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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche mit zumindest einem Brennstoffzellentubus und zumindest mit einer Zuströmlanze aufweist, welche zumindest teilweise innerhalb des Brennstoffzellentubus angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus zu leiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellentubus und zumindest einer Zuströmlanze, welche zumindest teilweise innerhalb des Brennstoffzellentubus angeordnet ist und welche dazu vorgesehen ist, ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus zu leiten.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein integriertes Drosselelement aufweist, welches dazu vorgesehen ist, einen Gasleitwert wesentlich zu reduzieren. Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer, Energie unter Verwendung zumindest eines Brennstoffzellenstacks verstanden werden. Unter einem „Brennstoffzellenstack“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Methan und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenvorrichtung als tubulare Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet. Unter einem „Brennstoffzellentubus“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmigen Grundkörper verstanden werden. Insbesondere bildet der Brennstoffzellentubus zumindest einen Teil einer äußeren Hülle der Brennstoffzellenvorrichtung. Der Brennstoffzellentubus ist insbesondere an einer Endseite geschlossen ausgeführt. Insbesondere weist der Brennstoffzellentubus zumindest einen gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich auf. Insbesondere weist die tubulare Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Funktionsschicht auf, welche auf den wenigstens einen zumindest teilweise gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich aufgebracht ist. Unter einer „Funktionsschicht“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode sowie zumindest ein zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Funktionsschicht auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite des Brennstoffzellentubus angeordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionsschicht vollständig auf einer Innenseite des Brennstoffzellentubus angeordnet. Unter einer „Zuströmlanze“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiges Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, zumindest in einem montierten Zustand zumindest teilweise in die in den Brennstoffzellentubus der Brennstoffzellenvorrichtung hineinzuragen. Ein Brenngas wird in einem Betriebszustand insbesondere über die Zuströmlanze innenseitig in den Brennstoffzellentubus der Brennstoffzellenvorrichtung geleitet. Insbesondere ist der zumindest eine gasdurchlässige Teilbereich zur Zuführung von Sauerstoff oder Luft vorgesehen.
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Unter einem „integrierten Drosselelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnetes und/oder einstückig mit der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeführtes Drosselelement verstanden werden. Unter „einstückig“ soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden verstanden werden, beispielsweise durch einen Schweißprozess, einen Klebeprozess, einen Anspritzprozess und/oder einen anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Prozess, und/oder vorteilhaft in einem Stück geformt verstanden werden, wie beispielsweise durch eine Herstellung aus einem Guss und/oder durch eine Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren und vorteilhaft aus einem einzelnen Rohling. Vorzugsweise ist das Drosselelement einstückig mit der Zuströmlanze ausgebildet. Insbesondere ist das Drosselelement strömungstechnisch zwischen einem Brenngaseinlass und einem Abgasauslass der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet. Vorzugsweise weist der Brennstoffzellentubus zumindest einen Abgasauslasskanal auf, welchem das Drosselelement strömungstechnisch vorgeschaltet ist. Darunter, dass das Drosselelement dazu vorgesehen ist, „einen Gasleitwert wesentlich zu reduzieren“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Drosselelement zumindest einen Leitungsquerschnitt eine Brenngasleitung und/oder einer Abgasleitung innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung deutlich verengt.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit verbesserten Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch das integrierte Drosselelement vorteilhaft eine zumindest weitgehende Gleichverteilung einer Brenngasströmung entlang einer Anode der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden. Ferner kann in einem Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl verschalteter Brennstoffzellenvorrichtungen eine zumindest weitgehende Gleichverteilung einer Brenngasströmung über jede einzelne Brennstoffzellenvorrichtung hinweg erreicht werden, wodurch eine vorteilhaft homogene Stromerzeugung innerhalb des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann. Des Weiteren kann durch die Integration des Drosselelements in die Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft eine Notwendigkeit externer Drosselelemente entfallen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement in einem Fußbereich der Zuströmlanze angeordnet ist. Der Fußbereich der Zuströmlanze ist insbesondere in einem montierten Zustand in einem Fußbereich des Brennstoffzellentubus angeordnet. Hierdurch kann eine vorteilhafte Brenngasverteilung innerhalb des Brennstoffzellentubus erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Zuströmlanze zumindest einen Abgassammelkanal aufweist, welcher über das Drosselelement fluidtechnisch mit einem Innenraum des Brennstoffzellentubus verbunden ist. Insbesondere bildet das Drosselelement zumindest teilweise eine in Richtung eines Innenraums des Brennstoffzellentubs weisende Wandung des Abgassammelkanals aus. Das Drosselelement verläuft insbesondere ringförmig um das Zuströmelement. Vorzugsweise ist das Drosselelement als ein Flanschelement der Zuströmlanze ausgebildet, welches zumindest eine Gasdurchtrittsöffnung aufweist. Die Gasdurchtrittsöffnung kann insbesondere konusförmig ausgebildet sein. Insbesondere weitet sich die Gasdurchtrittsöffnung in einer Strömungsrichtung auf. Insbesondere weist das Drosselelement eine Mehrzahl von Gasdurchtrittsöffnungen auf, durch welche ein Abgas in den Abgassammelkanal einströmen kann. Insbesondere ist der Abgassammelkanal strömungstechnisch mit einem Abgasauslasskanal verbunden. Hierdurch kann eine vorteilhafte Ableitung und/oder eine gleichmäßige Abströmung eines Abgases erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement als rampenförmiges Flanschelement der Zuströmlanze ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Drosselelement als zumindest im Wesentlichen schraubenförmiges Flanschelement der Zuströmlanze ausgebildet. Unter „zumindest im Wesentlichen schraubenförmig“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Drosselelement eine Kurve beschreibt, welche mit zumindest im Wesentlichen konstanter Steigung um eine Mantelfläche der Zuströmlanze verläuft. Vorzugsweise ist das Drosselelement dazu vorgesehen, einen Querschnitt eines Abgasauslasskanals im Brennstoffzellentubus zu reduzieren. Hierdurch kann insbesondere bei einer Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung eine vorteilhafte Einstellbarkeit einer Drosselwirkung ermöglicht werden. Insbesondere kann eine Reduktion eines Querschnitts eines Abgasauslasskanals vorteilhaft frei gewählt werden, wodurch eine vorteilhafte Anpassung insbesondere an Systemanforderungen erfolgen kann.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellentubus und zumindest einer Zuströmlanze, welche zumindest teilweise innerhalb des Brennstoffzellentubus angeordnet wird und welche dazu vorgesehen ist, ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus zu leiten, vorgeschlagen, bei welchem zumindest ein integriertes Drosselelement ausgebildet wird. Insbesondere wird das Drosselelement einstückig mit der Zuströmlanze ausgebildet. Alternativ kann das Drosselelement einstückig insbesondere mit dem Brennstoffzellentubus ausgebildet werden. Hierdurch kann eine vorteilhaft einfache und/oder kostengünstige Herstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem integrierten Drosselelement erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei der Herstellung des Drosselelements mittels eines Spritzgussvorgangs zumindest ein Stift zur Herstellung zumindest einer Gasdurchtrittsöffnung in eine Spritzgussform eingebracht wird. Vorteilhaft handelt es sich bei dem Spritzgussvorgang um einen Keramikspritzgussvorgang. Insbesondere wird der Stift vor einem Einspritzen einer Spritzgussmasse in die Spritzgussform eingebracht. Insbesondere wird eine Vielzahl von insbesondere identischen Stiften in die Spitzgussform eingebracht. Die Spritzgussform ist insbesondere zu einer Formgebung der Zuströmlanze vorgesehen. Insbesondere wird der Stift bei einer Entformung des spritzgegossenen Bauteils aus der Spritzgussform herausgezogen. Hierdurch können vorteilhaft einfach Gasdurchtrittsöffnungen in das Drosselelement eingebracht werden. Insbesondere kann ein nachträgliches mechanisches Einbringen von Gasdurchtrittsöffnungen vorteilhaft entfallen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Brennstoffzellentubus und die Zuströmlanze zusammengefügt und durch eine gemeinsame Sinterung miteinander verbunden und/oder gegeneinander abgedichtet werden. Insbesondere werden der Brennstoffzellentubus und die Zuströmlanze jeweils mittels eines Spritzgussvorgangs geformt. Die Zuströmlanze und der Brennstoffzellentubus werden zusammengesteckt, wobei die Zuströmlanze in den Brennstoffzellentubus eingeführt wird. Insbesondere weist die Zuströmlanze während der Sinterung eine geringere Schwindung auf als der Brennstoffzellentubus. Vorzugsweise weist eine Spritzgussmasse zur Formung der Zuströmlanze einen geringeren Feststoffgehalt auf als eine Spritzgussmasse zur Formung des Brennstoffzellentubus. Hierdurch kann eine vorteilhaft stabile und/oder gasdichte Verbindung zwischen der Zuströmlanze und dem Brennstoffzellentubus erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 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 sind drei Ausführungsbeispiele 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 Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellentubus, einer Zuströmlanze und einem integrierten Drosselelement,
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2 eine Detaildarstellung des Drosselelements aus 1,
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3 eine Detaildarstellung eines Abgasauslasskanals im Brennstoffzellentubus der Brennstoffzellenvorrichtung aus 1,
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4 eine Schnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellentubus, einer Zuströmlanze und einem integrierten Drosselelement,
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5 eine perspektivische Darstellung der Zuströmlanze aus 4 und
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6 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Zuströmlanze.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a mit einem Brennstoffzellentubus 12a und einer Zuströmlanze 14a. Die Zuströmlanze 14a ist innerhalb des Brennstoffzellentubus 12a angeordnet. Die Zuströmlanze 14a ist dazu vorgesehen, ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, in den Brennstoffzellentubus 12a zu leiten. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist ein integriertes Drosselelement 16a auf, welches dazu vorgesehen ist, einen Gasleitwert wesentlich zu reduzieren. Das Drosselelement 16a ist einstückig mit der Zuströmlanze 14a ausgebildet. Das Drosselelement 16a ist in einem Fußbereich 20a der Zuströmlanze 14a angeordnet. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht eines Teilabschnitts des Drosselelements 16a.
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Ferner weist die Zuströmlanze 14a einen Abgassammelkanal 22a auf. Der Abgassammelkanal 22a ist über das Drosselelement 16a fluidtechnisch mit einem Innenraum 24a des Brennstoffzellentubus 12a verbunden. Das Drosselelement 16a bildet eine einem Innenraum 24a des Brennstoffzellentubus 12a zugewandte Wandung des Abgassammelkanals 22a aus. Das Drosselelement 16a ist als ein Flanschelement 30a der Zuströmlanze 14a ausgebildet, welches eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 32a aufweist. Die Gasdurchtrittsöffnungen 32a sind konusförmig ausgebildet, welche sich in Strömungsrichtung aufweiten.
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Der Brennstoffzellentubus 12a weist einen Abgasauslasskanal 18a auf (vgl. 3). Das Drosselelement 16a ist dem Abgasauslasskanal 18a strömungstechnisch vorgeschaltet. Der Abgasauslasskanal 18a ist fluidtechnisch mit dem Abgassammelkanal 22a verbunden. Der Abgassammelkanal 22a weist im Bereich des Abgasauslasskanals 18a einen Siphon 34a auf, in welchen der Abgasauslasskanal 18a mündet.
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Das integrierte Drosselelement 16a wird während einer Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10a ausgebildet. Sowohl der Brennstoffzellentubus 12a als auch die Zuströmlanze 14a werden mittels eines Keramikspritzgussverfahrens geformt. Bei der Herstellung des Drosselelements 16a mittels des Spritzgussvorgangs wird eine der Anzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 32a entsprechende Anzahl von Stiften eine Spritzgussform der Zuströmlanze 14a eingebracht. Bei der Entformung der Zuströmlanze 14a werden die Stifte herausgezogen, wodurch die Gasdurchtrittsöffnungen 32a im Drosselelement 16a ausgebildet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden der Brennstoffzellentubus 12a und die Zuströmlanze 14a zusammengefügt und gemeinsam gesintert. Während der Sinterung schwinden die Zuströmlanze 14a und der Brennstoffzellentubus 12a und nähern sich dabei bis zur Berührung an. Die Höhe der Schwindung wird maßgeblich durch den Feststoffgehalt im CIM-Compound bestimmt und kann durch Variation der Feststoffmenge angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zuströmlanze 14a eine geringere Schwindung als der Brennstoffzellentubus 12a aufweist, sodass der Brennstoffzellentubus 12a auf die Zuströmlanze 14a aufschwinden und eine formgenaue Passung bilden kann. Geeignete Feststoffgehalte liegen beispielsweise bei 54Vol% Forsterit im Brennstoffzellentubus-Compound und 56Vol% im Zuströmlanzen-Compound. Nach dem Sintern sind die Zuströmlanze 14a und der Brennstoffzellentubus 12a unlösbar miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet. Zusätzlich wäre auch eine Verwendung einer Abdichtmasse denkbar. Die durch die Stifte entstehenden Löcher 38a in einer äußeren Wandung 36a des Abgassammelkanals 22a werden abschließend beispielsweise mittels eines Verglasungsprozesses verschlossen und abgedichtet.
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In den 4 bis 6 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung des anderen Ausführungsbeispiels, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 3 bis 6 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b und c ersetzt.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung einer alternativen Brennstoffzellenvorrichtung 10b mit einem Brennstoffzellentubus 12b und einer Zuströmlanze 14b. Die Zuströmlanze 14b ist innerhalb des Brennstoffzellentubus 12b angeordnet. Die Zuströmlanze 14b ist dazu vorgesehen, ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus 12b zu leiten. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist ein integriertes Drosselelement 16b auf, welches dazu vorgesehen ist, einen Gasleitwert wesentlich zu reduzieren. Das Drosselelement 16b ist einstückig mit der Zuströmlanze 14b ausgebildet. Das Drosselelement 16b ist in einem Fußbereich 20b der Zuströmlanze 14b angeordnet. 5 zeigt die Zuströmlanze 14b mit Drosselelement 16b in einer perspektivischen Ansicht. Das Drosselelement 16b ist als rampenförmiges Flanschelement 26b der Zuströmlanze 14b ausgebildet ist.
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Der Brennstoffzellentubus 12b weist einen Abgasauslasskanal 18b auf. Das Drosselelement 16b ist dem Abgasauslasskanal 18b strömungstechnisch vorgeschaltet. Das Drosselelement 16b dazu vorgesehen ist, einen Querschnitt des Abgasauslasskanals 18b im Brennstoffzellentubus 12b zu reduzieren.
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Das integrierte Drosselelement 16b wird während einer Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10b ausgebildet. Sowohl der Brennstoffzellentubus 12b als auch die Zuströmlanze 14b werden mittels eines Keramikspritzgussverfahrens geformt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden der Brennstoffzellentubus 12b und die Zuströmlanze 14b zusammengefügt und gemeinsam gesintert. Beim Zusammenfügen der Zuströmlanze 14b und des Brennstoffzellentubus 12b kann durch eine Ausrichtung des Drosselelements 16b relativ zu dem Abgasauslasskanal 18b eine Drosselwirkung eingestellt werden. Während der Sinterung schwinden die Zuströmlanze 14b und der Brennstoffzellentubus 12b und nähern sich dabei bis zur Berührung an. Die Höhe der Schwindung wird maßgeblich durch den Feststoffgehalt im CIM-Compound bestimmt und kann durch Variation der Feststoffmenge angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zuströmlanze 14b eine geringere Schwindung als der Brennstoffzellentubus 12b aufweist, sodass der Brennstoffzellentubus 12b auf die Zuströmlanze 14b aufschwinden und eine formgenaue Passung bilden kann. Geeignete Feststoffgehalte liegen beispielsweise bei 54Vol% Forsterit im Brennstoffzellentubus-Compound und 56Vol% im Zuströmlanzen-Compound. Nach dem Sintern sind die Zuströmlanze 14b und der Brennstoffzellentubus 12b unlösbar miteinander verbunden und gegeneinander abgedichtet.
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6 zeigt eine Zuströmlanze 14c mit einer alternativen Ausgestaltung eines Drosselelements 16c. Das Drosselelement 16c ist als schraubenförmiges Flanschelement 28c der Zuströmlanze 14c ausgebildet. Auch bei diesem Drosselelement 16c kann beim Zusammenfügen der Zuströmlanze 14c und einem Brennstoffzellentubus 12c durch eine Ausrichtung des Drosselelements 16c relativ zu einem Abgasauslasskanal 18c des Brennstoffzellentubus 12c eine Drosselwirkung eingestellt werden.
