WO2013079252A1 - Herstellungsverfahren für eine tubulare brennstoffzelle mit zweischichtigem kappenbereich des trägerkörpers - Google Patents

Herstellungsverfahren für eine tubulare brennstoffzelle mit zweischichtigem kappenbereich des trägerkörpers Download PDF

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injection molding
cavity
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tubular
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Thomas Loibl
Imke Heeren
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a tubular fuel cell, a tubular fuel cell, a fuel cell system, a Switzerlandkernwerkmaschine and a cogeneration unit equipped therewith or a vehicle equipped therewith.
  • Solid oxide fuel cells are used to generate electricity and possibly also heat and are often used in auxiliary power units or in combined heat and power plants (CHP) for domestic energy supply or industrial power supply and in power plants as well as on-board power generation Used vehicles. Since solid oxide fuel cells are conventionally operated at temperatures of 600 ° C to 1000 ° C, they are also referred to as high temperature fuel cells.
  • Solid oxide fuel cells may have a tubular or planar support body.
  • the fuel cells of the type of interest here have a tubular carrier body and are therefore to be delimited due to their geometric embodiment against planar design fuel cells.
  • Fuel cells with a tubular carrier body are also referred to as tubular fuel cells.
  • Tubular fuel cells can be designed both open on both sides, so that fuel gas or air can be passed through the tubular fuel cell, as well as executed on one end side closed, wherein fuel gas or air can be passed inside a lance in the fuel cell.
  • the present invention is a method for producing a tubular fuel cell by means of a Switzerlandkernwerkmaschines.
  • the tension core tool comprises at least one tool part forming a cavity and a traction core which can be positioned in the cavity in at least two positions.
  • a cavity can be formed between the tension core and the at least one cavity-forming tool part, which essentially follows the shape of a trainee on one side by a cap section
  • the traction core tool has at least one sprue channel opening into the cap portion-shaped cavity area.
  • a tubular (support) body can be understood to mean, in particular, a substantially hollow-cylindrical body, which in principle can have both a substantially round, for example circular or ovaloid (oval-shaped) and a polygonal base surface.
  • the tubular (carrier) body may have a circular base.
  • substantially hollow cylindrical can be understood in particular that the (carrier) body, for example, due to the cap portion and the later explained mounting portion may differ from an ideal hollow cylinder.
  • a ceramic material may, in particular, be understood as meaning an inorganic, non-metallic material.
  • a ceramic material may be at least partially crystalline.
  • a glassy material may be understood as meaning an inorganic, non-metallic, amorphous or noncrystalline material.
  • non-metallic it may be understood, in particular, that the material has no metallic properties, in particular based on a metallic bond.
  • the term non-metallic therefore does not exclude that the material may comprise metal compounds, for example metal oxides and / or silicates, for example magnesium silicate, zirconium oxide and / or aluminum oxide.
  • ceramic and / or glass-like can be understood in particular to include mixtures, for example, inorganic, non-metallic materials which are partially crystalline and partially amorphous or glassy, and for example, so-called glass phases.
  • step b) the tension core is positioned in a second, more remote from the runner second position can advantageously adjacent to the already filled with the first injection molding component cap-shaped cavity again form a cap portion-shaped cavity in which then in step c) the second Injection molding component can be injected.
  • a tubular carrier body for a tubular fuel cell of ceramic and / or vitreous materials closed on one side by a cap portion, the cap portion of which is gas-tight overall due to the layers covering each other and which may otherwise have porous or gas-permeable sections.
  • the electrochemically active electrode / electrolyte units of the fuel cell can be provided on the porous sections of the tubular carrier body.
  • the gas-tight cap portion due to the layers covering one another can thereby ensure that a gas, for example air or fuel gas, is supplied to the electrode / electrolyte units only through the porous sections and an "electrochemical short circuit" is avoided.
  • the load-bearing properties can be taken over by the tubular carrier body, which advantageously makes it possible to make the electrode-electrolyte units and in particular their electrolytes thinner.
  • the electrolyte can be made so thin even in this way that it only has a layer thickness of about 15 ⁇ .
  • the operating temperature can be lowered to at least 750 ° C, the performance of the fuel cell can be increased and the degradation tendency of the fuel cell can be significantly reduced.
  • the material cost can be saved by a thin design.
  • a reduction in the operating temperature also has the advantage that even cheaper materials can be used with a lower temperature stability, whereby the cost of materials can be further reduced.
  • the runner can advantageously be used to inject both the first and second injection components.
  • the method can reduce the number of removal process steps and cycle times. be graced.
  • the production can be simplified and accelerated as a whole.
  • the method advantageously makes it possible to avoid the formation of bine seams, which has an advantageous effect on the mechanical stability of the fuel cell.
  • in the process can be dispensed with a subsequent coating of the body and optionally on a separation of sprue fragments.
  • the sprue opens into a central
  • Area of the cap portion-shaped cavity area for example, at the apex of the cap portion-shaped cavity area.
  • a central gating in this area advantageously allows a weld line free gating of the entire component, especially since a uniform, circumferential flow front can form.
  • impurities in the ceramic and / or glassy body can be avoided.
  • a residence or displacement of the later-explained functional layer system can advantageously be avoided by central injection.
  • the sprue channel has an internal flow divider, in particular a so-called torpedo.
  • the tension core has a, for example, conical, extending in the direction of the flow divider,
  • the sprue pin can thereby extend into the central region of the cap portion-shaped cavity region.
  • the tension core in particular the sprue mandrel of the tension core, touches the flow divider in method step a), wherein the tension core, in particular the sprue mandrel of the tension core, does not touch the flow divider in process step c).
  • the layer of the second injection molding component may partially cover the layer of the first injection-molded component on the side facing away from the sprue channel. This can be achieved by moving the sprue mandrel of the tension core in step b) with the tension core away from the runner and thus away from the runner's flow divider.
  • the flow divider can be moved away from the traction core, in particular from the sprue mandrel of the traction core.
  • the first and second injection-molded components are designed to form an electrically insulating and / or ionically insulating, ceramic and / or glass-like material.
  • the first injection-molding component for forming a porous ceramic and / or glass-like material and the second injection-molded component for forming a gas-tight ceramic and / or glassy material is designed.
  • the first injection molding component can be designed, for example, to form a ceramic and / or glassy material with an open porosity of> 20%, for example> 25% or> 30% or> 40%, for example about 40%.
  • the porosity can be measured for example by means of diffusion or flow measurement, for example via so-called diffusion cells, for example according to Wicke-Kallenbach, mercury porosimetry and / or light or scanning electron microscopy.
  • the pores may have an average pore size of ⁇ 300 ⁇ , for example ⁇ 200 ⁇ or ⁇ 100 ⁇ or ⁇ 50 ⁇ .
  • the pores may have a substantially elongated shape.
  • the pores may have an average length in a range of> 100 ⁇ to ⁇ 300 ⁇ , in particular of> 150 ⁇ to ⁇ 250 ⁇ , for example of about 200 ⁇ , and an average diameter in a range of> 1 ⁇ to ⁇ 70 ⁇ , in particular from> 5 ⁇ to ⁇ 30 ⁇ , for example, from about> 5 ⁇ to ⁇ 10 ⁇ or of about 20 ⁇ have.
  • the pores can yield a percolating pore network with a throughput distribution in a range of> 1 ⁇ m to ⁇ 20 ⁇ m, in particular of> 1 ⁇ m to ⁇ 10 ⁇ m, for example of approximately 5 ⁇ m.
  • a pore penetration distribution advantageously a free gas diffusion, especially without the occurrence of a so-called Knudsen effect.
  • the first and second injection-molding components can be designed, for example, to form at least one ceramic and / or glass-like material which is selected from the group consisting of magnesium silicates, in particular forsterite, zirconium dioxide, in particular doped zirconium dioxide, for example with 6.5% by weight.
  • the first injection-molded component may in particular comprise a pore-forming agent.
  • the pore-forming agent can be removed in a subsequent process step, for example a debindering step and / or sintering step, to form pores.
  • the second injection-molded component can be free in particular pore-forming agent, in particular to form a gas-tight material.
  • first and second injection-molded components essentially (only) differ from each other in that the first injection-molded component, in contrast to the second injection-molding component, comprises a pore-forming agent.
  • a sandwich-like functional layer system can be arranged on the traction core or on at least one of the cavity-forming surfaces of the tool parts prior to process step a), which comprises at least one, a cathode, an anode and an electrolyte arranged therebetween comprising electrode-electrolyte unit is designed.
  • the functional layer system for forming a plurality of electrode-electrolyte units and, for example, for their electrical interconnection with each other and, for example, to their electrical and / or ionic isolation from each other be interpreted.
  • the functional layer system can have a cathode layer, an anode layer and an electrolyte layer arranged therebetween. simply include.
  • the functional layer system may comprise electrical insulation regions and / or electrical conduction regions.
  • the first injection-molded component is injected in such a way that the functional layer system, in particular completely, is covered with the first injection-molded component.
  • the functional layer system can be arranged, for example, in the form of a, in particular sleeve-shaped, film on the tension core.
  • functional layer system for example by screen printing, in particular by means of screen printing, applied to the tension core.
  • at least one removable layer may be provided between the tension core and the functional layer system, which has a low adhesion with respect to the tension core.
  • the functional layer system can already make a (provisional) binding with the first injection-molded component, which makes it possible to transfer the tension core into the second position without the functional layer system being substantially moved out of the position it has taken in the context of the process step a) or in the first position of the Switzerlandkernwerkmaschinemaschinees.
  • the second injection-molded component can thereby be injected in method step c) such that it overlaps or covers the functional layer system partially, in particular slightly.
  • the second injection-molded component may overlap or cover an edge section of the functional layer system, in particular an electrochemically inactive edge section of the functional layer system, for example an electrical insulation and / or line region of the functional layer system.
  • the functional layer system is arranged on the traction core or the cavity-forming surface of the tool parts such that the cathode / n, in particular the cathode layer, is arranged on the side of the functional layer system facing away from the traction core or the cavity-forming surface.
  • Such an arrangement can cause the cathode to be supplied with air by the porous, tubular carrier body, wherein the anode and electrical lines for electrically contacting the cathode and the anode are under a non-oxidizing or reducing fuel gas atmosphere (hydrogen, methane, ...) can be operated.
  • a non-oxidizing or reducing fuel gas atmosphere hydrogen, methane, Certainly
  • base metals and their alloys for example nickel or nickel alloys
  • the material and manufacturing costs can be reduced.
  • the method further comprises the method step d): solidifying the first and second injection-molded component.
  • process step d) may include a thermal treatment, for example at a temperature of ⁇ 1200 ° C.
  • the first and second injection-molded components are sintered together (cosintering).
  • cosintering an intimate connection between the two injection-molded components can be formed.
  • the functional layer system can also be sintered together with the first and second injection-molded components.
  • the injection-molded components can be adapted to each other in particular with regard to their sintering behavior. It is possible the absolute shrinkage Adjusting the solids contents of the injection molding components, wherein a low ceramic / glass content in the injection molding component can lead to a greater shrinkage than a high ceramic / glass content.
  • the sintering kinetics which can be described by the rate of sintering over the temperature, can be adjusted via grain sizes.
  • the first and second injection-molding components can also be freed of binders together (for example, thermally and / or by a solvent).
  • the functional layer system can be freed from binder together with the first and second injection-molded components.
  • the pore-forming agent can also be removed from the first injection-molding component.
  • Another object of the present invention is a tubular fuel cell.
  • the tubular fuel cell can in particular be produced by a method according to the invention.
  • the tubular fuel cell may include a tubular support body which is closed at a tube end by a cap portion and at least one electrode-electrolyte unit comprising a cathode, an anode and an electrolyte disposed therebetween.
  • the electrode-electrolyte unit (s) can be applied on the inside or on the outside, in particular on the inside, of the tubular support body, the tubular support body in particular in or in the section adjacent to the electrode-electrolyte unit (s)
  • Gas permeable pores and / or openings and in the cap portion may have at least two produced by injection molding, each other partially covering, ceramic and / or glassy layers.
  • an outer layer may be porous and an inner layer gas-tight.
  • the porous layer can in particular also form the section (s) of the tubular carrier body adjacent to the electrode / electrolyte unit (s).
  • the gas-tight layer may in particular partly overlap or cover the functional layer system, in particular slightly, for example an electrochemically inactive edge section of the functional layer system, for example an electrical insulation and / or line region of the functional layer system.
  • the present invention relates to a fuel cell system which comprises at least one, in particular a plurality, of fuel cells according to the invention. Moreover, the present invention relates to a Switzerlandkernwerkmaschine, in particular for use in the inventive method.
  • the present invention relates to a combined heat and power plant, for example for a residential or commercial building, an industrial plant, a power plant or a vehicle, for example a micro-CHP plant.
  • Coupling system and / or a vehicle, which / s at least one fuel cell according to the invention or a fuel cell system according to the invention comprises.
  • a (micro) combined heat and power plant may, in particular, be understood to mean a plant for the simultaneous generation of electricity and heat from an energy source.
  • Fig. 1-4 are schematic cross-sectional views illustrating an embodiment of the method according to the invention.
  • FIGs 1 to 4 illustrate an embodiment of a method according to the invention with a Switzerlandkernwerkmaschine invention.
  • FIG. 1 illustrates the tension core tool.
  • FIGS. 2 to 4 illustrate the method steps a), b) and c) of the method explained in more detail later.
  • FIG. 1 shows a Switzerlandkernwerkmaschine which two, forming a cavity tool parts 12a, 12b and a positionable in the cavity tension core 13, which in Figures 1 and 2 in the first position A and in Figures 3 and 4 in a second position B. is positioned.
  • FIG. 1 illustrates that between the tension core 13 and the cavity-forming tool parts 12a, 12b, a cavity 14, 14a can be formed, which substantially corresponds to the shape of a trainees unilaterally closed by a cap portion, tubular body.
  • FIGS. 1, 3 to 4 show that the shape of the cavity 14, 14 a, which is formed in the first position A shown in FIGS. 1 and 2, in particular due to the cavity 14 a ', which in the second shown in FIGS Position B is additionally formed, slightly different from the shape of the trainees shown in Figure 4, closed by a cap portion, tubular body 1, 2 can.
  • FIG. 1 further illustrates that the traction core tool has an opening in a central region of the cap portion-shaped cavity region 14a.
  • the tension core 13 is equipped with a conical sprue mandrel 13a which extends in the direction of the flow divider 16 and which contacts the flow divider 16 in FIG. 1 and during the process step a) shown in FIG.
  • FIG. 1 shows that prior to method step a), a sandwich-type functional layer system 3 was arranged on the tension core 13, which is designed to form at least one electrode-electrolyte unit having a cathode, an anode and an electrolyte arranged therebetween.
  • the functional layer system 3 is applied in the form of a sleeve-shaped film or by screen printing on the tension core 13.
  • FIG. 2 illustrates that in process step a) the tension core 13 is positioned in the first position A, wherein a first injection molding component 1 for forming a ceramic and / or vitreous material is injected through the runner 15 into the tension core tool 1 1 such that the functional layer system 3, in particular completely, with the first injection-molded component 1 is covered.
  • a first injection molding component 1 for forming a ceramic and / or vitreous material is injected through the runner 15 into the tension core tool 1 1 such that the functional layer system 3, in particular completely, with the first injection-molded component 1 is covered.
  • an entire tube of porous sintering material can be injected via the central annular sprue channel.
  • FIG. 3 illustrates that, in method step b), the tension core 13 is moved in the axial direction by a distance d and is positioned in the second position B which is farther from the runner 15, in which the runner 13a the flow divider
  • step c) the second injection molding component 2 can be injected.
  • the second injection-molded component 2 can partially overlap or cover the functional layer system 3, in particular a section d 'of the functional layer system 3, whereby advantageously “electrochemical" short circuits "can be avoided, in particular due to undesired gas passage.
  • FIG. 3 illustrates that within the scope of this embodiment in method step b) the flow divider 16 is also positioned or moved away from the traction core 13, in particular from the sprue mandrel 13 a of the traction core 13.
  • the flow dividers 16 shown in FIGS. 1 and 2 and in the flow dividers 16 shown in FIGS. 3 and 4 may be the flow dividers of different sprue systems.
  • the first runner system for injecting the first injection molding component 1 and the second runner system for injecting the second injection molding component 2 can be designed, both runner systems having flow dividers 16, which differ in particular in that the flow divider 16 of the first runner system moves further in the direction of the first runner system
  • the tension core 13, in particular of the sprue 13a of the tension core 13, extends as the flow divider of the second attachment system.
  • the Ceikerntechnikmaschinemaschinemaschine 1 1 can be moved for example by means of a rotary / sliding table or a turning tool.
  • FIG. 4 illustrates that in method step c) a second, different from the first different injection molding component 2 for forming a ceramic and / or glassy material through the sprue 15 in the Switzerlandkernwerkmaschine 1 1, in particular in the process step b) newly formed cap section cavity 14a ', is injected.
  • a layer of the second injection-molded component 2 is formed in method step c), which partially covers the layer of the first injection-molded component 1 formed in method step a) on the side facing away from the sprue channel 15.
  • the first injection-molded component 1 is designed to form a porous ceramic and / or glass-like material and the second injection-molded component 2 to form a gas-tight ceramic and / or glass-like material.
  • the first 1 and second 2 injection molding components can essentially (only) differ from each other in that the first injection-molded component 1, in contrast to the second injection-molded component 2, comprises a pore-forming agent.
  • the mandrel formed in the sprue 15 can basically be left on the carrier body. Inasmuch as the mandrel should interfere with assembly, however, it is also possible to separate it before a later solidification process step (d), in particular sintering step. At the vertex, a punctiform region of dense-sintered material would then be visible, which is surrounded by porous sintering material, which differs in color appearance and surface gloss from dense-sintering material.
  • FIG. 4 further illustrates that in this way a tubular fuel cell can be produced, which comprises a tubular carrier body 1, 2 closed at one tube end by a cap portion and a functional layer system 3 having an electrode-electrolyte unit.
  • the electrode-electrolyte units 3 are in the embodiment shown on the inside of the tubular support body 1, 2, which in the adjacent to the electrode-electrolyte units 3 section gas-permeable pores and in the cap portion two injection-molded, covering each other, ceramic and / or glassy layers 1, 2 has.
  • FIG. 4 further illustrates that the outer layer 1 may be porous and the inner layer 2 gas-tight, and that the porous layer 1 may also form the portion of the tubular carrier body 1, 2 adjoining the electrode-electrolyte units 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer tubulären Brennstoffzelle mittels eines Zugkernwerkzeugs (11), wobei das Zugkernwerkzeugs (11) mindestens ein, eine Kavität bildendes Werkzeugteil (12a, 12b), und einen, in der Kavität in mindestens zwei Stellungen (A,B) positionierbaren Zugkern (13) umfasst, wobei zwischen dem Zugkern (13) und dem mindestens einen kavitätsbildenden Werkzeugteil (12a, 12b) ein Hohlraum (14,14a) ausbildbar ist, welcher im Wesentlichen der Form eines auszubildenden einseitig durch einen Kappenabschnitt geschlossen, rohrförmigen Körpers entspricht, wobei das Zugkernwerkzeug (11) mindestens einen in den kappenabschnittförmigen Hohlraumbereich (14a) mündenden Angusskanal (15) aufweist. Das Verfahren umfasst dabei die Verfahrensschritte: a) Einspritzen einer ersten Spritzgusskomponente (1) zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal (15) in das Zugkernwerkzeug (11), wobei der Zugkern (13) in einer ersten Stellung (A) positioniert ist; b) Positionieren des Zugkerns (13) in einer zweiten Stellung (B), in welcher der Zugkern (13) vom Angusskanal (15) entfernter als in der ersten Stellung (A) ist; und c) Einspritzen einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Spritzgusskomponente (2) zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal (15) in das Zugkernwerkzeug (11). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine tubuläre Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem, ein Zugkernwerkzeug sowie eine damit ausgestattete Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise ein damit ausgestattetes Fahrzeug.

Description

Beschreibung Titel
HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EINE TUBULÄRE BRENNSTOFFZELLE MIT ZWEISCHICHTIGEM KAPPENBEREICH DES TRÄGERKÖRPERS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer tubulären Brennstoffzelle, eine tubuläre Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem, ein Zugkernwerkzeug sowie eine damit ausgestattete Kraft-Wärme-Kopplungsanlage beziehungsweise ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
Stand der Technik
Festoxidbrennstoffzellen (SOFC, Englisch: solide oxide fuel cell) dienen der Erzeugung von Strom und gegebenenfalls auch Wärme und werden häufig in Hilfsaggregaten oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) zur Hausenergieversorgung oder zur industriellen Energieversorgung und in Kraftwerken sowie zur Stromerzeugung an Bord von Fahrzeugen eingesetzt. Da Festoxidbrennstoffzellen herkömmlicherweise bei Temperaturen von 600 °C bis 1000 °C betrieben werden, werden sie auch als Hochtemperaturbrennstoffzellen bezeichnet.
Festoxidbrennstoffzellen können einen rohrförmigen oder planaren Trägerkörper aufweisen. Die Brennstoffzellen der hier interessierenden Art weisen einen rohrförmigen Trägerkörper auf und sind daher aufgrund ihrer geometrischen Ausführungsform gegen planar ausgebildete Brennstoffzellen abzugrenzen. Brennstoffzellen mit einem rohrförmigen Trägerkörper werden auch als tubuläre Brennstoffzellen bezeichnet. Tubuläre Brennstoffzellen können sowohl beidseitig offen ausgeführt sein, sodass Brenngas oder Luft durch die tubuläre Brennstoffzelle hindurch geleitet werden kann, als auch an einer Endseite geschlossen ausgeführt sein, wobei Brenngas oder Luft über eine Lanze innenseitig in die Brennstoffzelle geleitet werden kann. Die Druckschriften US 2008/0164641 A1 und US 6,558,597 B1 beschreiben Verfahren zur Herstellung von tubulären Brennstoffzellen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer tubulären Brennstoffzelle mittels eines Zugkernwerkzeugs.
Dabei umfasst das Zugkernwerkzeugs mindestens ein, eine Kavität bildendes Werkzeugteil und einen, in der Kavität in mindestens zwei Stellungen positionierbaren Zugkern. Zwischen dem Zugkern und dem mindestens einen kavitätsbil- denden Werkzeugteil ist dabei ein Hohlraum ausbildbar, welcher im Wesentli- chen der Form eines auszubildenden einseitig durch einen Kappenabschnitt
(oder auch Domabschnitt) geschlossen, rohrförmigen Körpers entspricht. Darüber hinaus weist das Zugkernwerkzeug mindestens einen in den kappenab- schnittförmigen Hohlraumbereich mündenden Angusskanal auf. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
a) Einspritzen einer ersten Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal in das Zugkernwerkzeug, wobei der Zugkern in einer ersten Stellung positioniert ist;
b) Positionieren des Zugkerns in einer zweiten Stellung, in welcher der Zugkern vom Angusskanal entfernter als in der ersten Stellung ist; und
c) Einspritzen einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den(selben) Angusskanal in das Zugkernwerkzeug. Unter einem rohrförmigen (Träger-) Körper kann insbesondere ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper verstanden werden, welcher grundsätzlich sowohl eine im Wesentlichen runde, beispielsweise kreisförmige oder ovaloide (ovalför- mig) als auch eine polygone Grundfläche aufweisen kann. Insbesondere kann der rohrförmige (Träger-) Körper eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Unter im Wesentlichen hohlzylindrisch kann dabei insbesondere verstanden werden, dass der (Träger-) Körper beispielsweise aufgrund des Kappenabschnitts und des später erläuterten Montageabschnitts von einem idealen Hohlzylinder abweichen kann.
Unter einem keramischen Material kann insbesondere ein anorganisches, nicht metallisches Material verstanden werden. Ein keramisches Material kann zumindest teilweise kristallin sein.
Unter einem glasartigen Material kann ein anorganisches, nicht metallisches, amorphes beziehungsweise nichtkristallines Material verstanden werden.
Unter nicht metallisch kann dabei insbesondere verstanden werden, dass das Material keine, insbesondere auf einer metallischen Bindungen beruhende, metallische Eigenschaften aufweist. Der Begriff nicht metallisch schließt daher nicht aus, dass das Material Metallverbindungen, beispielsweise Metalloxide und/oder -Silikate, zum Beispiel Magnesiumsilikat, Zirkoniumoxid und/oder Aluminiumoxid, umfassen kann.
Der Begriff keramisch und/oder glasartig kann insbesondere dahingehend verstanden werden, dass auch Mischformen umfasst sein sollen, beispielsweise anorganische, nicht metallische Materialien, welche teilweise kristallin und teilweise amorph beziehungsweise glasartig sind, und beispielsweise so genannte Glasphasen aufweisen.
Dadurch, dass in Verfahrensschritt b) der Zugkern in einer zweiten, vom Angusskanal entfernteren zweiten Stellung positioniert wird, kann sich vorteilhafterweise angrenzend an den bereits mit der ersten Spritzgusskomponente gefüllten kappenförmigen Hohlraum erneut ein kappenabschnittförmiger Hohlraum ausbilden, in welchen dann im Verfahrensschritt c) die zweite Spritzgusskomponente eingespritzt werden kann.
Dies ermöglicht es in Verfahrensschritt c) die zweite Spritzgusskomponente derart einzuspritzen, dass eine Schicht aus der zweiten Spritzgusskomponente ausgebildet wird, welche eine Schicht, aus der ersten Spritzgusskomponente teilweise bedeckt. So kann vorteilhafterweise ausschließlich durch den Einsatz einer Spritzgusstechnik eine tubuläre Brennstoffzelle hergestellt werden, welche einen rohrförmi- gen, Trägerkörper aufweist, der einseitig durch einen Kappenabschnitt geschlossen ist, wobei im Kappenabschnitt zwei keramische und/oder glasartige Schich- ten einander teilweise bedecken.
Durch den Einsatz einer porös sinternden Spritzgusskomponente und einer gasdicht sinternden Spritzgusskomponente ermöglicht dies wiederum einen rohrför- migen, einseitig durch einen Kappenabschnitt geschlossen Trägerkörper für eine tubuläre Brennstoffzelle aus keramischen und/oder glasartigen Materialien bereitzustellen, dessen Kappenabschnitt insgesamt aufgrund der einander bedeckenden Schichten gasdicht ist und der ansonsten poröse beziehungsweise gasdurchlässige Abschnitte aufweisen kann. Auf den porösen Abschnitten des rohr- förmigen Trägerkörpers können insbesondere die elektrochemisch aktiven Elekt- roden-Elektrolyt-Einheiten der Brennstoffzelle vorgesehen werden. Durch den aufgrund der einander bedeckenden Schichten gasdichten Kappenabschnitt kann dabei bewerkstelligt werden, dass den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten ein Gas, beispielsweise Luft oder Brenngas, nur durch die porösen Abschnitte zugeführt wird und ein„elektrochemischer Kurzschluss" vermieden wird.
Die tragenden Eigenschaften können dabei vom rohrförmigen Trägerkörper übernommen werden, wodurch vorteilhafterweise ermöglicht wird die Elektroden- Elektrolyt-Einheiten und insbesondere deren Elektrolyten dünner auszugestalten. Beispielsweise kann der Elektrolyt auf diese Weise sogar so dünn ausgestaltet werden, dass er nur noch eine Schichtdicke von etwa 15 μηι aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Betriebstemperatur auf zumindest 750 °C gesenkt, die Leistungsperformance der Brennstoffzelle gesteigert und die Degradationsneigung der Brennstoffzelle deutlich reduziert werden. Zudem können durch eine dünne Ausgestaltung der Material kosten eingespart werden. Eine Senkung der Betriebstemperatur hat zudem den Vorteil, dass auch günstigere Materialien mit einer geringeren Temperaturstabilität verwendet werden können, wodurch die Material kosten weiter gesenkt werden können.
Der Angusskanal kann vorteilhafterweise zum Einspritzen sowohl der ersten als auch der zweiten Spritzgusskomponente verwendet werden. Zudem kann durch das Verfahren die Zahl der Entnahmeverfahrensschritte sowie Taktzeiten redu- ziert werden. So kann vorteilhafterweise die Herstellung insgesamt vereinfacht und beschleunigt werden.
Insbesondere kann durch das Verfahren vorteilhafterweise eine Bildung von Bin- denähten vermieden werden, was sich vorteilhaft auf die mechanische Stabilität der Brennstoffzelle auswirkt. Zudem kann bei dem Verfahren auf eine nachträgliche Beschichtung des Körpers und gegebenenfalls auf ein Abtrennen von Angussfragmenten verzichtet werden. Im Rahmen einer Ausführungsform mündet der Angusskanal in einen zentralen
Bereich des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs, beispielsweise im Scheitelpunkt des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs. Eine zentrale Anspritzung in diesem Bereich ermöglicht vorteilhafterweise eine Bindenaht freie Anspritzung des gesamten Bauteils, insbesondere da sich eine gleichmäßige, umlaufende Strömungsfront ausbilden kann. So können vorteilhafterweise Störstellen in dem keramischen und/oder glasartigen Körper vermieden werden. Zudem kann durch eine zentrale Anspritzung vorteilhafterweise eine Verweilung oder Verschiebung des später erläuterten Funktionsschichtsystems vermieden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Angusskanal einen innen liegenden Strömungsteiler, insbesondere einen so genannten Torpedo, auf.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist der Zugkern einen, sich in Richtung des Strömungsteilers erstreckenden, beispielsweise kegelförmigen,
Angussdorn auf. Insbesondere kann sich der Angussdorn dabei in den zentralen Bereich des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs erstrecken.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform berührt der Zugkern, insbesondere der Angussdorn des Zugkerns, in Verfahrensschritt a) den Strömungsteiler, wobei der Zugkern, insbesondere der Angussdorn des Zugkerns, in Verfahrensschritt c) den Strömungsteiler nicht berührt. Auf diese Weise kann die Schicht aus der zweiten Spritzgusskomponente die Schicht aus der ersten Spritzgusskomponente teilweise auf der dem Angusskanal abgewandten Seite bedecken. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass der Angussdorn des Zugkerns in Verfahrensschritt b) mit dem Zugkern von dem Angusskanal und damit von dem Strömungsteiler des Angusskanals weg bewegt wird. Zusätzlich kann in Verfahrensschritt b) der Strömungsteiler von dem Zugkern, insbesondere von dem Angussdorn des Zugkerns, weg bewegt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die erste und zweite Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines elektrisch isolierenden und/oder ionisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die erste Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines porösen keramischen und/oder glasartigen Materials und die zweite Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt. Die erste Spritzgusskomponente kann beispielsweise zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials mit einer offenen Porosität von > 20 %, beispielsweise von > 25 % oder von > 30 % oder von > 40 %, zum Beispiel von etwa 40 %, ausgelegt sein. Die Porosität kann beispielsweise mittels Diffusions- beziehungsweise Durchströmungsmessung, beispielsweise über so genannte Diffusionszellen zum Beispiel nach Wicke-Kallenbach, Quecksilberporosimetrie und/oder Licht- beziehungsweise Rasterelektronenmikroskopie gemessen werden.
Die Poren können eine durchschnittliche Porengröße von < 300 μηι, beispielsweise < 200 μηι oder < 100 μηι oder < 50 μηι, aufweisen. Insbesondere können die Poren eine im Wesentlichen längliche Form aufweisen. Beispielsweise können die Poren eine durchschnittliche Länge in einem Bereich von > 100 μηι bis < 300 μηι, insbesondere von > 150 μηι bis < 250 μηι, zum Beispiel von etwa 200 μηι, und eine durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von > 1 μηι bis < 70 μηι, insbesondere von > 5 μηι bis < 30 μηι, zum Beispiel von etwa > 5 μηι bis < 10 μηι oder von etwa 20 μηι, aufweisen.
Die Poren können insbesondere ein perkolierendes Porennetzwerk mit einer Durchgangsverteilung in einem Bereich von > 1 μηι bis < 20 μηι, insbesondere von > 1 μηι bis < 10 μηι, zum Beispiel von etwa 5 μηι, ergeben. Durch eine derar- tige Porendurchgangsverteilung kann vorteilhafterweise eine freie Gasdiffusion, insbesondere ohne das Auftreten eines so genannten Knudsen-Effekts, ermöglicht werden.
Die erste und zweite Spritzgusskomponente können beispielsweise zur Ausbil- dung mindestens eines keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt sein, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumsilikaten, insbesondere Forsterit, Zirkoniumdioxid, insbesondere dotiertes Zirkoniumdioxid, beispielsweise mit 6,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y203) dotiertes Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Gemischen, Spinellen, beispiels- weise Magnesiumaluminat, Zirkoniumoxid-Glas-Gemischen, Zinkoxid und Kombinationen davon.
Die erste Spritzgusskomponente kann dabei insbesondere einen Porenbildner umfassen. Der Porenbildner kann in einem folgenden Verfahrensschritt, bei- spielsweise einem Entbinderungsschritt und/oder Sinterschritt, unter Ausbildung von Poren entfernt werden.
Die zweite Spritzgusskomponente kann dabei insbesondere Porenbildner frei sein, insbesondere um ein gasdichtes Material auszubilden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform unterscheiden sich die erste und zweite Spritzgusskomponente im Wesentlichen (nur) dadurch voneinander, dass die erste Spritzgusskomponente im Gegensatz zur zweiten Spritzgusskomponente einen Porenbildner umfasst.
Um den rohrförmigen Trägerkörper mit Elektroden-Elektrolyteinheiten zu versehen kann vor dem Verfahrensschritt a) auf dem Zugkern oder auf mindestens einer der kavitätsbildenden Flächen der Werkzeugteile ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem angeordnet werden, welches zum Ausbilden mindestens einer, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisenden Elektroden-Elektrolyt-Einheit ausgelegt ist. Insbesondere kann das Funktionsschichtsystem zum Ausbilden einer Vielzahl von Elektroden-Elektrolyt- Einheiten und beispielsweise zu deren elektrischer Verschaltung miteinander und zum Beispiel zu deren elektrischer und/oder ionischer Isolation voneinander aus- gelegt sein. Unter anderem kann das Funktionsschichtsystem dafür eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine dazwischen angeordnete Elektrolyt- schlicht umfassen. Um Elektroden-Elektrolyt-Einheiten voneinander ionisch zu trennen und/oder voneinander elektrisch zu trennen und/oder miteinander elektrisch zu verbinden kann das Funktionsschichtsystem elektrische Isolationsbereiche und/oder elektrische Leitungsbereiche umfassen.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt a) die erste Spritzgusskomponente derart eingespritzt, dass das Funktionsschichtsystem, insbesondere vollständig, mit der ersten Spritzgusskomponente bedeckt wird. Das Funktionsschichtsystem kann beispielsweise in Form einer, insbesondere hülsenförmigen, Folie auf dem Zugkern angeordnet sein. Es ist jedoch ebenso möglich, dass Funktionsschichtsystem, beispielsweise mittels Siebdruck, insbesondere mittels Rundsiebdruck, auf den Zugkern aufzubringen. Insbesondere kann dabei zwischen dem Zugkern und dem Funktionsschichtsystem mindestens eine entfernbare Schicht vorgesehen sein, welche eine geringe Haftung bezüglich des Zugkerns aufweist.
Nach dem Einspritzen der ersten Spritzgusskomponente in Verfahrensschritt a) kann das Funktionsschichtsystem bereits mit der ersten Spritzgusskomponente eine (provisorische) Bindung eingehen, welche es ermöglicht den Zugkern in die zweite Position zu überführen ohne dass dabei das Funktionsschichtsystem wesentlich aus der Position heraus bewegt wird, welches es im Rahmen des Verfahrensschrittes a) beziehungsweise in der ersten Position des Zugkernwerkzeuges eingenommen hat.
Die zweite Spritzgusskomponente kann dadurch in Verfahrensschritt c) derart eingespritzt werden, dass sie das Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig, überlappt beziehungsweise bedeckt. Beispielsweise kann dabei die zweite Spritzgusskomponente einen Randabschnitt des Funktionsschichtsys- tems, insbesondere einen elektrochemisch unaktiven Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, beispielsweise einen elektrischen Isolations- und/oder Leitungsbereich des Funktionsschichtsystems, überlappen beziehungsweise bedecken. Durch eine Überlappung kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Gasdichtigkeit erzielt werden. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird das Funktionsschichtsystem derart auf dem Zugkern oder der kavitätsbildenden Fläche der Werkzeugteile angeordnet ist, dass die Kathode/n, insbesondere die Kathodenschicht, auf der, dem Zugkern beziehungsweise der kavitätsbildenden Fläche abgewandten Seite des Funktionsschichtsystems angeordnet ist.
Durch eine derartige Anordnung kann bewirkt werden, dass die Kathode durch den porösen, rohrförmigen Trägerkörper mit Luft versorgt werden kann, wobei die Anode und elektrische Leitungen zur elektrischen Kontaktierung der Kathode und der Anode unter einer nicht-oxidierenden beziehungsweise reduzierenden Brenngasatmosphäre (Wasserstoff, Methan, ...) betrieben werden können. Dies weist den Vorteil auf, dass unedle Metalle und deren Legierungen, zum Beispiel Nickel oder Nickellegierungen, als Anodenmaterial und/oder als Material für elektrische Leitungen, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung der Anode und der Kathode, verwendet werden können, welche unter reduzierender Atmosphäre auch bei hohen Temperaturen eine hohe chemische Stabilität aufweisen können, was ansonsten, insbesondere unter oxidierender Atmosphäre, nur durch kostenintensive, edle Metalle, wie Platin, erzielt werden kann. So können vorteilhafterweise die Material- und Herstellungskosten verringert werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt d): Verfestigen der ersten und zweiten Spritzgusskomponente. Insbesondere kann Verfahrensschritt d) eine thermische Behandlung, beispielsweise bei einer Temperatur von < 1200 °C, einschließen.
Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform werden in Verfahrensschritt d) die erste und zweite Spritzgusskomponente gemeinsam ge- sintert (Cosinterung). Während des Sinterns kann eine innige Verbindung zwischen den beiden Spritzgusskomponenten ausgebildet werden. Insbesondere kann dabei auch das Funktionsschichtsystem gemeinsam mit der ersten und zweiten Spritzgusskomponente gesintert werden. Die Spritzgusskomponenten können insbesondere bezüglich ihres Sinterverhaltens aufeinander angepasst sein. Dabei ist es möglich die Absolutschwindung über die Feststoffgehalte der Spritzgusskomponenten einzustellen, wobei ein geringer Keramik/Glas-Gehalt in der Spritzgusskomponente zu einer größeren Schwindung führen kann als ein hoher Keramik/Glas-Gehalt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Sinterkinetik, welche durch die Sinterrate über die Temperatur beschrieben werden kann, über Korngrößen eingestellt werden.
In Verfahrensschritt d) können die erste und zweite Spritzgusskomponente auch gemeinsam, beispielsweise thermisch und/oder durch ein Lösungsmittel, von Bindemitteln befreit (entbindert) werden. Dabei kann insbesondere auch das Funktionsschichtsystem gemeinsam mit der ersten und zweiten Spritzgusskomponente von Bindemittel befreit (entbindert) werden.
Insbesondere kann in Verfahrensschritt d) auch der Porenbildner aus der ersten Spritzgusskomponente entfernt werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang den Figuren verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine tubuläre Brennstoffzelle.
Die tubuläre Brennstoffzelle kann insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt sein.
Insbesondere kann die tubuläre Brennstoffzelle einen rohrförmigen Trägerkörper, welcher an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen ist und mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit, welche eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassen. Die Elektroden- Elektrolyt-Einheit/en können dabei auf der Innenseite oder auf der Außenseite, insbesondere auf der Innenseite, des rohrförmigen Trägerkörpers aufgebracht sein, wobei der rohrförmige Trägerkörper insbesondere in dem oder in den an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en angrenzenden Abschnitt/en gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen und in dem Kappenabschnitt mindestens zwei durch Spritzguss hergestellte, einander teilweise bedeckende, keramische und/oder glasartige Schichten aufweisen kann. Insbesondere kann in dem Kappenabschnitt eine äußere Schicht porös und eine innere Schicht gasdicht ausgestaltet sein. Die poröse Schicht kann dabei insbesondere auch die an die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en angrenzenden Ab- schnitt/en des rohrförmigen Trägerkörpers ausbilden. Die gasdichte Schicht kann insbesondere das Funktionsschichtsystem teilweise, insbesondere geringfügig, beispielsweise einen elektrochemisch unaktiven Randabschnitt des Funktionsschichtsystems, zum Beispiel einen elektrischen Isolations- und/oder Leitungsbereich des Funktionsschichtsystems, überlappen beziehungsweise bedecken.
Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen tubulären Brennstoffzelle wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Figuren verwiesen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, welches mindestens eine, insbesondere eine Vielzahl von, erfindungsgemäßen Brennstoffzellen umfasst. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Zugkernwerkzeug, insbesondere zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, beispielsweise für ein Wohn- oder Geschäftshaus, eine Industrieanlage, ein Kraftwerk oder ein Fahrzeug, zum Beispiel eine Mikro- Kraft- Wärme-
Kopplungsanlage, und/oder ein Fahrzeug, welche/s mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst. Unter einer (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kann insbesondere eine Anlage zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Energieträger verstanden werden.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des Brennstoffzellensystems, des Zugkernwerkzeugs, der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und des Fahrzeugs wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsge- mäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sowie den Figuren verwiesen. Zeichnungen und Beispiele
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
Fig. 1-4 schematische Querschnittsansichten zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 1 bis 4 veranschaulichen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem erfindungsgemäßen Zugkernwerkzeug.
Figur 1 illustriert dabei das Zugkernwerkzeug. Die Figuren 2 bis 4 veranschaulichen die später näher erläuterten Verfahrensschritt a), b) und c) des Verfahrens.
Figur 1 zeigt ein Zugkernwerkzeug, welches zwei, eine Kavität bildende Werkzeugteile 12a, 12b sowie einen, in der Kavität positionierbaren Zugkern 13 aufweist, welcher in den Figuren 1 und 2 in ersten Stellungen A und in den Figuren 3 und 4 in einer zweiten Stellung B positioniert ist.
Figur 1 illustriert, dass zwischen dem Zugkern 13 und den kavitätsbildenden Werkzeugteilen 12a, 12b ein Hohlraum 14, 14a ausbildbar ist, welcher im Wesentlichen der Form eines auszubildenden einseitig durch einen Kappenabschnitt geschlossen, rohrförmigen Körpers entspricht. Die Figuren 1 , 3 bis 4 zeigen, dass die Form des Hohlraums 14, 14a, welcher in der in den Figur 1 und 2 gezeigten, ersten Stellung A ausgebildet ist, insbesondere aufgrund des Hohlraums 14a', welcher in der in Figuren 3 gezeigten zweiten Stellung B zusätzlich ausgebildet wird, geringfügig von der Form des in Figur 4 gezeigten auszubildenden, durch einen Kappenabschnitt geschlossen, rohrförmigen Körpers 1 ,2 anweichen kann. Figur 1 veranschaulicht weiterhin, dass das Zugkernwerkzeug einen, in einen zentralen Bereich des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs 14a münden- den Angusskanal 15 aufweist, in welchem ein innen liegender Strömungsteiler 16, insbesondere einen so genannten Torpedo, vorgesehen ist. Der Zugkern 13 ist dabei mit einem, sich in Richtung des Strömungsteilers 16 erstreckenden, kegelförmigen Angussdorn 13a ausgestattet, welcher in Figur 1 und während des in Figur 2 dargestellten Verfahrensschritts a) den Strömungsteiler 16 berührt.
Figur 1 zeigt, dass vor dem Verfahrensschritt a) ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem 3 auf dem Zugkern 13 angeordnet wurde, welches zum Ausbilden mindestens einer, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisenden Elektroden-Elektrolyt-Einheit ausgelegt ist. Das Funktionsschichtsystem 3 ist dabei in Form einer hülsenförmigen Folie oder mittels Siebdruck auf dem Zugkern 13 aufgebracht.
Figur 2 veranschaulicht, dass in Verfahrensschritt a) der Zugkern 13 in der ersten Stellung A positioniert ist, wobei eine erste Spritzgusskomponente 1 zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials derart durch den Angusskanal 15 in das Zugkernwerkzeug 1 1 eingespritzt wird, dass das Funktionsschichtsystem 3, insbesondere vollständig, mit der ersten Spritzgusskomponente 1 bedeckt wird. In diesem Prozessschritt kann insbesondere ein gesamter Tubus aus porös sinterndem Material über den zentralen Ringangusskanal gespritzt werden.
Figur 3 illustriert, dass in Verfahrensschritt b) der Zugkern 13 um eine Strecke d in axialer Richtung bewegt und in der zweiten, vom Angusskanal 15 entfernteren Stellung B positioniert wird, in welcher der Angussdorn 13a den Strömungsteiler
16 nicht mehr berührt. Dabei bildet sich angrenzend an den bereits in Verfahrensschritt a) mit der ersten Spritzgusskomponente 1 gefüllten kappenförmigen Hohlraum 14a erneut ein kappenabschnittförmiger Hohlraum 14a' aus, in welchen in Verfahrensschritt c) die zweite Spritzgusskomponente 2 eingespritzt wer- den kann. Dabei kann die zweite Spritzgusskomponente 2 teilweise das Funktionsschichtsystem 3, insbesondere einen Abschnitt d' des Funktionsschichtsystems 3, überlappen beziehungsweise bedecken, wodurch vorteilhafterweise „elektrochemische" Kurzschlüsse" - insbesondere aufgrund von ungewolltem Gasdurchtritt - vermieden werden können. Zudem veranschaulicht Figur 3, dass im Rahmen dieser Ausführungsform in Verfahrensschritt b) auch der Strömungsteiler 16 von dem Zugkern 13, insbesondere von dem Angussdorn 13a des Zugkerns 13, weg positioniert beziehungsweise bewegt wird.
Insbesondere kann es sich bei den in Figur 1 und 2 und bei den in Figur 3 und 4 gezeigten Strömungsteilern 16 um die Strömungsteiler von unterschiedlichen Angusssystemen handeln. Beispielsweise kann das erste Angusssystem zum Einspritzen der ersten Spritzgusskomponente 1 und das zweite Angusssystem zum Einspritzen der zweiten Spritzgusskomponente 2 ausgelegt sein, wobei beide Angusssysteme Strömungsteiler 16 aufweisen, welche sich insbesondere dadurch unterscheiden, dass sich der Strömungsteiler 16 des ersten Angusssystems sich weiter in Richtung des Zugkerns 13, insbesondere des Anguss- dorns 13a des Zugkerns 13, erstreckt als der Strömungsteiler des zweiten An- gusssystems. Zwischen den Angusssystemen kann das Zugkernwerkzeug 1 1 beispielsweise mittels eines Dreh-/Schiebetischs oder eines Wendeplattenwerkzeugs bewegt werden.
Figur 4 veranschaulicht, dass in Verfahrensschritt c) eine zweite, von der ersten unterschiedlichen Spritzgusskomponente 2 zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal 15 in das Zugkernwerkzeug 1 1 , insbesondere in den in Verfahrensschritt b) neu ausgebildeten kappen- abschnittförmigen Hohlraum 14a', eingespritzt wird. Dabei wird in Verfahrensschritt c) eine Schicht aus der zweiten Spritzgusskomponente 2 ausgebildet, wel- che die in Verfahrensschritt a) ausgebildete Schicht aus der ersten Spritzgusskomponente 1 auf der dem Angusskanal 15 abgewandten Seite teilweise bedeckt.
Die erste Spritzgusskomponente 1 ist dabei zum Ausbilden eines porösen kera- mischen und/oder glasartigen Materials und die zweite Spritzgusskomponente 2 zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt. Dabei können sich die erste 1 und zweite 2 Spritzgusskomponente im Wesentlichen (nur) dadurch voneinander unterscheiden, dass die erste Spritzgusskomponente 1 im Gegensatz zur zweiten Spritzgusskomponente 2 einen Porenbildner umfasst. Nach der Entnahme des Formlings aus dem Zugkernwerkzeug kann der im Angusskanal 15 ausgebildete Dorn grundsätzlich an dem Trägerkörper belassen werden. Insofern der Dorn bei der Montage stören sollte, ist es jedoch ebenso möglich diesen vor einem späteren Verfestigungsverfahrensschritt (d), insbesondere Sinterschritt, abzutrennen. Am Scheitelpunkt würde dann ein punktförmiger Bereich aus dichtsinterndem Material sichtbar werden, welcher von porös sinterndem Material umgeben ist, welches sich in der Farberscheinung und dem Oberflächenglanz vom dicht sinternden Material unterscheidet.
Figur 4 veranschaulicht weiterhin, dass auf diese Weise eine tubuläre Brennstoffzelle hergestellt werden kann, welche einen rohrförmigen, an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen Trägerkörper 1 ,2 und ein Elektroden-Elektrolyt-Einheiten aufweisendes Funktionsschichtsystem 3 umfasst. Die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 3 sind im Rahmen der gezeigten Ausgestaltung auf der Innenseite des rohrförmigen Trägerkörpers 1 ,2, welcher in dem an die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 3 angrenzenden Abschnitt gasdurchlässige Poren und in dem Kappenabschnitt zwei durch Spritzguss hergestellte, einander bedeckende, keramische und/oder glasartige Schichten 1 ,2 aufweist.
Figur 4 illustriert ferner, dass die äußere Schicht 1 porös und die innere Schicht 2 gasdicht ausgestaltet sein kann und dass die poröse Schicht 1 auch den an die Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 3 angrenzende Abschnitt des rohrförmigen Trägerkörpers 1 ,2 ausbilden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer tubulären Brennstoffzelle mittels eines Zugkernwerkzeugs (11), wobei das Zugkernwerkzeugs (11):
mindestens ein, eine Kavität bildendes Werkzeugteil (12a, 12b), und - einen, in der Kavität in mindestens zwei Stellungen (A,B) positionierbaren Zugkern (13),
umfasst, wobei zwischen dem Zugkern (13) und dem mindestens einen kavi- tätsbildenden Werkzeugteil (12a, 12b) ein Hohlraum (14, 14a) ausbildbar ist, welcher im Wesentlichen der Form eines auszubildenden einseitig durch ei- nen Kappenabschnitt geschlossen, rohrförmigen Körpers entspricht, wobei das Zugkernwerkzeug (1 1) mindestens einen in den kappenabschnittförmi- gen Hohlraumbereich (14a) mündenden Angusskanal (15) aufweist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst:
a) Einspritzen einer ersten Spritzgusskomponente (1) zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal (15) in das Zugkernwerkzeug (11), wobei der Zugkern (13) in einer ersten Stellung (A) positioniert ist;
b) Positionieren des Zugkerns (13) in einer zweiten Stellung (B), in welcher der Zugkern (13) vom Angusskanal (15) entfernter als in der ersten Stel- lung (A) ist; und
c) Einspritzen einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Spritzgusskomponente (2) zum Ausbilden eines keramischen und/oder glasartigen Materials durch den Angusskanal (15) in das Zugkernwerkzeug (11). 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Verfahrensschritt c) die zweite Spritzgusskomponente (2) derart durch den Angusskanal (15) in das Zugkernwerkzeug (1 1) eingespritzt wird, dass eine Schicht aus der zweiten Spritzgusskomponente (2) ausgebildet wird, welche eine Schicht, aus der ersten Spritzgusskomponente (1 ) teilweise bedeckt, insbesondere wobei die Schicht aus der zweiten Spritzgusskomponente (2) die Schicht aus der ers- ten Spritzgusskomponente (1 ) auf der dem Angusskanal (15) abgewandten Seite teilweise bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Angusskanal (15) in einen zentralen Bereich des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs (14a) mündet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Angusskanal (15) einen innen liegenden Strömungsteiler (16), insbesondere einen Torpedo, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Zugkern (13) einen, sich in Richtung des Strömungsteilers (16) erstreckenden, insbesondere kegelförmigen, An- gussdorn (13a) aufweist, insbesondere wobei sich der Angussdorn (13a) in den zentralen Bereich des kappenabschnittförmigen Hohlraumbereichs (14a) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5
wobei in Verfahrensschritt a) der Zugkern (13), insbesondere der Angussdorn (13a) des Zugkerns (13), den Strömungsteiler (16) berührt, und wobei in Verfahrensschritt c) der Zugkern (13), insbesondere der Angussdorn (13a) des Zugkerns (13), den Strömungsteiler (16) nicht berührt,
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei in Verfahrensschritt b) der Strömungsteiler (16) von dem Zugkern (13), insbesondere von dem Angussdorn (13a) des Zugkerns (13), weg bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die erste (1 ) und zweite (2) Spritzgusskomponente zum Ausbilden eines elektrisch isolierenden und/oder ionisch isolierenden, keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die erste Spritzgusskomponente (1 ) zum Ausbilden eines porösen keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt ist, und wobei die zweite Spritzgusskomponente (2) zum Ausbilden eines gasdichten keramischen und/oder glasartigen Materials ausgelegt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die sich die erste (1) und zweite (2) Spritzgusskomponente im Wesentlichen dadurch voneinander unterscheiden, dass die erste Spritzgusskomponente (1) im Gegensatz zur zweiten Spritzgusskomponente (2) einen Porenbildner umfasst.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei vor dem Verfahrens- schritt a) auf dem Zugkern (13) oder auf mindestens einer der kavitätsbil- denden Flächen der Werkzeugteile (12a, 12b) ein sandwichartiges Funktionsschichtsystem (3) angeordnet wird, welches zum Ausbilden mindestens einer, eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisenden Elektroden-Elektrolyt-Einheit ausgelegt ist
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Funktionsschichtsystem (3) derart auf dem Zugkern (13) oder der kavitätsbildenden Fläche der Werkzeugteile (12a, 12b) angeordnet wird, dass die Kathode auf der, dem Zugkern (13) beziehungsweise der kavitätsbildenden Fläche abge- wandten Seite des Funktionsschichtsystems (3) angeordnet ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt d):
Verfestigen der ersten (1 ) und zweiten (2) Spritzgusskomponente, umfasst,
insbesondere wobei das Verfestigen eine thermische Behandlung, beispielsweise bei einer Temperatur von < 1200 °C, einschließt;
insbesondere wobei in Verfahrensschritt d) die erste (1) und zweite (2) Spritzgusskomponente gemeinsam gesintert werden,
insbesondere wobei auch das Funktionsschichtsystem (3) gemeinsam mit der ersten (1) und zweiten (2) Spritzgusskomponente gesintert wird.
Tubuläre Brennstoffzelle, umfassend
- einen rohrförmigen Trägerkörper (1 ,2), welcher an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen ist und - mindestens eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit (3), welche eine Kathode, eine Anode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, wobei die Elektroden-Elektrolyt-Einheit/en (3) auf der Innenseite oder auf der Außenseite, insbesondere auf der Innenseite, des rohrförmigen Trägerkörpers (1 ,2) aufgebracht sind,
wobei der rohrförmige Trägerkörper (1 ,2) in dem oder in den an die Elektro- den-Elektrolyt-Einheit/en (3) angrenzenden Abschnitt/en (1) gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen aufweist,
wobei der rohrförmige Trägerkörper (1 ,2) in dem Kappenabschnitt mindestens zwei durch Spritzguss hergestellte, einander teilweise bedeckende, keramische und/oder glasartige Schichten (1 ,2) aufweist.
15. Tubuläre Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei in dem Kappenabschnitt eine äußere Schicht (1) porös und eine innere Schicht (2) gasdicht ausgestaltet ist, insbesondere wobei die poröse Schicht (1 ) auch die an die Elektro- den-Elektrolyt-Einheit/en (3) angrenzenden Abschnitt/en des rohrförmigen Trägerkörpers (1 ,2) ausbildet.
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