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 (Y ₂ 0 ₃ ) 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.