DE102013212417A1

DE102013212417A1 - MIM-Hochtemperaturzellenanbindung

Info

Publication number: DE102013212417A1
Application number: DE102013212417.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schulze; Armin Schuelke; Arne Huber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochtemperaturzellensystem (10), insbesondere ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, welches eine metallische Bodenplatte (20) mit mindestens einer durchgängigen Aussparung (21) zur Befestigung einer tubularen Hochtemperaturzelle (30) sowie mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle (30) umfasst. Um die Befestigung der tubularen Hochtemperaturzelle (30) zu vereinfachen, umfasst das Hochtemperaturzellensystem (10) weiterhin mindestens ein Verbindungselement (40) zur Verbindung einer tubularen Hochtemperaturzelle (30) mit der metallischen Bodenplatte (20), welches (40) einen durch Metallspritzguss ausgebildeten Metallspritzgussabschnitt (41) aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hochtemperaturzellensystems (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochtemperaturzellensystem, insbesondere ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen (Englisch: Solide Oxide Fuel Cell, SOFC) werden hohe Anforderungen an die Abdichtungsqualität und Stabilität gestellt. Typischerweise werden in planaren und tubularen Brennstoffzellen Glaskeramiken verwendet, um keramische Bauteile gasdicht mit metallischen Bauteilen zu verbinden. Diese Glaslotdichtungen interagieren jedoch chemisch mit den metallischen Bauteilen, so dass diese auf Dauer spröde und undicht werden können.
Tubulare Hochtemperaturzellen können über eine spezielle Konstruktion des Fußes der Zelle auf einer klammerartig ausgestalteten, metallischen Bodenplatte mit Hilfe von Dichtringen abgedichtet werden. Als Dichtringe können dabei metallische Dichtringe eingesetzt werden. Der Aufwand für die Konstruktion des Zellfußes und der metallischen Bodenplatte ist dabei jedoch ebenso wie der Montageaufwand relativ hoch.
Die Druckschrift EP 1 079 453 B1 beschreibt eine Dichtungsanordnung für eine rohrförmige Brennstoffzelle.
Die Druckschrift EP 1 624 521 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Festoxid-Brennstoffzellenmoduls.
Die Druckschrift DE 10 2007 024 227 A1 beschreibt ein planares Hochtemperaturbrennstoffzellenmodul, bei dem zumindest ein Gehäuseteil pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Hochtemperaturzellensystem, umfassend eine metallische Bodenplatte mit mindestens einer durchgängigen Aussparung zur Befestigung einer tubularen Hochtemperaturzelle, mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle und mindestens ein Verbindungselement zur Verbindung einer tubularen Hochtemperaturzelle mit der metallischen Bodenplatte, wobei das mindestens eine Verbindungselement einen durch Metallspritzguss ausgebildeten Metallspritzgussabschnitt aufweist.
Unter einem Hochtemperaturzellensystem kann insbesondere 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) verstanden werden. Insbesondere kann das Hochtemperaturzellensystem ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem sein. Die tubulare Hochtemperaturzelle kann beispielsweise eine keramische, tubulare Zelle, insbesondere eine tubulare Hochtemperaturbrennstoffzelle, sein.
Metallspritzguss (MIM), welcher auch als metallischer Spritzguss beziehungsweise Metallpulver-Spritzgießen bezeichnet werden kann (Englisch: Metal Injection Moulding, MIM), ermöglicht – analog zum Kunststoffspritzguss – das Spritzgießen von metallischen Werkstoffen. Dabei kann vorteilhafterweise in nur einem Arbeitsschritt beziehungsweise in nur wenigen Arbeitsschritten, insbesondere beim Füllen einer Spritzform, einem Bauteil seine endgültige Geometrie gegeben werden. Zudem kann diese Geometrie vorteilhafterweise fast beliebig komplex sein. Metallspritzguss (MIM) ist ein pulvermetallurgisches Verfahren, bei dem kein massiver Metallkörper, sondern, insbesondere feines, Pulver als Ausgangsmaterial für das herzustellende Bauteil verwendet wird. Dieses Pulver wird mit einem kunststoffhaltigen Binder vermischt und zu einem so genannten Feedstock geknetet. Der Feedstock wird unter hohem Druck auf einer Spritzgießmaschine in die Spritzform (Werkzeug) gepresst. Das entstehende Grünteil kann bereits die Endgeometrie aufweisen, wird aber in folgenden Schritten wieder vom Binder befreit, um ein reines Metallteil zu erhalten. Über einer Sinterung, kann das Bauteil schließlich verfestigt werden.
Dadurch, dass das Verbindungselement zum Verbinden der tubularen Hochtemperaturzelle mit der metallischen Bodenplatte einen durch Metallspritzguss ausgebildeten Metallspritzgussabschnitt aufweist, kann vorteilhafterweise eine optimale, gasdichte Anbindung der, insbesondere keramischen, Zelle an der metallischen Bodenplatte realisiert werden.
Insbesondere kann dabei durch das Verbindungselement sowohl eine Fixierung als auch eine Abdichtung der Zelle realisiert werden. Dabei kann der Metallspritzgussabschnitt insbesondere direkt an die Zelle oder an die Bodenplatte angespritzt werden, wobei durch das Anspritzen bereits eine Verbindung des Metallspritzgussabschnitts mit der Zelle beziehungsweise der Bodenplatten ausgebildet wird. Vorteilhafterweise ist beim Metallspritzguss sowohl ein Anspritzen an keramischen Bauteilen, wie Hochtemperaturzellen, als auch an metallischen Bauteilen, wie Metallplatten, möglich.
Zudem ermöglicht der Metallspritzgussabschnitt das Verbindungselement durch eine Schweißverbindung mit einem metallischen Bauteil zu verbinden.
Insgesamt können durch den Metallspritzgussabschnitt des Verbindungselements vorteilhafterweise zwei unterschiedliche Verbindungsarten realisiert werden.
Der Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselementes ist vorzugsweise aus demselben oder einem ähnlichen Metall beziehungsweise aus derselben oder einer ähnlichen Metalllegierung wie die metallische Bodenplatte ausgebildet. Zum Beispiel können der Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselementes und die metallische Bodenplatte aus ferritischem Hochtemperatur-Edelstahl und/oder Al₂O₃-bildendem Stahl, beispielsweise Crofer APU22 und/oder Crofer APU22h und/oder Nicrofer der Firma Thyssen-Krupp, Deutschland, ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise eine ähnliche Wärmedehnung realisiert und Eigenspannungen im Betrieb minimiert werden. Darüber hinaus kann sich dies vorteilhaft auf die Schweißbarkeit zwischen der metallischen Bodenplatte und dem Metallspritzgussabschnitt beziehungsweise der Hülse auswirken.
Bei der mindestens einen tubulare Hochtemperaturzelle kann es sich sowohl um eine geschlossene (einseitig geschlossene) als auch um eine offene (beidseitig offene) tubulare Zelle handeln. Insbesondere kann die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt und zwei Endabschnitte aufweisen. Bei einer geschlossenen Ausgestaltung kann insbesondere einer der Endabschnitte ein, insbesondere offener, Befestigungsabschnitt und der andere Endabschnitt eine geschlossene Kappe sein. Bei einer beidseitig offenen Ausgestaltung können beiden Endabschnitte, insbesondere offene, Befestigungsabschnitte sein. Der Zwischenabschnitt kann dabei insbesondere ein Funktionsschichtsystem umfassen. Das Funktionsschichtsystem kann dabei insbesondere segmentierte Funktionsschichten, wie Anodenschicht, Kathodenschicht und dazwischen angeordnete Elektrolytschicht, umfassen.
Die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle kann insbesondere mit dem Befestigungsabschnitt (Fuß) über das Verbindungselement an der metallischen Bodenplatte fixiert sein. Die Oberfläche des Befestigungsabschnitts kann dabei im Kontaktbereich zu dem Verbindungselement eine Oberflächenstrukturierung, zum Beispiel Gitter, Linien, et cetera, aufweisen und/oder porös ausgestaltet sein. So kann vorteilhafterweise die Verbindung zwischen der tubularen Hochtemperaturzelle und dem Verbindungselement verstärkt werden.
Die metallische Bodenplatte kann dabei insbesondere einen Gasraum innerhalb der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle von einem Gasraum außerhalb der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle trennen. Beispielsweise kann die metallische Bodenplatte Brenngas und Luft voneinander trennen. Das Brenngas kann dabei zum Beispiel in dem Gasraum innerhalb der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle und die Luft in dem Gasraum außerhalb der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle sein. Durch das Verbindungselement kann die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle vorteilhafterweise sowohl mechanisch stabil als auch gasdicht mit der metallischen Bodenplatte verbunden werden. Durch eine Sicherstellung der Gasdichtigkeit kann dabei wiederum vorteilhafterweise eine hohe Gesamteffizienz der Hochtemperaturzelle erzielt werden.
Die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle kann insbesondere zumindest teilweise durch Keramikspritzguss ausgebildet sein. Insbesondere kann zumindest der Befestigungsabschnitt der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle durch Keramikspritzguss ausgebildet sein.
Keramikspritzguss (CIM) (Englisch: Ceramic Injection Moulding, CIM), ermöglicht – analog zum Kunststoffspritzguss – das Spritzgießen von keramischen Werkstoffen. Keramikspritzguss hat ebenfalls den Vorteil, dass in nur einem Arbeitsschritt beziehungsweise in nur wenigen Arbeitsschritten, insbesondere beim Füllen einer Spritzform, einem Bauteil seine endgültige Geometrie gegeben werden kann, wobei die Geometrie ebenfalls fast beliebig komplex sein kann. Beim Keramikspritzguss (CIM) kann ein, insbesondere feines, Keramikpulver als Ausgangsmaterial für das herzustellende Bauteil verwendet werden, welches mit einem kunststoffhaltigen Binder vermischt und zu einem so genannten Feedstock geknetet werden kann. Der Feedstock wird unter hohem Druck auf einer Spritzgießmaschine in die Spritzform (Werkzeug) gepresst. Das entstehende Grünteil kann bereits die Endgeometrie aufweisen, wird aber in folgenden Schritten wieder vom Binder befreit, um ein reines Keramikteil zu erhalten. Über einer Sinterung kann das Bauteil schließlich verfestigt werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform ist die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle über den Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselementes mit der metallischen Bodenplatte verbindbar oder verbunden.
Die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle kann sowohl direkt als auch indirekt mit dem Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselementes verbindbar oder verbunden sein.
Im Rahmen einer Ausgestaltung, insbesondere welche durch gemeinsames Sintern der Zelle und des Verbindungselements hergestellt werden kann, ist die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle direkt mit dem Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements verbindbar oder verbunden. Insbesondere kann dabei der Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements an die tubulare Hochtemperaturzelle angespritzt sein. Da die tubulare Hochtemperaturzelle insbesondere selbst durch Keramikspritzguss ausgebildet sein kann, können so Metallspritzguss (MIM-Technologie) und Keramikspritzguss (CIM-Technologie) auf besonders vorteilhafte Weise miteinander kombiniert und eine MIM-CIM-Hochtemperaturzellenabdichtung realisiert werden. Der Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements kann zusätzlich über eine Schweißverbindung mit der metallischen Bodenplatte verbunden werden.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung, insbesondere welche durch getrenntes Sintern der Zelle und des Verbindungselementes hergestellt werden kann, ist die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle über eine Glaslotdichtung und einen Keramikspritzgussabschnitt beziehungsweise eine Keramikspritzgussbeschichtung mit dem Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements verbindbar oder verbunden. Da der Keramikspritzgussabschnitt beziehungsweise die Keramikspritzgussbeschichtung dabei insbesondere durch Keramikspritzguss ausgebildet sein kann, können so ebenfalls Metallspritzguss (MIM-Technologie) und Keramikspritzguss (CIM-Technologie) auf besonders vorteilhafte Weise miteinander kombiniert und eine MIM-CIM-Hochtemperaturzellenabdichtung realisiert werden. Zudem hat sich vorteilhafterweise herausgestellt, dass Glaslotdichtungen bei vollkeramischen Konzepten, insbesondere bei denen Keramik gegenüber Keramik durch die Glaslotdichtung abgedichtet wird, dauerhaft stabil sind, was bei einer Verbindung einer keramischen tubularen Hochtemperaturzelle über eine Glaslotdichtung an den Keramikspritzgussabschnitt beziehungsweise die Keramikspritzgussbeschichtung gegeben ist. Der Keramikspritzgussabschnitt beziehungsweise die Keramikspritzgussbeschichtung kann dabei wiederum an den Metallspritzgussabschnitt und gegebenenfalls der Metallspritzgussabschnitt wiederum an einen metallischen Körper, beispielsweise die metallische Bodenplatte beziehungsweise einen metallischen Hülsengrundkörper, angespritzt sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind daher der Metallspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselementes und die metallische Bodenplatte durch mindestens eine Schweißverbindung miteinander verbindbar oder verbunden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist daher das mindestens eine Verbindungselement weiterhin einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten Keramikspritzgussabschnitt auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist daher die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten Befestigungsabschnitt auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist daher zwischen dem Keramikspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements und dem durch Keramikspritzguss ausgebildeten Befestigungsabschnitt der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle eine Glaslotdichtung vorgesehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Befestigungsabschnitt der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle einen hohlzylindrischen Abschnitt auf. Gegebenenfalls kann der Befestigungsabschnitt der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle weiterhin einen radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, aufweisen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Verbindungselement in Form einer Hülse und/oder Beschichtung ausgebildet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Verbindungselement in Form einer Hülse ausgebildet, insbesondere welche einen hohlzylindrischen Abschnitt mit einem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, aufweist. Der hohlzylindrische Befestigungsabschnitt der tubularen Hochtemperaturzelle kann dabei insbesondere in den hohlzylindrischen Abschnitt der Hülse einsteckbar beziehungsweise eingesteckt sein. Der hohlzylindrische Abschnitt der Hülse kann dabei wiederum durch eine durchgängige Aussparung in der metallischen Bodenplatte durchsteckbar beziehungsweise durchgesteckt sein. Dabei kann der radial auswärts vergrößerte Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, der Hülse insbesondere unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung an den die durchgängige Aussparung umgebenden Abschnitt der metallischen Bodenplatte anlegbar beziehungsweise angelegt sein und/oder der die durchgängige Aussparung umgebende Abschnitt der metallischen Bodenplatte kann dabei den radial auswärts vergrößerte Abschnitt der Hülse sperren.
Im Rahmen einer Ausgestaltung dieser Ausführungsform bildet der Metallspritzgussabschnitt die Außenwandung des hohlzylindrischen Abschnitts der Hülse und den radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, der Hülse aus. Gegebenenfalls kann dabei der Keramikspritzgussabschnitt die Innenwandung des hohlzylindrischen Abschnitts der Hülse ausbilden.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist die Hülse einen metallischen Hülsengrundkörper, insbesondere mit einem hohlzylindrischen Abschnitt und einem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, auf. Auf der Innenwandung des metallischen Hülsengrundkörpers, insbesondere des hohlzylindrischen Abschnitts des metallischen Hülsengrundkörpers, ist dabei eine Metallspritzgussbeschichtung aufgebracht. Auf der Metallspritzgussbeschichtung kann dabei insbesondere eine Keramikspritzgussbeschichtung aufgebracht sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform – insbesondere im Rahmen derer das mindestens eine Verbindungselement in Form einer Hülse ausgebildet ist – ist die Glaslotdichtung zwischen dem hohlzylindrischen Abschnitt des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle und dem Keramikspritzgussabschnitt des mindestens einen Verbindungselements vorgesehen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform – insbesondere im Rahmen derer das mindestens eine Verbindungselement in Form einer (mehrlagigen) Beschichtung ausgebildet ist – ist der hohlzylindrische Abschnitt des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle durch eine durchgängige Aussparung in der metallischen Bodenplatte durchsteckbar beziehungsweise durchgesteckt. Dabei kann der die durchgängige Aussparung umgebende Abschnitt der metallischen Bodenplatte den radial auswärts vergrößerte Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle sperren und/oder der radial auswärts vergrößerte Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung an den die durchgängige Aussparung umgebenden Abschnitt der metallischen Bodenplatte anlegbar beziehungsweise angelegt sein. Das mindestens eine Verbindungselement kann dabei insbesondere in Form einer Beschichtung auf der dem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle zugewandten Seite des die durchgängige Aussparung umgebenden Abschnitts der metallischen Bodenplatte ausgebildet sein. Dabei kann auf der metallischen Bodenplatte insbesondere eine Metallspritzgussbeschichtung und auf der Metallspritzgussbeschichtung eine Keramikspritzgussbeschichtung aufgebracht sein. Die Glaslotdichtung kann dabei insbesondere zwischen dem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, des Befestigungsabschnitts der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle und der Keramikspritzgussbeschichtung vorgesehen sein.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind eine erfindungsgemäß ausgestaltete tubulare Hochtemperaturzelle; ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Verbindungselement, insbesondere zur Anbindung und/oder Fixierung und/oder Abdichtung einer tubularen Hochtemperaturzelle, beispielsweise in Form einer Hülse; und eine erfindungsgemäß ausgestaltete metallische Bodenplatte, insbesondere zur Anbindung und/oder Fixierung und/oder Abdichtung einer tubularen Hochtemperaturzelle, insbesondere mit mindestens einer durchgängigen Aussparung, wobei auf einem die durchgängige Aussparung umgebenden Abschnitts der metallischen Bodenplatte eine Metallspritzgussbeschichtung aufgebracht ist, gegebenenfalls wobei auf der Metallspritzgussbeschichtung eine Keramikspritzgussbeschichtung aufgebracht ist.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems, der erfindungsgemäßen Hochtemperaturzelle, des erfindungsgemäßen Verbindungselements und der erfindungsgemäßen Bodenplatte wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Energiesystem, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems.
Im Rahmen des Verfahren wird eine tubulare Hochtemperaturzelle, beispielsweise eine tubulare Brennstoffzelle, mittels Keramikspritzgießens und ein Verbindungselement mittels Metallspritzgießens ausgebildet.
Im Rahmen des Verfahrens wird weiterhin die tubulare Hochtemperaturzelle mit dem Verbindungselement und das Verbindungselement mit einer metallischen Bodenplatte verbunden. Der Verbund mit der metallischen Bodenplatte kann dabei durch Schweißen und/oder Anspritzen des Verbindungselementes erfolgen.
Prinzipiell sind zwei unterschiedliche, grundlegende Ausführungsformen denkbar:
Zum Einen können der Spritzgusskörper der tubularen Hochtemperaturzelle und der Spritzgusskörper des Verbindungselementes gemeinsam gleichzeitig gesintert werden, was auch als Co-Sintern bezeichnet werden kann.
Zum Anderen können der Spritzgusskörper der tubularen Hochtemperaturzelle und der Spritzgusskörper des Verbindungselementes getrennt gesintert und insbesondere anschließend miteinander verbunden werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform – insbesondere im Rahmen derer die tubulare Hochtemperaturzelle und das Verbindungselement gemeinsam gesintert werden – wird das Verbindungselement an die tubulare Hochtemperaturzelle angespritzt.
Beispielsweise kann dabei bevor die tubulare Hochtemperaturzelle gesintert wird, wird zusätzlich eine metallische Hülse als Verbindungselement angespritzt werden. Erst danach kann dann dieser Verbund in einem Ofen gesintert werden. Die Sintertemperatur kann dabei beispielsweise in einem Bereich von ≥ 1000 °C bis ≤ 1500 °C oder ≤ 1400 °C liegen. Die Atmosphäre kann dabei oxidierend, neutral oder reduzierend sein. Das Material des Verbindungselementes beziehungsweise der metallischen Hülse kann dabei insbesondere im Sinterverhalten, beispielsweise bezüglich des Schrumpfes und/oder der Kinetik, so angepasst sein, dass höchstens geringe Eigenspannungen während des Sinterns entstehen.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung ist die Oberfläche der tubularen Hochtemperaturzelle, insbesondere des Befestigungsabschnitts der tubularen Hochtemperaturzelle, im Kontaktbereich zu dem Verbindungselement speziell vorbereitet, um die Verbindung, beispielsweise zwischen Keramik und Metall, zu verbessern. Dies kann durch eine Strukturierung der Oberfläche, zum Beispiel Gitter, Linien, et cetera, realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann dieser Bereich porös ausgeführt werden, so dass das MIM-Pulver beim Metallspritzguss in die Poren eindringen kann.
Beim getrennten Sintern und anschließende Verbindung sind mehrere Ausgestaltungen möglich:
Im Rahmen einer ersten Ausgestaltung wird der Metallspritzgussabschnitt des Verbindungselements, beispielsweise in Form einer metallischen Hülse, um die bereits gesinterte Hochtemperaturzelle, insbesondere deren Befestigungsabschnitt, gespritzt. Anschließend kann dieser Verbund gesintert werden. Hierbei liegt die Sintertemperatur vorzugsweise unterhalb der Sintertemperatur der tubularen Hochtemperaturzelle. Durch den Sinterschrumpf des Metallspritzgussabschnitts kann vorteilhafterweise eine stoffschlüssige Abdichtung erzielt werden. Alternativ hierzu kann der Metallspritzgussabschnitt des Verbindungselements, beispielsweise in Form einer metallischen Hülse, auch separat gespritzt werden. Dies kann Vorteile bezüglich des Handlings aufweisen. Der Metallspritzgussabschnitt des Verbindungselements sollte dabei jedoch derart dimensioniert werden, dass er später noch an der tubularen Hochtemperaturzelle befestigt und dann gesintert werden kann. Beispielsweise sollte bei einem hülsenförmigen Verbindungselement der Innendurchmesser so ausgelegt werden, dass die Hülse anschließend auf die tubulare Hochtemperaturzelle aufgesteckt und gesintert werden kann. Dabei kann sich ein anfänglich vorhandener schmaler Spalt vorteilhafterweise noch aufgrund der Sinterschrumpfung schließen und auch auf diese Weise eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Beide Varianten haben dabei den Vorteil, dass die Schrumpfung von tubularer Hochtemperaturzelle und Verbindungselement, insbesondere in Form einer Hülse, nicht aufeinander abgestimmt werden müssen.
Im Rahmen einer zweiten Ausgestaltung werden die tubulare Brennstoffzelle und das Verbindungselement, beispielsweise in Form einer metallischen Hülse, separat gesintert. Dies hat den Vorteil dass die Sinterkinetik und der Sinterschrumpf des Verbindungselementes nicht mit dem der tubularen Hochtemperaturzelle übereinstimmen müssen. Zudem kann so vorteilhafterweise das Verbindungselement, beispielsweise in Form einer Hülse, falls erforderlich, bei einer wesentlich höheren Temperatur gesintert werden. Im Rahmen dieser Ausgestaltung sollte jedoch das Verbindungselement beziehungsweise die Hülse ein Verbund aus einem metallischen Werkstoff (Metallspritzgussabschnitt) und keramischen Werkstoff (Keramikspritzgussabschnitt) sein, um jeweils zwei keramische Teile (tubulare Hochtemperaturzelle und Keramikspritzgussabschnitt des Verbindungselementes) mit Glaslot, oder anderen Loten, zu verbinden und so eine stabile Verbindung zu erzielen.
Im Rahmen einer dritten Ausgestaltung basiert das Verbindungselement auf einem metallischen Hülsengrundkörper, welcher mit einer Metallspritzgussbeschichtung (MIM-Beschichtung) und einer Keramikspritzgussbeschichtung (CIM-Beschichtung) versehen wird beziehungsweise ist. Die Schichtdicken der Metallspritzgussbeschichtung und der Keramikspritzgussbeschichtung können dabei insbesondere in einem Bereich von ≥ 15 µm bis ≤ 500 µm liegen. Die tubulare Hochtemperaturzelle kann dann mit dem Verbindungselement beziehungsweise der Hülse mit einer Glaslotdichtung verklebt werden, wobei ebenfalls eine stabile Keramik-Glas-Keramik-Verbindung erzielt werden kann.
Im Rahmen einer vierten Ausgestaltung wird die metallische Bodenplatte um die durchgängigen Aussparungen herum mit einer mehrlagigen, insbesondere zweilagigen, MIM/CIM-Beschichtung versehen. Insbesondere kann dabei zunächst eine Metallspritzgussbeschichtung (MIM-Beschichtung) auf die metallische Bodenplatte aufgebracht werden und dann auf die Metallspritzgussbeschichtung (MIM-Beschichtung) eine Keramikspritzgussbeschichtung (CIM-Beschichtung) aufgebracht werden. Die Schichtdicken könne dabei insbesondere so gewählt werden, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Metall und Keramik möglich ist. Die Schichtdicken der Metallspritzgussbeschichtung und der Keramikspritzgussbeschichtung können dabei ebenfalls in einem Bereich von ≥ 15 µm bis ≤ 500 µm liegen. Die tubulare Hochtemperaturzelle kann dann mit Glaslot auf die Keramikspritzgussbeschichtung geklebt werden, wobei ebenfalls eine stabile Keramik-Glas-Keramik-Verbindung erzielt werden kann.
Im Rahmen anderer, insbesondere auf der ersten bis vierten Ausgestaltung basierenden, Ausführungsformen – insbesondere im Rahmen derer die tubulare Hochtemperaturzelle und das Verbindungselement getrennt voneinander gesintert werden –

– wird daher das Verbindungselement an die gesinterte tubulare Hochtemperaturzelle angespritzt, oder
– werden das gesinterte Verbindungselement und die gesinterte tubulare Hochtemperaturzelle mit Glaslot verbunden. Bei der zweiten Variante kann das Verbindungselement insbesondere eine Metallspritzgussbeschichtung und auf der Metallspritzgussbeschichtung eine Keramikspritzgussbeschichtung aufweisen. Das Glaslot kann dabei insbesondere auf die Keramikspritzgussbeschichtung aufgebracht werden.

Zur Ausbildung des Metallspritzgussabschnitts beziehungsweise der Metallspritzgussbeschichtung und/oder der metallischen Bodenplatte können grundsätzlich alle Metalle und Metalllegierungen eingesetzt werden, die für Hochtemperaturanwendungen unter oxidierender und reduzierender Atmosphäre geeignet sind. Beispielsweise können hierfür Crofer APU22 und/oder Crofer APU22h und/oder Nicrofer der Firma Thyssen-Krupp, Deutschland, eingesetzt werden.
Zur Ausbildung des Keramikspritzgussabschnitts beziehungsweise der Keramikspritzgussbeschichtung und/oder der tubularen Hochtemperaturzelle, insbesondere des Befestigungsabschnitts der tubularen Hochtemperaturzelle, können grundsätzlich Keramiken eingesetzt werden, die für Hochtemperaturanwendungen unter oxidierender und reduzierender Atmosphäre geeignet sind. Beispielsweise können hierfür Zirkoniumdioxid (ZrO₂) und/oder Magnesiumsilikat, insbesondere Forsterit (Mg₂SiO₄), und beispielsweise Mischungen und/oder dotierte Varianten davon eingesetzt werden.
Die Sintertemperatur des Keramikspritzgusses und des Metallspritzgusses kann insbesondere in einem Bereich von ≥ 1000 °C bis ≤ 1400 °C oder ≤ 1500 °C liegen.
Vorzugsweise erfolgt das Sintern des Keramikspritzgusses und des Metallspritzgusses unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, oder im Vakuum.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystem, dem erfindungsgemäßen Energiesystem, der erfindungsgemäßen Verwendung sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Das Hochtemperaturzellensystem, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, kann insbesondere Bestandteil eines Energiesystems, zum Beispiel für ein Gebäude, beispielsweise einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage (KWK-Anlage), sein. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Energiesystem, welches ein erfindungsgemäßes Hochtemperaturzellensystem umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Metallspritzgussverfahrens beziehungsweise der Metallspritzguss-Technologie (MIM-Technologie) zur Anbindung, insbesondere Fixierung und Abdichtung, einer Hochtemperaturzelle, beispielsweise einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (SOFC) und/oder einer Hochtemperaturelektrolysezelle (SOEC), an einem metallischen Körper, insbesondere an einer metallischen Bodenplatte.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Energiesystems und der erfindungsgemäßen Verwendung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystem, dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems mit einem Verbindungselement in Form einer Hülse;
2a–2c schematische Ansichten von Bauteilen aus denen sich das in 1 gezeigte Hochtemperaturzellensystem zusammensetzt;
3 einen schematischen Querschnittsausschnitt zur Veranschaulichung eines an eine Hochtemperaturzelle angespritzten Verbindungselements in Form einer durch Metallspritzguss ausgebildeten Hülse;
4 einen schematischen Querschnittsausschnitt zur Veranschaulichung eines Verbindungselementes in Form einer durch Metallspritzguss und Keramikspritzguss hergestellten Hülse, welche mittels einer Glaslotdichtung an der Hochtemperaturzelle befestigbar ist;
5 einen schematischen Querschnittsausschnitt zur Veranschaulichung eines Verbindungselementes in Form einer Hülse, welche ausgehend von einem metallischen Hülsengrundkörper unter Verwendung von Metallspritzguss und Keramikspritzguss hergestellt und mittels einer Glaslotdichtung an der Hochtemperaturzelle befestigbar ist;
6 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems mit einem Verbindungselement in Form einer mehrlagigen Beschichtung; und
7a–7d schematische Ansichten von Bauteilen aus denen sich das in 6 gezeigte Hochtemperaturzellensystem zusammensetzt.
1 zeigt ein Hochtemperaturzellensystem 10, insbesondere ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, welches eine metallische Bodenplatte 20 mit einer durchgängigen Aussparung 21 zur Befestigung einer tubularen Hochtemperaturzelle 30 sowie eine tubulare Hochtemperaturzelle 30 umfasst. Bei der tubularen Hochtemperaturzelle 30 kann es sich dabei insbesondere um eine tubulare Hochtemperaturbrennstoffzelle handeln.
1 zeigt, dass das Hochtemperaturzellensystem 10 weiterhin ein Verbindungselement 40 zur Verbindung der tubularen Hochtemperaturzelle 30 mit der metallischen Bodenplatte 20 umfasst. Das Verbindungselement 40 dient dabei auch der Abdichtung der tubularen Hochtemperaturzelle 30, beispielsweise Brennstoffzelle.
1 illustriert, dass das Verbindungselement 40 im Rahmen der in 1 gezeigten Ausführungsform in Form einer metallischen Hülse ausgebildet ist, welche komplett durch Metallspritzguss hergestellt ist. 1 zeigt, dass die Hülse einen hohlzylindrischen Abschnitt H_h mit einem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, H_R aufweist, wobei der hohlzylindrische Abschnitt H_h der Hülse durch die durchgängige Aussparung 21 in der metallischen Bodenplatte 20 durchgesteckt ist. Der radial auswärts vergrößerte Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, H_R der Hülse ist dabei unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung an den die durchgängige Aussparung 21 umgebenden Abschnitt der metallischen Bodenplatte 20 angelegt. 1 zeigt weiterhin, dass der hohlzylindrische Abschnitt H_h der Hülse als Aufnahme für einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten, hohlzylindrischen Befestigungsabschnitt 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 dient, welcher 31 darin eingesteckt ist.
1 veranschaulicht, dass die tubulare Hochtemperaturzelle 30 über das Verbindungselement 40 mit der metallischen Bodenplatte 20 verbunden ist. Das Verbindungselement 40 und die metallische Bodenplatte 20 sind dabei durch mehrere Schweißverbindungen 50, insbesondere Schweißnähte, miteinander verbunden.
Die 2a bis 2c zeigen schematische Ansichten von Bauteilen aus denen sich das in 1 gezeigte Hochtemperaturzellensystem 10 zusammensetzt.
2a zeigt eine schematische Draufsicht auf die metallische Bodenplatte 20 mit der durchgängigen Aussparung 21.
2b zeigt eine schematische Seitenansicht der tubularen Hochtemperaturzelle 30. 2b zeigt, dass die tubulare Hochtemperaturzelle 30 einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 32 und zwei Endabschnitte 31, 32 aufweist. Einer der Endabschnitte 31 ist dabei als, insbesondere offener, Befestigungsabschnitt ausgebildet. Der andere Endabschnitt 32 ist dabei in Form einer Kappe ausgebildet, welche eine Seite der tubularen Hochtemperaturzelle 30 verschließt. Eine derartig ausgebildete Hochtemperaturzelle kann insbesondere auch als einseitig geschlossene, tubulare Hochtemperaturzelle bezeichnet werden. 2b deutet weiterhin an, dass zumindest der Befestigungsabschnitt 31 der Hochtemperaturzelle 30 durch Keramikspritzguss ausgebildet ist.
2c zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Verbindungsstück 40 in Form einer Hülse. 2c zeigt, dass das hülsenförmige Verbindungsstück 40 einen hohlzylindrischen Abschnitt H_h mit einem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, H_R aufweist und durch Metallspritzguss ausgebildet ist.
3 zeigt einen schematischen Querschnittsausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 10 und dient der Veranschaulichung der Fixierung und Abdichtung der Hochtemperaturzelle 30 durch das Verbindungselement 40 mittels MIM-CIM-Technologie. 3 zeigt ein Verbindungselement 40 in Form einer Hülse, welches durch Metallspritzguss an einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten Befestigungsabschnitt 31 einer Hochtemperaturzelle 30 angespritzt ist. Der durch Keramikspritzguss ausgebildete Befestigungsabschnitt 31 kann beim Anspritzen des Verbindungselementes 40 gesintert oder ungesintert sein.
4 zeigt einen schematischen Querschnittsausschnitt einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 10 und dient der Veranschaulichung der Fixierung und Abdichtung der Hochtemperaturzelle 30 durch das Verbindungselement 40 mittels MIM-CIM-Technologie. 4 zeigt ein Verbindungselement 40 in Form einer Verbundhülse aus MIM- und CIM-Materialien. 4 veranschaulicht, dass das Verbindungselement 40 ein Verbund aus einem durch Metallspritzguss ausgebildeten Metallspritzgussabschnitt 41 und einem durch Keramikspritzguss ausgebildeten Keramikspritzgussabschnitt 42 ist. Dabei bildet der Metallspritzgussabschnitt 41 die Außenwandung des hohlzylindrischen Abschnitts H_h der Hülse und den radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, H_R der Hülse aus, wobei der Keramikspritzgussabschnitt 42 die Innenwandung 42 des hohlzylindrischen Abschnitts H_h der Hülse ausbildet. Der Pfeil in 4 deutet an, dass im Rahmen dieser Ausführungsform die Verbindung des hülsenförmigen Verbindungselements 40 mit einem durch Keramikspritzguss ausgebildeten, hohlzylindrischen Befestigungsabschnitt 31 einer tubularen Hochtemperaturzelle 30 dadurch ausgebildet werden kann, dass zwischen dem Keramikspritzgussabschnitt 42 des Verbindungselements 40 und dem durch Keramikspritzguss ausgebildeten, hohlzylindrischen Befestigungsabschnitt 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 eine Glaslotdichtung 60 vorgesehen wird.
5 zeigt einen schematischen Querschnittsausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 10 und dient der Veranschaulichung der Fixierung und Abdichtung der Hochtemperaturzelle 30 durch das Verbindungselement 40 mittels MIM-CIM-Technologie. 5 zeigt ein Verbindungselement 40 in Form einer Verbundhülse aus einem metallischen Hülsengrundkörper 43 und MIM- und CIM-Materialien. 5 zeigt insbesondere, dass auf der Innenwandung des metallischen Hülsengrundkörpers 43 eine Metallspritzgussbeschichtung 41 aufgebracht ist, auf der 41 wiederum eine Keramikspritzgussbeschichtung 42 aufgebracht ist. Der Pfeil in 5 deutet ebenfalls an, dass auch im Rahmen dieser Ausführungsform die Verbindung des hülsenförmigen Verbindungselements 40 mit einem durch Keramikspritzguss ausgebildeten, hohlzylindrischen Befestigungsabschnitt 31 einer tubularen Hochtemperaturzelle 30 dadurch ausgebildet werden kann, dass zwischen dem Keramikspritzgussabschnitt 42 des Verbindungselements 40 und dem durch Keramikspritzguss ausgebildeten, hohlzylindrischen Befestigungsabschnitt 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 eine Glaslotdichtung 60 vorgesehen wird.
6 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochtemperaturzellensystems 10 mit einer metallischen Bodenplatte 20 mit einer durchgängigen Aussparung 21, einer tubularen Hochtemperaturzelle 30, beispielsweise einer keramischen Brennstoffzelle, und einem Verbindungselement 40 in Form einer mehrlagigen Beschichtung. 6 zeigt, dass im Rahmen dieser Ausführungsform eine tubulare Hochtemperaturzelle 30 mit angepasstem Fußdesign verwendet wird, deren durch Keramikspritzguss ausgebildeter Befestigungsabschnitt 31 zusätzlich zu einem hohlzylindrischen Abschnitt 31a einen radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, 31b aufweist. Der hohlzylindrische Abschnitt 31a des Befestigungsabschnitts 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 ist dabei durch die durchgängige Aussparung 21 in der metallischen Bodenplatte 20 durchgesteckt. 6 veranschaulicht, dass dabei der die durchgängige Aussparung 21 umgebende Abschnitt der metallischen Bodenplatte 20 den radial auswärts vergrößerte Abschnitt 31b des Befestigungsabschnitts 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 sperrt.
Das Verbindungselement 40 ist dabei in Form einer mehrlagigen Beschichtung beziehungsweise eines MIM-CIM-Verbundes (41: MIM-Beschichtung, 42: CIM-Beschichtung) auf der dem radial auswärts vergrößerten Abschnitt 31b des Befestigungsabschnitts 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 zugewandten Seite des die durchgängige Aussparung 21 umgebenden Abschnitts der metallischen Bodenplatte 20 ausgebildet. 6 zeigt, dass dabei auf der metallischen Bodenplatte 20 eine Metallspritzgussbeschichtung 41 und auf der Metallspritzgussbeschichtung 41 wiederum eine Keramikspritzgussbeschichtung 42 aufgebracht ist. Die Verbindung der tubularen Hochtemperaturzelle 30 mit der Bodenplatte 20 wird dabei dadurch ausgebildet, dass zwischen dem radial auswärts vergrößerten Abschnitt, insbesondere Randabschnitt, 31b des Befestigungsabschnitts 31 der tubularen Hochtemperaturzelle 30 und der über die Metallspritzgussbeschichtung 41 mit der metallischen Bodenplatte 20 verbundenen Keramikspritzgussbeschichtung 42 eine die Glaslotdichtung 60 vorgesehen wird.
Die 7a bis 7d zeigen schematische Ansichten von Bauteilen aus denen sich das in 6 gezeigte Hochtemperaturzellensystem 10 zusammensetzt.
7a ist eine schematische Draufsicht auf die metallische Bodenplatte 20 mit der durchgängigen Aussparung 21 vor dem Aufbringen der Metallspritzgussbeschichtung 41.
7b ist eine schematische Draufsicht auf die metallische Bodenplatte 20 mit der durchgängigen Aussparung 21 nach dem Aufbringen der Metallspritzgussbeschichtung 41.
7c ist eine schematische Draufsicht auf die metallische Bodenplatte 20 mit der durchgängigen Aussparung 21 nach dem Aufbringen der Keramikspritzgussbeschichtung 42 auf die Metallspritzgussbeschichtung 41.
7d ist eine schematische Seitenansicht der tubularen Hochtemperaturzelle 30. 7d zeigt, dass die tubulare Hochtemperaturzelle 30 einen hohlzylindrischen Zwischenabschnitt 32 und zwei Endabschnitte 31, 32 aufweist. Einer der Endabschnitte 31 ist dabei als, insbesondere offener, Befestigungsabschnitt ausgebildet. Der andere Endabschnitt 32 ist dabei in Form einer Kappe ausgebildet, welche eine Seite der tubularen Hochtemperaturzelle 30 verschließt. 7d deutet weiterhin an, dass zumindest der Befestigungsabschnitt 31 der Hochtemperaturzelle 30 durch Keramikspritzguss ausgebildet ist. In Gegensatz zu der in 2b gezeigten Ausführungsform weist der Befestigungsabschnitt 31 im Rahmen dieser Ausführungsform zusätzlich zu einem hohlzylindrischen Abschnitt 31a einen radial auswärts vergrößerten Abschnitt 31b auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1079453 B1 [0004]
EP 1624521 A1 [0005]
DE 102007024227 A1 [0006]

Claims

Hochtemperaturzellensystem (10), insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, umfassend eine metallische Bodenplatte (20) mit mindestens einer durchgängigen Aussparung (21) zur Befestigung einer tubularen Hochtemperaturzelle (30), mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle (30), und mindestens ein Verbindungselement (40) zur Verbindung einer tubularen Hochtemperaturzelle (30) mit der metallischen Bodenplatte (20), wobei das mindestens eine Verbindungselement (40) einen durch Metallspritzguss ausgebildeten Metallspritzgussabschnitt (41) aufweist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle (30) über den Metallspritzgussabschnitt (41) des mindestens einen Verbindungselementes (40) mit der metallischen Bodenplatte (20) verbindbar oder verbunden ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallspritzgussabschnitt (41) des mindestens einen Verbindungselementes (40) und die metallische Bodenplatte (20) durch mindestens eine Schweißverbindung (50) miteinander verbindbar oder verbunden sind.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Verbindungselement (40) weiterhin einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten Keramikspritzgussabschnitt (42) aufweist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine tubulare Hochtemperaturzelle (30) einen durch Keramikspritzguss ausgebildeten Befestigungsabschnitt (31) aufweist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Befestigungsabschnitt (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) einen hohlzylindrischen Abschnitt (31a) aufweist, gegebenenfalls wobei der Befestigungsabschnitt (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) weiterhin einen radial auswärts vergrößerten Abschnitt (31b) aufweist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei zwischen dem Keramikspritzgussabschnitt (42) des mindestens einen Verbindungselements (40) und dem durch Keramikspritzguss ausgebildeten Befestigungsabschnitt (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) eine Glaslotdichtung (60) vorgesehen ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das mindestens eine Verbindungselement (40) in Form einer Hülse und/oder Beschichtung ausgebildet ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das mindestens eine Verbindungselement (40) in Form einer Hülse ausgebildet ist, welche einen hohlzylindrischen Abschnitt (H_h) mit einem radial auswärts vergrößerten Abschnitt (H_R) aufweist, wobei in den hohlzylindrischen Abschnitt (H_h) der Hülse der hohlzylindrische Befestigungsabschnitt (31) der tubularen Hochtemperaturzelle (30) einsteckbar beziehungsweise eingesteckt ist, wobei der hohlzylindrische Abschnitt (H_h) der Hülse durch eine durchgängige Aussparung (21) in der metallischen Bodenplatte (20) durchsteckbar beziehungsweise durchgesteckt ist, und wobei der radial auswärts vergrößerte Abschnitt (H_R) der Hülse unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung an den die durchgängige Aussparung (21) umgebenden Abschnitt der metallischen Bodenplatte (20) anlegbar beziehungsweise angelegt ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach Anspruch 9, wobei der Metallspritzgussabschnitt (41) die Außenwandung des hohlzylindrischen Abschnitts (H_h) der Hülse und den radial auswärts vergrößerten Abschnitt (H_R) der Hülse ausbildet und wobei der Keramikspritzgussabschnitt (42) die Innenwandung (42) des hohlzylindrischen Abschnitts (H_h) der Hülse ausbildet.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Hülse einen metallischen Hülsengrundkörper (43) aufweist, wobei auf der Innenwandung des metallischen Hülsengrundkörpers (43) eine Metallspritzgussbeschichtung (41) aufgebracht ist, wobei auf der Metallspritzgussbeschichtung (41) eine Keramikspritzgussbeschichtung (42) aufgebracht ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Glaslotdichtung (60) zwischen dem hohlzylindrischen Abschnitt (31a) des Befestigungsabschnitts (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) und dem Keramikspritzgussabschnitt (42) des mindestens einen Verbindungselements (40) vorgesehen ist.
Hochtemperaturzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der hohlzylindrische Abschnitt (31a) des Befestigungsabschnitts (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) durch eine durchgängige Aussparung (21) in der metallischen Bodenplatte (20) durchsteckbar beziehungsweise durchgesteckt ist, wobei der die durchgängige Aussparung (21) umgebende Abschnitt der metallischen Bodenplatte (20) den radial auswärts vergrößerte Abschnitt (31b) des Befestigungsabschnitts (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) sperrt, wobei das mindestens eine Verbindungselement (40) in Form einer Beschichtung (41, 42) auf der dem radial auswärts vergrößerten Abschnitt (31b) des Befestigungsabschnitts (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) zugewandten Seite des die durchgängige Aussparung (21) umgebenden Abschnitts der metallischen Bodenplatte (20) ausgebildet ist, wobei auf der metallischen Bodenplatte (20) eine Metallspritzgussbeschichtung (41) und auf der Metallspritzgussbeschichtung (41) eine Keramikspritzgussbeschichtung (42) aufgebracht ist und wobei die Glaslotdichtung (60) zwischen dem radial auswärts vergrößerte Abschnitt (31b) des Befestigungsabschnitts (31) der mindestens einen tubularen Hochtemperaturzelle (30) und der Keramikspritzgussbeschichtung (42) vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperaturzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine tubulare Hochtemperaturzelle (30) mittels Keramikspritzgießens und ein Verbindungselement (40) mittels Metallspritzgießens ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verbindungselement (40) an die tubulare Hochtemperaturzelle (30) angespritzt wird und wobei die tubulare Hochtemperaturzelle (30) und das Verbindungselement (40) gemeinsam gesintert werden, oder wobei die tubulare Hochtemperaturzelle (30) und das Verbindungselement (40) getrennt voneinander gesintert werden und – wobei das Verbindungselement (40) an die gesinterte tubulare Hochtemperaturzelle (30) angespritzt, oder – wobei das gesinterte Verbindungselement (40) und die gesinterte tubulare Hochtemperaturzelle (30) mit Glaslot (60) verbunden werden.