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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenkappe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenkappe mit einer Fußeinheit bekannt, welche unter Verwendung einer gelochten Grundplatte zu einem Brennstoffzellensystem verbunden werden können, was einen hohen Montage- und/oder Herstellungsaufwand zur Folge hat.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenkappe, insbesondere einem Brennstoffzellentubus, mit einer Fußeinheit.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenkappe eine an der Fußeinheit angeordnete Verbindungseinheit aufweist, welche zur Verbindung mit zumindest einer weiteren Brennstoffzellenkappe, insbesondere einer weiteren Verbindungseinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe, vorgesehen ist.
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Unter einer „Brennstoffzellenkappe“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche insbesondere zumindest teilweise eine äußere Hülle einer Brennstoffzellenvorrichtung ausbildet. Ferner kann die Brennstoffzellenkappe insbesondere passive Elemente, insbesondere zu einer Gasführung und/oder -leitung und/oder zu einer Montage, umfassen. Insbesondere kann die Brennstoffzellenkappe an einem Ende zumindest im Wesentlichen geschlossen und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gasdicht ausgeführt sein. Die Brennstoffzellenkappe kann insbesondere zumindest bereichsweise gasdurchlässig, insbesondere offen porös, ausgebildet sein. Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als, insbesondere tubulare, Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet.
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Unter einer „Fußeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche ein offenes Ende der Brennstoffzellenkappe bildet. Insbesondere ist die Fußeinheit von einem zumindest im Wesentlichen gas- und/oder dampfdichten Material gebildet. Unter einer „Verbindungseinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, insbesondere zumindest eine stoffschlüssige und/oder zumindest eine kraftschlüssige und/oder vorzugsweise zumindest eine formschlüssige Verbindung der Brennstoffzellenkappe mit zumindest einer weiteren, insbesondere zu der Brennstoffzellenkappe korrespondierend und vorzugsweise identisch ausgebildeten Brennstoffzellenkappe herzustellen. Insbesondere kann die Verbindungseinheit von zumindest einem Grundkörper der Fußeinheit abstehen und/oder zumindest teilweise in den zumindest einen Grundkörper eingebracht sein. Vorzugsweise ist die Verbindungseinheit dazu vorgesehen, die Brennstoffzellenkappe mit einer Mehrzahl von weiteren, insbesondere korrespondierend und vorzugsweise identisch ausgebildeten Brennstoffzellenkappen zu verbinden, insbesondere zumindest stoffschlüssig und/oder zumindest kraftschlüssig und/oder vorzugsweise zumindest formschlüssig. Insbesondere ist die Verbindungseinheit dazu vorgesehen, derart mit der weiteren Verbindungseinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe verbunden zu werden, dass die Fußeinheit der Brennstoffzellenkappe und eine weitere Fußeinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe zumindest im Wesentlichen unmittelbar miteinander verbunden sind. Darunter, dass die Fußeinheit der Brennstoffzellenkappe und die Fußeinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe „zumindest im Wesentlichen unmittelbar miteinander verbunden sind“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Fußeinheiten sich physisch direkt berühren und/oder mittelbar über eine vorzugsweise dünne, insbesondere adhäsive, Kontaktschicht kontaktiert sind.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenkappe mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Verbindung mit zumindest einer weiteren Brennstoffzellenkappe bereitgestellt werden. Insbesondere können bei einer Verbindung von zumindest zwei Brennstoffzellenkappen vorteilhaft Verbindungsmittel eingespart werden. Insbesondere kann auf eine Verwendung einer Grundplatte verzichtet werden, wodurch insbesondere ein Montageaufwand und/oder Montagekosten reduziert werden können.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Fußeinheit eine zumindest im Wesentlichen regelmäßig polygonale Grundfläche aufweist. Unter einer „regelmäßig polygonalen Grundfläche“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine zumindest im Wesentlichen planare Fläche verstanden werden, welche zumindest im Wesentlichen die Form eines gleichseitigen und gleichwinkligen Vielecks aufweist. Insbesondere sind alle Innenwinkel der Grundfläche kleiner als 180°. Unter „zumindest im Wesentlichen regelmäßig polygonal“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Form der Grundfläche insbesondere mit einem Flächenanteil von weniger als 25 %, vorzugsweise von weniger als 10 % und besonders bevorzugt von weniger als 5 % von einem regelmäßigen Polygon abweicht. Vorzugsweise weist die Grundfläche eine gerade Anzahl von Kanten und/oder Ecken auf. Hierdurch kann eine vorteilhafte Geometrie der Fußeinheit erreicht werden, welche eine Verbindung der Fußeinheit mit zumindest einer weiteren Brennstoffzellenkappe und insbesondere mit einer weiteren Fußeinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe vorteilhaft vereinfacht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Fußeinheit eine, insbesondere regelmäßig, hexagonale Grundfläche aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine zumindest im Wesentlichen lückenlose Verbindung der Fußeinheit mit zumindest einer weiteren Brennstoffzellenkappe und insbesondere mit einer weiteren Fußeinheit der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe ermöglicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Verbindungseinheit einstückig mit der Fußeinheit ausgebildet ist. Unter „einstückig“ soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder Klebeprozess usw., und besonders vorteilhaft angeformt und/oder eingebracht verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Einoder Mehrkomponentenspritzverfahren. Hierdurch kann ein Herstellungsprozess vorteilhaft vereinfacht werden.
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Sind die Fußeinheit und/oder die Verbindungseinheit zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet, kann erreicht werden, dass die Fußeinheit und/oder die Verbindungseinheit einen vorteilhaften, insbesondere zumindest im Wesentlichen identischen, Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Vorzugsweise sind sowohl die Fußeinheit als auch die Verbindungseinheit zumindest im Wesentlichen aus einem keramischen Material gebildet, wodurch ein Auftreten thermomechanischer Spannungen, insbesondere zwischen der Fußeinheit und der Verbindungseinheit, zumindest weitgehend verhindert werden kann und/oder ein Herstellungsprozess vorteilhaft vereinfacht werden kann. Darunter, dass ein Objekt „zumindest im Wesentlichen aus einem Material gebildet" ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt mit einem Massenanteil von zumindest 75 %, vorteilhaft von zumindest 85 % und vorzugsweise von zumindest 95 % aus dem betreffenden Material besteht.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Verbindungseinheit zumindest ein erstes Verbindungselement und zumindest ein zweites Verbindungselement aufweist, welches zu dem zumindest einen ersten Verbindungselement korrespondierend ausgebildet ist. Insbesondere ist das zumindest eine zweite Verbindungselement derart ausgebildet, dass es insbesondere formschlüssig mit zumindest einem ersten Verbindungselement einer weiteren Verbindungseinheit zumindest einer weiteren Brennstoffzellenkappe verbindbar ist, wobei das zumindest eine zweite Verbindungselement in einem montierten Zustand vorzugsweise in das zumindest eine erste Verbindungselement der zumindest einen weiteren Verbindungseinheit eingreift. Vorzugsweise weist die Verbindungseinheit eine Mehrzahl von ersten Verbindungselementen und eine Mehrzahl von zweiten Verbindungselementen auf. Insbesondere kann die Verbindungseinheit eine identische Anzahl von ersten Verbindungselementen und zweiten Verbindungselementen aufweisen. Hierdurch kann eine vorteilhaft mechanisch stabile Verbindung erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine erste Verbindungselement und/oder das zumindest eine zweite Verbindungselement radial an der Fußeinheit angeordnet ist. Vorzugsweise ist sowohl das zumindest eine erste Verbindungselement als auch das zumindest eine zweite Verbindungselement radial an der Fußeinheit angeordnet. Insbesondere ist eine Mehrzahl von ersten Verbindungselementen und eine Mehrzahl von zweiten Verbindungselementen jeweils im Wechsel radial an der Fußeinheit angeordnet. Darunter, dass das zumindest eine ersten Verbindungselement und das zumindest eine zweite Verbindungselement „radial an der Fußeinheit angeordnet“ sind soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Verbindungselemente insbesondere von einem Mittelpunkt der Fußeinheit ausgehend, insbesondere strahlenförmig, angeordnet sind. Hierdurch kann ein einfaches Verbinden einer Mehrzahl von Brennstoffzellenkappen, insbesondere entlang einer definierten Montagerichtung, erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine erste Verbindungselement als ein von der Fußeinheit ausgehend nach außen gerichtetes Formschlusselement, insbesondere als Federelement, ausgebildet ist. Insbesondere ist das Formschlusselement auf einen Grundkörper der Fußeinheit aufgebracht und/oder an dem Grundkörper angeformt. Ferner wird vorgeschlagen, dass ein zweites Verbindungselement zumindest eine zumindest im Wesentlichen in Richtung des Zentrums der Fußeinheit gerichtete Ausnehmung, insbesondere eine Nut, aufweist. Insbesondere ist die zumindest eine Ausnehmung zumindest teilweise in den Grundkörper der Fußeinheit eingebracht. Insbesondere ist die zumindest eine Ausnehmung zumindest im Wesentlichen konturgerecht zu dem Formschlusselement ausgebildet. Hierdurch kann auf einfache Weise eine vorteilhafte, insbesondere mechanisch stabile, Nut-Feder-Verbindung ermöglicht werden.
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Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest zwei erfindungsgemäßen Brennstoffzellenkappen vorgeschlagen, wobei die Fußeinheiten der zumindest zwei Brennstoffzellenkappen zumindest im Wesentlichen unmittelbar miteinander verbunden sind. Hierdurch kann vorteilhaft auf zusätzliche Verbindungsmittel verzichtet werden, wodurch ein Herstellungsaufwand und/oder Herstellungskosten vorteilhaft reduziert werden können.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Fußeinheiten der zumindest zwei Brennstoffzellenkappen zumindest im Wesentlichen eine Grundeinheit ausbilden. Unter einer „Grundeinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine plattenartige Einheit verstanden werden, welche insbesondere dazu vorgesehen ist, zumindest teilweise eine äußere Hülle eines Brennstoffzellensystems zu bilden. Insbesondere sind Stoßkanten zwischen den Fußeinheiten der zumindest zwei Brennstoffzellenkappen, insbesondere durch ein Glaslot und/oder ein Glaslottape, abgedichtet. Hierdurch kann eine vorteilhaft gasdichte, insbesondere plattenartige, Grundeinheit ermöglicht werden, wobei insbesondere auf eine Verwendung einer zusätzlichen metallischen und/oder keramischen Grundplatte verzichtet werden kann. Hierdurch können ein Herstellungsaufwand und/oder Herstellungskosten vorteilhaft reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenkappe soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenkappe zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
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1 eine isometrische Darstellung einer Brennstoffzellenkappe mit einer Fußeinheit und einer an der Fußeinheit angeordneten Verbindungseinheit und
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2 ein Brennstoffzellensystem einer Vielzahl von Brennstoffzellenkappen aus 1.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Brennstoffzellenkappe 10 mit einer Fußeinheit 12. Die Brennstoffzellenkappe 10 ist vorzugsweise – wie hier dargestellt – als ein Brennstoffzellentubus 30 ausgebildet. Die Brennstoffzellenkappe 10 umfasst einen hohlzylindrischen Grundkörper 32, welcher hier beispielhaft eine kreisförmige Grundfläche aufweist. Der Grundkörper 32 der Brennstoffzellenkappe 10 ist an einem oberen Ende 34 gasdicht ausgeführt. Des Weiteren weist der Grundkörper 32 einen offen porös ausgebildeten Teilbereich 36 auf. Auf eine Innenseite des Grundkörpers 32 ist eine hier nicht sichtbare Funktionsschicht aufgebracht. Alternativ kann eine Funktionsschicht auch auf eine Außenseite eines Grundkörpers aufgebracht sein. Die Funktionsschicht weist eine Anode, eine Kathode und ein zwischen der Anode und der Kathode angeordnetes Elektrolyt auf. Der poröse Teilbereich 36 ist dazu vorgesehen, der Funktionsschicht in zumindest einem Betriebszustand einen Reaktanten, insbesondere Sauerstoff oder Luft, zuzuführen. Ein zweiter Reaktant, insbesondere Wasserstoff, kann über ein nicht gezeigtes Zuströmelement in einen Innenraum der Brennstoffzellenkappe 10 geleitet und so der Funktionsschicht zugeführt werden.
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Die Fußeinheit 12 bildet ein offenes Ende der Brennstoffzellenkappe 10. Die Fußeinheit 12 ist vorzugsweise einstückig mit dem Grundkörper 32 ausgebildet. Die Fußeinheit 12 weist eine regelmäßig polygonale Grundfläche 16 (vgl. 2) auf. Vorzugsweise ist die Grundfläche 16 – wie hier dargestellt – regelmäßig hexagonal ausgeführt. Alternativ kann die Grundfläche auch eine andersartige regelmäßig polygonale Form aufweisen, wobei die Grundfläche vorteilhaft eine gerade Anzahl von Kanten aufweist.
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An der Fußeinheit 12 ist eine Verbindungseinheit 14 angeordnet, welche zur Verbindung der Brennstoffzellenkappe 10 mit zumindest einer weiteren, in 1 nicht gezeigten Brennstoffzellenkappe, insbesondere mit einer weiteren Verbindungsvorrichtung der zumindest einen weiteren Brennstoffzellenkappe, vorgesehen ist. Die Verbindungseinheit 14 ist einstückig mit der Fußeinheit 12 ausgebildet. Die Fußeinheit 12 und die Verbindungseinheit 14 sind vorzugsweise von einem keramischen Material gebildet. Insbesondere durch ein Spritzgussverfahren kann die Fußeinheit 12 einstückig mit der Verbindungseinheit 14 ausgebildet werden.
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Die Verbindungseinheit 14 weist zwei zueinander korrespondierende Arten von Verbindungselementen 18, 20 auf. Ein erstes Verbindungselement 18 ist als ein von der Fußeinheit 12 ausgehend nach außen gerichtetes Formschlusselement 22 ausgebildet. Ein zweites Verbindungselement 20 weist eine in Richtung des Zentrums 24 der Fußeinheit 12 gerichtete Ausnehmung 26 auf. Die Ausnehmung 26 ist konturgerecht zu dem Formschlusselement 22 ausgebildet. Die Ausnehmung 26 ist in einen Grundkörper 40 der Fußeinheit 12 eingebracht. Die Verbindungseinheit 14 weist drei erste Verbindungselemente 18 und drei zweite Verbindungselemente 20 auf. Die ersten Verbindungselemente 18 und die zweiten Verbindungselemente 20 sind jeweils im Wechsel radial an der Fußeinheit 12 angeordnet.
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2 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellensystems 42 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenkappen 10. Das Brennstoffzellensystem 42 weist hier beispielhaft acht Brennstoffzellenkappen 10 auf, eine hiervon abweichende Anzahl ist jedoch ebenso denkbar. Die Brennstoffzellenkappen 10 sind identisch zueinander ausgebildet. Die Brennstoffzellenkappen 10 innerhalb des Brennstoffzellensystems 42 sind derart miteinander verbunden, dass die jeweils ersten Verbindungselemente 18 in die zweiten Verbindungselemente 20 jeweils benachbarter Brennstoffzellenkappen 10 eingreifen. Somit ergibt sich eine formschlüssige und insbesondere mechanisch stabile Nut-Feder-Verbindung zwischen den Brennstoffzellenkappen 10 des Brennstoffzellensystems 42. Die Fußeinheiten 12 jeweils benachbarter Brennstoffzellenkappen 10 stehen dabei in direktem physischem Kontakt zueinander. Durch ein Zusammenfügen der Brennstoffzellenkappen 10 bilden die Fußeinheiten 12 der Brennstoffzellenkappen 10 eine plattenartige Grundeinheit 28 aus, weshalb auf eine zusätzliche metallische und/oder keramische Grundplatte verzichtet werden kann. Die Grundeinheit 28 ist seitliche durch entsprechend geformte Abschlusselemente 44, 46 abgeschlossen. In 2 sind lediglich zwei Abschlusselemente 44, 46 gezeigt. Durch entsprechende weitere Abschlusselemente kann die Grundeinheit 28 umlaufend abgeschlossen werden. Um eine Gasdichtigkeit der Grundeinheit 28 zu erreichen, kann ein hier nicht dargestelltes, maßlich passend gelochtes Glaslottape über die Grundeinheit 28 und die Abschlusselemente 44, 46 positioniert werden, sodass die Stoßkanten 48 zwischen den Brennstoffzellenkappen 10 und/oder den Abschlusselementen 44, 46 überdeckt sind. Während eines Verglasungsprozesses kann somit eine ebene und gasdichte Fläche erzeugt werden.
