CN101971397B - 阻挡层 - Google Patents

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Abstract

阳极和电解质以及阴极在燃料电池使用时处于材料直接接触，从而阳极和电解质以及阴极和电解质，特别是在温度＞400℃时可按照固体化学的方式进行反应。这种反应导致阳极的材料转移到电解质中或者相反，或阴极的材料转移到电解质中或者相反。由此的影响是燃料电池的能量产量的变化。为防止这种影响，根据本发明提出，在电解质(1)与阳极(2)之间和/或电解质(1)与阴极(3)之间布置阻挡层(5)并且该阻挡层(5)由具有开孔和/或者闭孔(6)的区域组成，并且通过由此产生的支架形成功能上用于扩散的贯通路径。

Description

阻挡层
本发明涉及一种燃料电池中的用于防止电解质与阳极以及电解质与阴极之间的反应的阻挡层。
阳极与电解质以及阴极与电解质在燃料电池应用中处于直接材料接触。在这里尤其要提到的是高温燃料电池，例如工作温度＞400℃的SOFC(Solid OxideFuel Cells，固体氧化物燃料电池)。根据现有技术，阳极与电解质以及阴极与电解质在温度＞400℃时按照固体化学的方式进行反应。这种反应导致，阳极的材料转移到电解质内或者相反，或阴极的材料转移到电解质内或者相反。由此的影响是燃料电池的能量产量的变化。这种变化是通过温度上升和/或持续的持续时间而加速的过程。
为防止扩散，目前使用阻挡层，阻挡层的特性是尽可能高的材料密度、所谓的致密结构，如在图1中作为现有技术所示的那样。图1示意性地示出常规燃料电池中的层构造。1表示电解质，2表示阳极并且3表示阴极。特别致密的阻挡层4处于电解质1与阳极2以及电解质1与阴极3之间。但是一方面难以产生致密结构，而另一方面不能将层制造为厚得阻止电池内的化学过程。
本发明的任务在于，提供一种阻挡层，该阻挡层最大程度地抑制电解质与阳极以及与阴极之间的固体化学反应。
该任务利用第一权利要求表明的特征来解决，本发明的有利扩展方案在从属权利要求中主张。
与现有技术相反，根据本发明有针对性地将孔隙度()引入到阻挡层中，如图2所示。在图2中，根据本发明的具有孔6的阻挡层5处于电解质1与阳极2之间。7表示各层之间想象的边界。与电介质1朝向阳极2的扩散方向相反地可以看到孔6和孔通道8、即孔隙度的增加。因此，阻挡层5包括开孔和/或闭孔的区域，由此阻挡层5的材料形成支架结构(Gerüststruktur)。
由于这些孔6，产生可以在其中进行扩散的材料的缺乏，因为只有由阻挡层的材料形成的支架结构才提供扩散的可能性。不是作为空腔的孔6，而是支架结构是实际的功能载体。因此，无论或开或闭的孔都意图替代材料。由于这些孔，产生尽可能窄的固体化学反应路径，这些反应路径阻止从阳极向电解质内或者相反和/或从阴极向电解质内或者相反的自由扩散或大面积的扩散。
阻挡层是一种电化学的功能层并优选由陶瓷构成。
阻挡层的层厚度为0.1至40μm。阻挡层的层厚度取决于颗粒尺寸，该颗粒尺寸又对孔的尺寸有影响。通常，在材料的颗粒尺寸小、孔直径小以及孔比例大的情况下，将阻挡层的厚度选择得小。不允许通道通过开口贯穿阻挡层形成，这些通道使材料可能渗出或者造成短路。如果功能层过厚，则电阻上升并且来自燃料电池的能量输出变小。厚度和孔隙度是作为用于该功能层的定义使用的参数。
如在图3中、即在图2的放大片段中示出的那样，电解质1与阻挡层邻接的层的材料渗入到开孔6中和在阻挡层中形成的孔通道8中，从而由此与邻接的阻挡层5发生机械啮合。此外，电解质的材料通过孔6之间想象的分界线7扩散到阻挡层5的材料中并在那里形成扩散区9。但是，进一步的扩散被中断扩散行程的孔6阻止。
如已经阐述的那样，通过孔隙度在阻挡层中形成材料路径。这些材料路径延长扩散材料的扩散距离，正如从图2和3所看到的那样。对于两个功能层之间的扩散来说，所述行程由支架结构决定，也就是说不一定是直线的。因此在个别情况下，扩散的距离延长，而孔停止该扩散。由于通过支架结构的行程延长，提供了总体上降低阻挡层的层厚度的可能性。
通过孔隙度形成阻挡层材料的表面扩大。在松散材料的情况下，表面通过长度-宽度-厚度来确定。孔应视为对松散材料的稀释。孔和支架的功能互换，也就是说，通过支架产生“过滤作用”。
对于阻挡层来说，总孔隙度为体积的1％至55％在技术上特别重要。
有利的是对孔隙度进行分级。分级可以在两种不同功能的基础上进行设计：第一原则是与邻接层的啮合。第二原则是扩散方向，也就是说，邻接层提供希望经过阻挡层的材料扩散的那种材料，因此在这里例如阻挡层以高的孔比例开始，该孔比例在阻挡层的松散材料的方向上减少。因为在这里存在不同的分级可能性，所以这应视为是示例，而不是局限性。
阻挡层可以处于电解质与阴极之间。但是阻挡层也可以处于电解质与阳极之间。此外也可以提供层的组合。阻挡层可以借助丝网印刷或者层压技术或者涂覆方法——如喷涂或者辊涂——来施加。
阻挡层的材料在技术上特别重要，并且例如由氧化铈和/或工业氧化铈和/或掺杂的氧化铈和/或二氧化锆和/或工业二氧化锆和/或掺杂的二氧化锆以及它们的混合物组成。作为掺杂要示例性地提到Sm和Gd的氧化物。工业材料总是具有一部分的杂质和次要成分。氧化铈一般从研磨的单晶体中获取并因此具有最高的材料纯度。
阻挡层被以部分面积或者整个面积的方式施加在至少一个表面上，如从图4中所看到的那样。

Claims (11)

1.具有由阳极、电解质和阴极组成的层布置的燃料电池中的阻挡层，其中该阻挡层抑制电解质与阳极或者电解质与阴极之间的固体化学反应，其特征在于，阻挡层(5)布置在电解质(1)与阳极(2)和/或电解质(1)与阴极(3)之间并且由具有开孔和/或闭孔(6)的区域组成，其中不存在通过开孔贯穿阻挡层的通道并且对孔隙度进行分级并且孔隙度在进入到阻挡层(5)的方向上下降。
2.根据权利要求1所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)的层厚度为0.1至40μm。
3.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)的总孔隙度为1至55体积百分比。
4.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)的材料表面通过孔隙度被扩大。
5.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，通过由孔隙度、即孔(6)和/或孔通道(8)在阻挡层(5)中产生的材料路径，存在扩散到阻挡层(5)中的材料的扩散距离的延长。
6.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，通过邻接层渗入到阻挡层(5)的孔(6)和/或孔通道(8)中的材料，在邻接层与阻挡层(5)之间存在机械啮合。
7.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层的材料由氧化铈或工业氧化铈或掺杂的氧化铈和/或二氧化锆或工业二氧化锆或掺杂的二氧化锆组成。
8.根据权利要求7所述的阻挡层，其特征在于，所述材料包括Sm和Gd的氧化物作为掺杂。
9.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)被以部分面积或整个面积的方式施加在电解质(1)或者阳极(2)或者阴极(3)的至少一个表面上。
10.根据权利要求1或2所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)借助丝网印刷或者层压技术或者涂覆方法来施加。
11.根据权利要求10所述的阻挡层，其特征在于，阻挡层(5)借助于涂覆方法来施加，并且该涂覆方法是喷涂或者辊涂。
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