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Hintergrund
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Zellenstrukturen
und konkreter auf einen verbesserten Aufbau einer elektrochemischen Zelle
und verbesserte Herstellungs- und Verarbeitungstechniken im Zusammenhang
mit diesem.
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Elektrochemische
Zellen sind Energieumwandlungseinrichtungen, die gewöhnlich entweder als
Elektrolysezellen oder als Brennstoffzellen klassifiziert werden.
Elektrolysezellen können
als Wasserstoffgeneratoren arbeiten, indem sie Wasser elektrolytisch
zerlegen, um Wasserstoff- und Sauerstoffgas zu erzeugen. Brennstoffzellen
bringen Wasserstoffgas elektrochemisch über eine Austauschmembran oder
ein Elektrolyt mit einem Oxidationsmittel zur Reaktion, um Elektrizität zu erzeugen
und Wasser zu produzieren. Brennstoffzellen, wie z.B. Festoxid-Brennstoffzellen,
haben ein Potential für
eine hohe Effizienz und geringe Verunreinigungen bzw. Umweltbelastungen
gezeigt, und weisen viele mögliche
Anwendungsgebiete auf, die die großtechnische Energieerzeugung,
die verteilte Energieerzeugung und die Anwendung in Automobilen
enthalten.
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Eine
der Schlüsselherausforderungen
im Zusammenhang mit der Verbesserung von elektrochemischen Zellen
ist die Entwicklung von kostengünstigen
Verfahren zur Herstellung des Elektroden- und Elektrolytmaterials,
insbesondere mit großen
Flächeninhalten.
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Demnach
besteht in der Fachwelt Bedarf an einer verbesserten elektrochemischen
Zellenausführung
und den zugehörigen
Herstellungstechniken.
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Kurze Beschreibung
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Eine
elektrochemische Zellenträgerstruktur weist
ein leitfähiges
Grundelement bzw. einen leitfähigen
Träger,
der mehrere Löcher
bildet, und eine Gitterschicht auf, die auf dem leitfähigen Grundelement
angeordnet ist. Eine poröse
Auflageschicht durchdringt wenigstens teilweise die Gitterschicht
bis zu dem leitfähigen
Grundelement oder den Löchern.
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Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen
die gleichen Elemente bezeichnen:
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei
Teilbereiche entfernt sind.
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2 zeigt
eine andere perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Teilbereiche
entfernt sind.
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3 zeigt
eine seitliche Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei
Teilbereiche entfernt sind.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm, das Verfahrensschritte im Zusammenhang mit einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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7 zeigt
eine seitliche Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Eine
elektrochemische Zellenträgerstruktur 10 weist
ein leitfähiges
Grundelement 12, das mehrere sich durch das leitfähige Grundelement 12 hindurch
erstreckende Löcher 14 aufweist,
eine Gitterschicht 16, die auf dem leitfähigen Grundelement 12 angeordnet
ist, und eine poröse
Auflageschicht 18 auf, die die Gitterschicht 16 wenigstens
teilweise durchdringt, wie es in 1 gezeigt
ist.
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Wie
oben erörtert,
besteht eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrochemischen
Zellen in den zugehörigen
Herstellungs- und Fertigungstechniken, insbesondere für Anwendungen
mit größeren Oberflächeninhalten.
In einigen konventionellen Zellenausführungen werden die Zellen unter
Verwendung traditioneller keramischer Verarbeitungstechniken hergestellt,
und die keramischen Zellen werden unter Verwendung einer Bondpaste
zu einem metallischen Verbindungsstücks bzw. Interkonnektor gebondet.
Die Bondpaste ist eine Ursache für
Widerstandsverluste in der Zellenstruktur. In alternativen Verfahren,
wie z.B. dem direkten Abscheiden der Brennstoffzellen, ist die Qualität des Elektrolyts
von der Rauhigkeit in der darunter liegenden Elektrode (auf der
das Elektrolyt abgeschieden wird) und Unvollkommenheiten bzw. Fehlerstellen
in derselben abhängig.
Wellungen in der Elektrodenschicht können bei der Zellenherstellung
insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsabscheidetechniken Unvollkommenheiten
erzeugen. Eine der erzeugten Fehlerarten sind Pinholes in der Zelle.
Eine Lösung für dieses
Problem hat darin bestanden, die Oberfläche der Elektrode nach der
Beschichtung zu polieren. Diese Lösung schafft jedoch einen weiteren
Verfahrensschritt, von dem nicht erwartet wird, dass er für eine Beschichtung
großer
Oberflächen
robust ist, und der einem bereits ineffizienten Verfahren weitere Ineffizienz
hinzufügt.
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Die
elektrochemische Zellenträgerstruktur 10 wendet
sich jedem von diesen Problemen zu. Die Gitterschicht 16 ist
auf dem leitfähigen
Grundelement 12 angeordnet, und die poröse Auflageschicht 18 dringt
in die Gitterschicht 12 hinein. Diese Anordnung erfordert
keine Bondpaste, und die Komponenten werden sich während des
Gebrauchs wesentlich weniger wahrscheinlich trennen und sind dadurch
strukturell stabiler als konventionelle Anordnungen. Zusätzlich schafft
die poröse
Auflageschicht 18 eine relativ glatte Oberfläche, um
atomistische Beschichtungstechniken, wie z.B. das chemische Gasphasenabscheiden
(CVD), plasmaunterstütztes
CVD (PE-CVD), physikalisches Gasphasenabscheiden (PVD), physikalisches
Elektronenstrahl-Gasphasenabscheiden (EB-PVD), Sputter-Deposition, Ionenstrahlabscheiden,
Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse oder spezielle Abscheidetechniken, wie
z.B. Plasmaspritz-, Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren
(HVOF) oder andere Beschichtungstechniken zu unterstützen.
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Wie
in 1 bis in 3 gezeigt
ist, weist das leitfähige
Grundelement 12 einen Aufbau vom Typ einer Platte auf,
die eine Serie von Löchern 14 aufweist,
die sie durchdringen und einer Fluidströmung, z.B. einer Brennstoff-
oder Oxidationsmittelströmung,
ermöglichen,
von einer Seite des leitfähigen
Grundelements 12 zu der gegenüberliegenden Seite des leitfähigen Grundelements 12 zu
strömen. In
einem Ausführungsbeispiel
haben diese Löcher
einen Durchmesser zwischen etwa 6,4 mm (0,25 Zoll) bis etwa 12,7
mm (0,5 Zoll). Wenn hierin der Ausdruck „Löcher" verwendet wird, bezieht er sich auf jede
beliebige Art von Aussparung, Nut oder anderer Hohlraumanordnung,
die es einer Fluidströmung
ermöglicht,
von einer Seite des leitfähigen
Grundelements 12 auf die gegenüberliegende Seite hinüber zu strömen. Das
leitfähige
Grundelement 12 ist typischerweise aus Metallen hergestellt,
die unter den Betriebsbedingungen, die mit Festoxid-Brennstoffzellen
(SOFC)- und Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC)-Anwendungen verbunden
sind, insbesondere hohen Temperaturen und Drücken, langsam oxidieren. Das
leitfähige
Grundelement 12 ist typischerweise ein aus Eisen, Chrom,
Nickel, Zinn, Kombinationen derselben oder anderen Materialien,
die konventionell als Interkonnektormaterialien, insbesondere in SOFC-
und SOEC-Anwendungen,
verwendet werden, hergestellter metallischer Interkonnektor. Solche
Materialien enthalten konventionell z.B. chromhaltige Legierungen,
z.B. eisenchrom (FeCr)-, nickelchrom (NiCr)- oder nickeleisenchrom
(NiFeCr)-basierte Legie rungen. In einem Ausführungsbeispiel ist das leitfähige Grundelement 12 aus
einem ferritischen rostfreien Stahl hergestellt. Die Abmessungen des
leitfähigen
Grundelements 12 und der zugehörigen Löcher 14 können in
Abhängigkeit
von den Anwendungs- und Größenanforderungen
in einem weiten Bereich variieren. In einem Ausführungsbeispiel hat das leitfähige Grundelement
einen Außenumfang,
der keine Löcher 14 aufweist,
so dass ein Elektrolyt oder Dichtungsmaterial mit dem Umfang überlappend
angeordnet sein kann, um die Gasströmung darin abzudichten.
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Die
Gitterschicht 16 ist auf dem leitfähigen Grundelement 12 angeordnet.
Die Gitterschicht 16 ist typischerweise so angeordnet,
dass sie die obere Oberfläche
des leitfähigen
Grundelements 12 einschließlich der Löcher 14 überzieht.
Die Gitterschicht 16 ist typischerweise an dem leitfähigen Grundelement 12 befestigt,
um unter Anwendung eines beliebigen verfügbaren Verfahrens zum Sicherstellen
des Bondings, z.B. durch Hartlöten
oder Schweißen,
die strukturelle Integrität
sicherzustellen. Zu Zwecken der Erörterung wird jeder offene Bereich
innerhalb der Gitterschicht 16 als ein Zwischenraum 20 bezeichnet.
Die Gitterschicht 16 ist typischerweise ein Stahldrahtgitter,
ein Schirm, ein Raster, ein metallisches Drahtgitter, ein leitfähiger Schaum,
ein Chromoxidbildnergitter oder besteht aus ähnlichen Materialien. Die Gitterschicht 16 ist
typischerweise aus Metallen hergestellt, die unter den Betriebsbedingungen
im Zusammenhang mit Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC)- und Festoxid-Elektrolysezellen
(SOEC)-Anwendungen verbunden sind, insbesondere hohen Temperaturen
und hohen Drücken,
langsam oxidieren. Die Gitterschicht 16 ist typischerweise
ein aus Eisen, Chrom, Nickel, Zinn, Kombinationen derselben oder
andere Materialien, die konventionell als Interkonnektormaterialien,
insbesondere in SOFC- und SOEC-Anwendungen,
verwendet werden, hergestellter metallischer Interkonnektor. Solche
Materialien enthalten konventionell z.B. chromhaltige Legierungen,
z.B. FeCr-, NiCr- oder NiFeCr-basierte Legierungen.
In einem Ausführungsbeispiel
ist die Gitterschicht aus einem ferritischen rostfreien Stahl hergestellt.
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Die
funktionalen Anforderungen an die Gitterschicht 16 bestehen
darin, dass sie an dem leitfähigen
Grundelement 12 befestigt werden kann, um die strukturelle
Integrität
sicherzustellen, und dass sie Öffnungen
oder Zwischenräume 20 aufweist,
um eine Fluidströmung
zu fördern
und in die poröse
Auflageschicht 18 einzugreifen, wie es unten genauer erörtert wird.
Die Zwischenräume 20 können verschiedene
Abmessungen haben und brauchen keinen einheitlichen Querschnitt
aufzuweisen. In einem Ausführungsbeispiel
weisen die Zwischenräume 20 eine Breite
in dem Bereich zwischen etwa 20 bis etwa 2500 μm auf.
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Wie
in 1 bis 3 gezeigt ist, ist eine poröse Auflageschicht 18 auf
der Gitterschicht 16 angeordnet und dringt in die Zwischenräume 20 ein oder
durch diese hindurch und bedeckt die obere Oberfläche der
Gitterschicht 16, um eine glatte Außenoberfläche 22 zu schaffen.
In einem Ausführungsbeispiel
ist die poröse
Auflageschicht 18 ein Elektrodenmaterial. Die Funktionsanforderungen
an die poröse
Auflageschicht 18 bestehen darin, dass sie durch die Zwischenräume 20 hindurchdringt,
eine Fluidströmung
durch ihre poröse
Struktur hindurch fördert
und eine relativ glatte Außenoberfläche 22 schafft,
um Abscheideverfahren zuzulassen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
(CTE) der porösen
Auflageschicht 18 im Wesentlichen an den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Gitterschicht 16 angepasst, um bei thermischen Wechselbeanspruchungen
ein Reißen zu
vermeiden.
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Um
die elektrochemische Zellenstruktur 30 zu vervollständigen,
wird ein dichter Elektrolyt 24 (3) auf die
poröse
Auflageschicht 18 oder in diesem Falle auf die erste Elektrode 18 aufgetragen.
In einem Ausführungsbeispiel
wird der Elektrolyt 24 unter Anwendung eines Direktbeschichtungsverfahrens,
z.B. der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder Plasmaspritzen,
auf der glatten Außenoberfläche 22 der
porösen
Auflageschicht 18 abgeschieden. Typischerweise bedeckt
der dichte Elektrolyt 24 die glatte Außenoberfläche 22 der ersten Elektrode 18 vollständig, so
dass kein Teil der glatten Außenoberfläche 22 freiliegt.
Schließlich
wird eine zweite Elektrode 26 gegenüber der ersten Elektrode 18 auf
den Elektrolyt 24 aufgebracht. In einem Ausführungsbeispiel
wird die zweite Elektrode 26 unter Anwendung eines Direktbeschichtungsverfahrens, z.B.
PVD, oder alternativ durch Anwendung von Siebdruck oder Farbspritzen
von flüssigkeitsdispergierten
Partikeln auf den dichten Elektrolyt 24 aufgetragen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird die elektrochemische Zellenstruktur 10 (1)
hergestellt, indem zuerst eine metallische Gitterschicht 16 unter Anwendung
konventioneller Verfahren wie Hartlöten oder Schweißen an einer
metallischen perforierten leitfähigen
Grundplatte 12 befestigt wird. Als nächstes wird eine erste Elektrode 18 (poröse Auflageschicht)
auf die metallische Gitterschicht 16 aufgetragen. In einem
Ausführungsbeispiel
wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung irgendeiner
konventionellen Verarbeitungstechnik wie Siebdruck durch Pressen
einer verformbaren Masse in die Zwischenräume 20 der Gitterschicht 16 aufgebracht.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die erste Elektrode 18 durch Keramikgießen bzw.
Slip Casting der Pulverform der ersten Elektrode 18 in
die Gitterschicht 16 und unter Verwendung einer porösen Trägerfolie
aufgetragen, um Wasser zu entfernen. In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung eines elektropheretischen
Beschichtens durch Eintauchen der metallischen Gitterschicht 16 und
der leitfähigen
Grundplatte 12 in eine Gießmasse und unter einer anliegenden Spannung
auf die metallische Gitterschicht 16 aufgebracht, wobei
Partikel die Zwischenräume 20 auffüllen.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird die erste Elektrode 18 unter Anwendung einer Co-Casting-Technik,
wie z.B. Foliengießen,
auf die metallische Gitterschicht aufgebracht. Das Metallgitter 16,
die Grundplatte 12 und die erste Elektrode 18 werden
danach auf Temperaturen zwischen etwa 800°C und etwa 1200°C erhitzt,
um starke Bindungen zwischen den Partikeln der ersten Elektrode 18 zu
erzeugen. Um die katalytische Aktivität der ersten Elektrode 18 oder
der zweiten Elektrode 26 zu steigern, können sie (3)
von einem flüssigen
Precursor des Elektrodenmaterials oder einer feinen Dispersion von
Partikeln durchtränkt
werden, um eine Feinstruktur zu bilden, die den für katalytische
Aktivität
verfügbaren
Dreiphasengrenzbereich vergrößert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Elektrodenzellenstruktur 50 ein Maschensubstrat 52 und
ein poröses
Elektrodenmaterial 54, das auf dem Maschensubstrat 52 aufgetragen
worden ist und dieses durchdringt, wie es in 4 gezeigt
ist.
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Wie
oben erörtert
besteht eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit elektrochemischen
Zellen in den zugehörigen
Herstellungs- und Fertigungstechniken, insbesondere für Anwendungen
mit größeren Flächeninhalten.
In einigen konventionellen Zellenausführungen werden Zellen unter
Anwendung traditioneller keramischer Verarbeitungstechnologien hergestellt,
und die keramischen Zellen werden unter Verwendung einer Bondpaste
an einen metallischen Interkonnektor gebondet. Ein Problem im Zusammenhang
mit der traditionellen Keramikverarbeitung besteht darin, das resultierende Elektrodenmaterial
mit einer vorteilhaften Mikrostruktur bei einer verringerten Dicke
zu bilden.
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Die
Elektrodenzellenstruktur 50 wendet sich jedem dieser Probleme
zu. Das Maschensubstrat 52 ist ein Gitter, typischerweise
entweder ein Gitter aus rostfreiem Stahl oder Nickel, oder eine
metallische Folie mit einer Vielzahl von Zwischenräumen 56 oder Öffnungen.
Ein geeignetes Elektrodenmaterial 54, z.B. Nickel und Yttria-stabilisiertes
Zirkonoxid (YSZ), wird auf das Maschensubstrat 52 aufgetragen,
um eine Mikrostruktur mit großen
säulenartigen
Poren an den Zwischenräumen 56 des
Maschensubstrats 52 zu schaffen, die sich zu kleineren Öffnungen
verengen. Diese säulenartige
Porenstruktur fördert
das Eindringen von Fluid (Brennstoff oder Oxidationsmittel) in die
Elektrodenzellenstruktur 50 hinein. In einem Ausführungsbeispiel
wird das Elektrodenmaterial 54 sowohl oben als auch unten
auf das Maschensubstrat 52 aufgetragen. In dieser Ausführungsform dient
das Maschensubstrat 52 als ein Rückgrat für die sich ergebende Elektrode,
um säulenartige
Poren zu fördern
und die Elektrode tragend zu stützen
und ein Reißen
zu begrenzen.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wie es in 5 gezeigt
ist, wird das Elektrodenmaterial 54 unter Verwendung eines
Beschichtungssystems 58, zum Beispiel eines physikalischen
Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidungssystem (EB-PVD) oder eines
beliebigen anderen geeigneten Beschichtungssystems auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden.
Ein durch die Verwendung eines EB-PVD-Systems erzielter Vorteil
besteht darin, dass EB-PVD typischerweise zu einer feinen Mikrostruktur
mit Korngrößen im Submikrometerbereich
führt,
die in elektrochemischen Zellenstrukturen wünschenswert ist.
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird als Maschensubstrat 52 ein Gitter aus rostfreiem Stahl
verwendet, das eine Dicke von etwa 50 μm und einen Durchmesser der
Zwischenräume
von etwa 75 μm oder
weniger aufweist. Der Abstand bzw. die Teilung der Zwischenräume ist
ebenfalls ziemlich klein, z.B. etwa 150 μm am Zentrum. Das Elektrodenmaterial 54 wird
durch einen EB-PVD-Prozess
auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden. In einem Ausführungsbeispiel
wird eine Koevaporation aus zwei Quellen, z.B. Nickel und YSZ, angewandt.
In einem Ausführungsbeispiel
ist das Beschichtungssystem 58 unter einem Winkel θ zu der
Normalen bezogen auf das Maschensubstrat 52 angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel
beträgt
der Winkel θ zwischen
etwa 25° und
etwa 65° und
vorzugsweise zwischen etwa 35° und
etwa 55°.
Bei diesen Winkeln tritt eine Abschattung auf und ermöglicht es,
die Zwischenräume 56 graduell
zu schließen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Zwischenräume 56 vor
der Abscheidung mit einem flüchtigen
Material, z.B. Natriumchlorid, bedeckt. Das flüchtige Material in den Zwischenräumen verringert
die Größe der Zwischenräume, wobei
an der Stelle ein Wachstumsdefekt erzeugt wird. Die Verdampfung
des Natriumchlorids erzeugt auch ein hohes Maß an Porosität innerhalb
der Elektrode.
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6 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren in Verbindung mit dieser Erfindung
darstellt. In S1 wird das Maschensubstrat 52 zur Beschichtung angeordnet.
Als nächstes
wird die Beschichtungsquelle 58 in S2 in einem Winkel θ bezogen
auf das Maschensubstrat angeordnet. Wahlweise wird als nächstes in
S3 ein flüchtiges
Material auf das Maschensubstrat aufgebracht. Abschließend wird
in S4 ein poröses
Elektrodenmaterial 54 auf dem Maschensubstrat 52 abgeschieden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist eine elektrochemische Zellenstruktur ein poröses leitfähiges Grundelement 102,
z.B. einen metallischen Schaum, und eine Auflageschicht 104 auf,
die auf dem porösen
leitfähigen
Grundelement 102 aufgetragen worden ist und teilweise in
das porösen
leitfähigen
Grundelement 102 eindringt, wie es in 7 gezeigt
ist. In einer Ausführungsform
enthält das
poröse
leitfähige
Grundelement 102 einen Nickelschaum. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist
die Auflageschicht 104 ein Elektrodenmaterial.
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Die
Auflageschicht 104 ist auf dem porösen leitfähigen Grundelement 102 angeordnet
und dringt in das poröse
leitfähige
Grundelement 102 ein. Diese Anordnung erfordert keine Bondpaste,
und die Komponenten werden sich während der Verwendung wesentlich
weniger wahrscheinlich trennen und sind daher strukturell stabiler
als konventionelle Anordnungen. Weiterhin schafft die Auflageschicht 104 eine
relativ glatte Oberfläche,
um atomistische Beschichtungstechniken, wie z.B. die chemische Gasphasenabscheidung
(CVD), plasmaunterstützte
CVD (PE-CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), physikalische
Elektronenstrahl-Gasphasenabscheidung (EB-PVD), Sputter-Deposition,
Ionenstrahlabscheidung, Molekularstrahlepitaxie (MBE), Sprühpyrolyse
oder spezielle Abscheidetechniken, wie z.B. Plasmaspritz-, Flammspritz-
oder Hochgeschwindigkeitsflammspritz (HVOF)-Verfahren oder andere
Beschichtungstechniken zu unterstützen. In einer Ausführungsform
wird die Auflageschicht 104 unter Anwendung einer Beschichtungstechnik,
wie z.B. PVD oder EB-PVD, auf dem porösen leitfähigen Grundelement abgeschieden.
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Wie
hierin erörtert
können
die Elektrolytmaterialien jedes beliebige konventionelle Elektrolytmaterial
enthalten, z.B. einschließlich
durch Zusatz von Ytterbiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid (Yttria-stabilisiertes
Zirkonoxid, YSZ); Lanthangallat; dotiertes Ceroxid; Ceroxid-stabilisiertes
Zirkonoxid; ein stabilisertes Zirkonoxid wie CaO-stablisiertes Zirkonoxid, MgO-stabilisiertes
Zirkonoxid, M2O3-stabilisiertes
Zirkonoxid, wobei M aus der Gruppe aus Y, Sc, Yb, Nd, Sm oder Gd
ausgewählt
ist; Lanthangallat mit einer allgemeinen Zusammensetzung von La1-x-wSrx-wGa1-yMgy+zO3-0,5(x+y+5w-2z), wobei 0,3 x ≥ 0,1; 0,3 ≥ y ≥ 0,1, 0,04 ≥ w ≥ 0,01, 0,15 ≥ z ≥ 0,03; dotiertes
Zeroxid, wobei CeO2 mit einem aus oder einer
Mischung von La2O3,
Y2O3, Sm2O3, Gd2O3, anderen Seltenerdoxiden, Gd2O3 + Pr2O3,
CaO, SrO dotiert ist; bestimmten stabilisierten Wismutsesquioxiden,
Bi2O3-MO, wobei
M Kalzium, Strontium oder Barium ist; Pyrochloroxiden von der allgemeinen
Formel A2B2O7, insbesondere Ln2Zr2O7, wobei Ln ein
Lanthanoid, wie z.B. Gd2(ZrxTi1-x)2O7 (GZT)
und Y2 (ZrxTi1-x)2O7 (YZT) ist;
oder Pe rowskitstrukturen, wie z. B. BaCe0, 9Gd0,1O3,
CaAl0,7Ti0,3O3, SrZr0,9Sc0,1O3 oder Kombinationen
derselben.
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Wie
hierin erörtert
können
die Elektrodenmaterialien Anodenmaterialien und Katodenmaterialien enthalten.
Die Anodenmaterialien können
jedes beliebige konventionelle Anodenmaterial enthalten, das z.B.
enthält:
eine Mischung, die ein elektronisch leitfähiges Material, wie z.B. ein
Metall und/oder ein Metalloxid aufweist, das anschließend zur
Bildung des Metalls reduziert wird, und ein ionisch leitfähiges Material
enthält;
Nickel, Nickeloxid und/oder ein Metall der Platingruppe; eine Einzelphase
eines elektronisch leitfähigen
Materials; bestimmte Metalle, die Ni, Co, Pt, Pd oder Ru enthalten;
Mischoxidleiter, die das ZrO2-Y2O3-TiO2-System enthalten
oder Kombinationen derselben. Die Kathodenmaterialien können jedes
beliebige konventionelle Kathodenmaterial enthalten, das z.B, enthält: eine
Mischung, die ein elektronisch leitendes Material, wie z.B. ein
Metall und/oder ein Metalloxid, das anschließend zur Bildung des Metalls
reduziert wird, und ein ionisch leitendes Material enthält; Nickel,
Nickeloxid und/oder ein Metall der Platingruppe; Lanthanstrontiummanganit;
dotiertes Lanthankobaltit; eine Mischung, die ein Metall der Platingruppe,
Lanthanstrontiummanganit, dotiertes Lanthanferrit und/oder dotiertes
Lanthankobaltit sowie ein elektronisch leitfähiges Material enthält; dotiertes
Lanthanmanganit; LaMnO3, das durch verschiedene
Kationen, wie z.B. Ba, Ca, Cr, Co, Cu, Pb, Mg, Ni, K, Rb, Na, Sr,
Ti oder Y substituiert wird; Lanthanstrontiummanganit mit einer
allgemeinen Formel von La1-xSrxMnO3, das ebenfalls mit Co oder Cr weiter dotiert
werden kann; Lanthankobaltit; mit Sr, Ca, Mn oder Ni dotiertes LaCoO3, um die Leitfähigkeit oder Wär meausdehnung
einzustellen; dotiertes Lanthanferrit, z.B. La0,8Sr0,2FexCoyO3 oder Kombinationen derselben.
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Während die
vorliegende Erfindung im Hinblick auf zwei Elektroden, eine Kathode
und eine Anode mit einem zwischen diesen angeordneten Elektrolyt,
erörtert
wird, kann eine andere Ausführungsform
zusätzlich
weitere Schichten enthalten. Bestimmte Ausführungsformen können z.B.
Pufferschichten enthalten, die zwischen den Elektroden und dem Elektrolyt
angeordnet sind. Diese Pufferschichten können aus verschiedenen Gründen einbezogen
werden, die ohne eine Beschränkung
darauf umfassen, eine schädliche
chemische Wechselwirkung zwischen den anderen Schichten zu verhindern.
Einige Ausführungsformen
können
z.B. eine Zwischenschicht aus Cer-Gadolinium-Oxid oder dergleichen
enthalten, die verwendet werden kann, um die Interdiffusion und
chemische Interaktion zwischen einer Schicht aus YSZ und einer Schicht
aus Lanthankobaltit, Lanthanstronziumferrit oder Mischungen derselben
zu verringern. In ähnlicher
Weise kann eine Zwischenschicht aus Samarium-dotiertem Ceroxid (Ce1-xSmxO2-0,5x)
verwendet werden, um die Interdiffusion und chemische Wechselwirkung zwischen
einer Kompositanode aus NiO: CeO2 und LSGM
(La1,8Sr0,2Ga1-yMgyO2,9-0,5y,
wobei 0,05 < y < 0,3) zu verringern.
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Mehrere
der in dieser Beschreibung erörterten
Ausführungsbeispiele
schaffen einen Träger
oder ein Substrat von hoher Porosität zur Abscheidung, besonders
zur Abscheidung bei großem
Flächeninhalt,
wobei jeder Träger
für einen
niedrigen Gastransportwiderstand zugeschnitten und gegenüber mechanischen
und thermischen Beanspruchungen robust ist. Weiterhin schaffen mehrere
der Ausführungsbeispiele
eine relativ glatte Außenoberfläche, die
für verschiedene
Abscheideverfah ren geeignet ist. Das in dieser Verbindung erörterte,
leitfähige Grundelement
ist typischerweise ein Interkonnektor bzw. Verbindungsstück und spezieller
ein Metallinterkonnektor. Das poröse oder mikroporöse Auflagematerial
oder Substratmaterial kann entweder das Kathodenmaterial oder das
Anodenmaterial enthalten, oder alternativ kann das poröse oder
mikroporöse Auflagematerial
eine weitere Schicht, wie z.B. eine Gasdiffusionsschicht aufweisen.
In zahlreichen der Ausführungsbeispiele
ist das poröse
oder mikroporöse
Auflagematerial die Elektrode und schafft eine relativ glatte Oberfläche zur
Abscheidung der restlichen Zellenschichten. Weiterhin beinhalten
zahlreiche der Ausführungsbeispiele
die Verwendung eines Maschenmaterials, wie einem Gitter, Raster
oder Schirm, das an dem leitfähigen
Grundelement befestigt ist. Typischerweise ist das Maschenmaterial
aus dem gleichen oder einem ähnlichen
Material wie das leitfähige
Grundelement hergestellt. In dem Fall, in dem das leitfähige Grundelement
und das Maschenmaterial jeweils aus einem Interkonnektormaterial hergestellt
sind, weisen die sich ergebenden Strukturen eine verbesserte mechanische
Dauerhaftigkeit auf, wobei der Strompfad weniger empfindlich gegenüber Rissen
ist, die sich typischerweise parallel zu der Elektroden/Interkonnektor-Grenzfläche entwickeln,
weil der Strom seitlich zu dem Maschenmaterial und danach zu dem
leitfähigen
Grundelement fließen
kann. Weiterhin sind die Abmessungen der ungestützten Elektroden- und Elektrolytschichten
bis auf die kleineren Abmessungen der Zwischenräume des Maschenmaterials stark
reduziert worden, wodurch der sich ergebenden Zelle noch mehr mechanische
Dauerhaftigkeit verliehen wird.
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Eine
elektrochemische Zellenstruktur enthält ein leitfähiges Grundelement,
das mehrere Löcher aufweist,
und eine Gitterschicht, die auf dem leitfähigen Grundelement angeordnet
ist. Eine poröse
Auflageschicht durchdringt die Gitterschicht wenigstens teilweise
bis zu dem leitfähigen
Grundelement und/oder den Löchern.
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Während nur
bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben
worden sind, werden Fachleuten zahlreiche Änderungen und Abwandlungen
einfallen. Während
mehrere der Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung im Zusammenhang mit einer Brennstoffzellen-Stackanordnung
erörtert worden
sind, ist dies keine Beschränkung
der Erfindung, sondern diese Erfindung wird auch zur Anwendung in
anderen Brennstoffzellenanordnungen in Betracht gezogen, die z.B.
röhrenförmige Brennstoffzellenbündel oder
-anordnungen enthalten. Es muss daher erkannt werden, dass alle
solche Abwandlungen und Änderungen
vom wahren Geist der Erfindung umfasst sind, die in den Bereich
der beigefügten
Ansprüche
fallen.
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- 10
- Elektrochemische
Zellenträgerstruktur
- 12
- Leitfähiges Grundelement
- 14
- Loch
- 16
- Gitterschicht
- 18
- Poröse Auflageschicht
- 20
- Zwischenraum
- 22
- Außenoberfläche
- 24
- Elektrolyt
- 26
- Zweite
Elektrode
- 30
- Elektrochemische
Zellenstruktur
- 50
- Elektrodenzellenstruktur
- 52
- Maschensubstrat
- 54
- Poröses Elektrodenmaterial
- 56
- Zwischenraum
- 58
- Beschichtungssystem
- 100
- Elektrochemische
Zellenträgerstruktur
- 102
- Poröses leitfähiges Grundelement
- 104
- Auflageschicht