zelle der zweiten Bauform II an Flächen, welche einander in der zusammengesteckten Stellung der Nut-Feder-Verbindung kontaktieren, jeweils mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 15, 25 versehen sind.
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Im Rahmen der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Schicht 15 der Nut 12 elektrisch leitend mit der äußeren Elektrodenschicht 17, beispielsweise einer Kathodenschicht, der tubularen Hochtemperaturzelle der ersten Bauform I verbunden, wobei die elektrisch leitfähige Schicht 25 der Feder 22 elektrisch leitend mit der äußeren Elektrodenschicht 27, beispielsweise Kathodenschicht, der tubularen Hochtemperaturzelle der zweiten Bauform II verbunden ist. Durch Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung 12, 22 kontaktieren sich die beiden elektrisch leitfähigen Schichten 15, 25 gegenseitig und verbinden dadurch die äußeren Elektrodenschichten 17, 27 der beiden Hochtemperaturzellen elektrisch miteinander, so dass die beiden Hochtemperaturzellen parallel geschaltet werden.
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Die in den 8 und 9 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform, dass die elektrisch leitfähige Schicht 15 der Nut 12 elektrisch leitend mit der inneren Elektrodenschicht 16, beispielsweise einer Anodenschicht, der tubularen Hochtemperaturzelle der ersten Bauform I verbunden ist. Die elektrisch leitfähige Schicht 25 der Feder 22 ist dabei – analog zu der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform – elektrisch leitend mit der äußeren Elektrodenschicht 27, beispielsweise Kathodenschicht, der tubularen Hochtemperaturzelle der zweiten Bauform II verbunden. Durch Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung 12, 22 kontaktieren sich die beiden elektrisch leitfähigen Schichten 15, 25 gegenseitig und verbinden dadurch die innere Elektrodenschicht 16 der Hochtemperaturzelle der ersten Bauform I mit der äußeren Elektrodenschicht 27 der Hochtemperaturzellen der zweiten Bauform II elektrisch, so dass die beiden Hochtemperaturzellen in Reihe geschaltet werden.
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Die in den 10 bis 13 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von den in den 6 bis 9 gezeigten Ausführungsformen, dass die Hochtemperaturzellen keine elektrolytgeträgerten Hochtemperaturzellen, sondern inert geträgerte Hochtemperaturzellen sind und ein Funktionsschichtsystem 16, 18, 17; 26, 28, 27 aus zwei Elektrodenschichten 16, 17; 26, 27 und einer dazwischen angeordneten Elektrolytschicht 18; 28 aufweisen.
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Dabei können insbesondere die hohlzylindrischen Abschnitte 13, 23 der Zellen aus einem gasdurchlässig porösen, insbesondere inerten, keramischen Trägermaterial, zum Beispiel Forsterit, ausgebildet sein.
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Im Rahmen der in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsform sind die Funktionsschichtsysteme 16, 18, 17; 26, 28, 27 jeweils auf den Innenseiten der gasdurchlässig porösen, hohlzylindrischen Abschnitte 13, 23 aufgebracht, wobei die elektrisch leitfähige Schicht 15 der Nut 12 elektrisch leitend mit dem Funktionsschichtsystem 16, 18, 17 der tubularen Hochtemperaturzelle der ersten Bauform I und die die elektrisch leitfähige Schicht 25 der Feder 22 elektrisch leitend mit dem Funktionsschichtsystem 16, 18, 17 der tubularen Hochtemperaturzelle der zweiten Bauform II verbunden ist. Durch Zusammenstecken der Nut-Feder-Verbindung 12, 22 kontaktieren sich die beiden elektrisch leitfähigen Schichten 15, 25 gegenseitig und verbinden dadurch die Funktionsschichtsysteme 16, 18, 17 der beiden Hochtemperaturzellen elektrisch miteinander. In Abhängigkeit davon, mit welcher der Elektrodenschichten 16, 17; 26, 27 die elektrisch leitfähigen Schichten 15, 25 in den Funktionsschichtsystem 16, 18, 17; 26, 28, 27 elektrisch verbunden sind kann so sowohl eine Reihenschaltung als auch eine Parallelschaltung der beiden Hochtemperaturzellen realisiert werden.
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Die in den 12 und 13 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch von der in den 10 und 11 gezeigten Ausführungsform, dass die Funktionsschichtsysteme 16, 18, 17; 26, 28, 27 jeweils auf den Außenseiten der gasdurchlässig porösen, hohlzylindrischen Abschnitte 13, 23 aufgebracht sind.
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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]
