DE102006062378A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur und Funktionsstruktur - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur vorgeschlagen, welche mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht mit räumlich variierender Struktur und/oder räumlich variierenden Eigenschaften aufweist, bei dem die mindestens eine Funktionsschicht in einem Zeitintervall durch thermisches Sprühen hergestellt wird, wobei in dem Zeitintervall keine zeitliche Unterbrechung des Materialflusses auf ein Substrat erfolgt und ein oder mehrere Parameter, welche die Struktur und/oder die Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, während des Zeitintervalls variiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur, welche mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht mit räumlich variierender Struktur und/oder räumlich variierenden Eigenschaften aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine elektrochemische Funktionsstruktur.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einer elektrochemischen Funktionsstruktur eine elektrochemische Funktionsschicht räumlich variierende Eigenschaften aufweist. Dadurch lässt sich beispielsweise der Wirkungsgrad optimieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich eine elektrochemische Funktionsschicht auf einfache Weise herstellen lässt, die vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens eine Funktionsschicht in einem Zeitintervall durch thermisches Sprühen hergestellt wird, wobei in dem Zeitintervall keine zeitliche Unterbrechung des Materialflusses auf ein Substrat erfolgt und ein oder mehrere Parameter, welche die Struktur und/oder die Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, während des Zeitintervalls variiert werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die räumlich variierenden Eigenschaften und/oder die variierende Struktur nicht durch Aufbringen von diskreten Lagen mit unterschiedlicher Struktur bzw. mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt, sondern es wird eine integrale Lage hergestellt, deren räumlich variierende Struktur bzw. deren räumlich variierende Eigenschaften durch zeitliche Veränderung von einem oder mehreren Parametern während des Aufbringens verursacht wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine elektrochemische Funktionsschicht mit optimierten Eigenschaften herstellen, welche nicht geschichtet (nicht laminar) aufgebaut ist und im Vergleich zu einer mehrlagigen Funktionsschicht verringertes Volumen, verringertes Gewicht aufweist und mit verringertem Materialverbrauch herstellbar ist. Da keine mehrlagige Herstellung erfolgt, sind Probleme der thermischen Anpassung unterschiedlicher Lagen ("thermal mismatch") vermieden. Insgesamt lässt sich die chemische und physikalische, insbesondere thermische und mechanische Integrität erhöhen. Weiterhin lassen sich bei entsprechender Materialaufbringung beispielsweise Drei-Phasen-Grenzen erhöhen, um so einen besseren elektrochemischen Wirkungsgrad (sowohl statisch als auch dynamisch) zu erhalten.
  • Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich mittels bekannten thermischen Sprühverfahren durch entsprechende Steuerung des Aufbringprozesses und/oder der Bereitstellungsvorgänge von Materialpartikeln realisieren.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine Einstellung der Struktur und Eigenschaften grundsätzlich in allen drei Raumrichtungen und insbesondere in einer Dickenrichtung möglich.
  • Insbesondere wird die mindestens eine Funktionsschicht einlagig hergestellt. Dadurch sind Probleme eines laminaren Aufbaus einer Funktionsschicht (aus mehreren Lagen) vermieden. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die elektrochemische Funktionsstruktur selber mehrere Lagen aufweist, wobei die elektrochemische Funktionsschicht selber eine solche Lage bildet. Die elektrochemische Funktionsstruktur kann aber auch selber einlagig ausgebildet sein.
  • Insbesondere wird die mindestens eine Funktionsschicht integral hergestellt, das heißt der Materialfluss wird zeitlich nicht unterbrochen.
  • Weiterhin ist es günstig, wenn die mindestens eine Funktionsschicht kontinuierlich hergestellt wird ohne Pausenzeiten für den Materialfluss.
  • Günstig ist es, wenn ein oder mehrere Parameter, welche die Struktur und/oder die Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, zeitlich variiert werden. Dadurch erhält man eine räumlich variierende Struktur und/oder räumlich variierende Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht. Durch Einstellung des zeitlichen Verlaufs der Beeinflussung lässt sich die Variation einstellen. Beispielsweise kann eingestellt werden, ob eine stufenartige Variation oder eine allmähliche Variation vorliegen soll.
  • Günstigerweise werden beim thermischen Sprühen Materialpartikel (im Strahl) aufgeheizt oder geschmolzen und anschließend auf ein Substrat aufgebracht. Die aufgeheiztem bzw. geschmolzenen Materialpartikel treffen auf das Substrat auf. Während des Aufbringungsvorgangs bildet ein Ursprungssubstrat mit darauf aufgebrachten Partikeln ein Substrat.
  • Günstig ist es, wenn vor dem Aufbringen der Partikel im Wesentlichen keine Reaktion zwischen den Materialpartikeln im Strahl stattfindet. Dies lässt sich durch entsprechende Einstellung der Sprühparameter erreichen. Dadurch ist eine definierte Einstellung der räumlichen Struktur und/oder der räumlich variierenden Eigenschaften der hergestellten elektrochemischen Funktionsschicht möglich.
  • Beispielsweise erfolgt das thermische Sprühen über Flammensprühen, Plasmasprühen oder Lichtbogensprühen. Die Erhitzung der Materialpartikel kann über eine chemisch erzeugte Flamme oder über eine elektrisch erzeugte Flamme (wie beispielsweise eine Plasmaflamme oder über einen Lichtbogen) erfolgen.
  • Es ist grundsätzlich möglich, dass ein oder mehrere Materialparameter von zugeführten Materialpartikeln und/oder ein oder mehrere Substratparameter und/oder ein oder mehrere Prozessparameter des thermischen Sprühens variiert werden, um eine räumlich variierende Struktur und/oder räumlich variierende Eigenschaften der hergestellten mindestens einen elektrochemischen Funktionsschicht zu erreichen.
  • Beispielsweise wird mindestens einer der Parameter Größe von zugeführten Materialpartikeln, Größenverteilung von zugeführten Materialpartikeln, Morphologie von zugeführten Materialpartikeln, Menge von zugeführten Materialpartikeln oder Material von zugeführten Materialpartikeln variiert.
  • Es ist auch möglich, dass mindestens einer der Parameter Temperatur von zugeführten Materialpartikeln oder Auftreffgeschwindigkeit von Materialpartikeln variiert wird.
  • Ferner ist es möglich, dass mindestens einer der Parameter Druck der Atmosphäre, Zusammensetzung der Atmosphäre oder Bereitstellung einer Schutzatmosphäre beim thermischen Sprühen variiert wird.
  • Es ist auch möglich, dass mindestens einer der Parameter Substrattemperatur, relative Geschwindigkeit zwischen Substrat und Sprühstrahl, Zusammensetzung des Substrats oder Porosität des Substrats vorgegeben oder variiert wird. Bei dem Substrat kann es sich dabei um ein festes Grundlagensubstrat handeln oder auch um das "Zwischensubstrat", welches während des Aufbringungsprozesses vorliegt. Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass das Substrat oder auch ein Zwischensubstrat nach Beendigung des Herstellungsprozesses abgelöst wird und verworfen wird.
  • Ferner ist es möglich, dass mindestens ein Parameter, welcher eine Flamme beim thermischen Sprühen beeinflusst, vorgegeben oder variiert wird. Als Flamme wird dabei auch eine Plasmaflamme bzw. ein Lichtbogen angesehen. Beispielsweise kann die Form der Flamme oder auch die Temperatur der Flamme variiert werden.
  • Es kann günstig sein, wenn ein Basisbereich hergestellt wird, welcher gewissermaßen ein Träger der elektrochemischen Funktionsschicht ist.
  • Es kann ferner günstig sein, wenn ein gasdichter Elektrolytbereich hergestellt wird. Beispielsweise wird der Elektrolytbereich geschlossen-porig hergestellt. Es lässt sich dadurch eine Elektrodeneinheit mit "integriertem" Elektrolyt ausbilden.
  • Es ist dann insbesondere günstig, wenn die mindestens eine Funktionsschicht so hergestellt wird, dass die Gasdurchlässigkeit von dem Elektrolytbereich weg zunimmt. Die Gasdurchlässigkeit lässt sich beispielsweise über die Porosität einstellen. Dadurch lässt sich ein optimierter Wirkungsgrad erreichen.
  • Es ist ferner günstig, wenn mindestens ein Elektrodenbereich hergestellt wird. Es ist dabei möglich, dass nur ein Anodenbereich oder nur ein Kathodenbereich an der mindestens einen Funktionsschicht hergestellt wird, oder dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl ein Anodenbereich als auch ein Kathodenbereich hergestellt wird.
  • Günstigerweise wird die mindestens eine Funktionsschicht so hergestellt, dass die Ionenleitfähigkeit und/oder Elektronenleitfähigkeit in dem Elektrodenbereich zu einem Elektrolytbereich hin zunimmt.
  • Besonders günstig ist es, wenn die elektrochemische Funktionsstruktur mit einem Anodenbereich, Elektrolytbereich und einem Kathodenbereich hergestellt wird.
  • Eine solche elektrochemische Funktionsstruktur lässt sich dann als Elektrodeneinheit insbesondere für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle verwenden.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Funktionsstruktur bereitzustellen, welche eine hohe chemische und physikalische Integrität aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrochemische Funktionsstruktur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
  • Insbesondere umfasst die elektrochemische Funktionsstruktur eine einlagige elektrochemische Funktionsschicht mit einem Elektrolytbereich und mindestens einem Elektrodenbereich, wobei die Gasdurchlässigkeit im Elektrodenbereich räumlich variiert und zu dem Elektrolytbereich hin abnimmt.
  • Durch die einlagige elektrochemische Funktionsschicht sind die mit einem laminaren Aufbau verbundenen Probleme vermieden. Insbesondere ist das Problem des "thermal mismatch" vermieden. Ferner lassen sich die Drei-Phasen-Grenzen erhöhen.
  • Günstigerweise ist die elektrochemische Funktionsstruktur eine Elektrodeneinheit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Elektrolyt, Kathode und Anode.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur;
  • 2 schematisch den zeitlichen Verlauf der Materialauftragung (zeitlicher Verlauf des Materialflusses einschließlich Zusammensetzung des Materialflusses am Beispiel vier verschiedener Materialpartikelsorten) zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsschicht;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsschicht;
  • 4 schematisch den Zeitablauf der Aufbringung zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsschicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 5 schematisch eine Schnittansicht einer elektrochemischen (mehrlagigen) Funktionsschicht, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist; und
  • 6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn eine elektrochemische Funktionsstruktur eine oder mehrere elektrochemische Funktionsschichten aufweist, die eine räumlich variierende Struktur und/oder räumlich variierende Eigenschaften aufweisen. Materialien, deren Eigenschaften gradiert als Funktion des Orts variieren, werden auch als FGM bezeichnet (FGM – Functionally Graded Materials). Sie sind anisotrop. Üblicherweise setzen sie sich aus mindestens zwei Komponenten zusammen. Die Komponenten können Keramikkomponenten, Metallkomponenten und/oder Polymerkomponenten sein. Die räumliche Variation der Struktur und/oder der Eigenschaften wird so eingestellt, dass sich für die Anwendung, welche für die elektrochemische Funktionsstruktur vorgesehen ist, optimierte Eigenschaften ergeben.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht mit räumlich variierender Struktur und/oder räumlich variierenden Eigenschaften über thermisches Sprühen hergestellt wird. Dazu ist eine Vorrichtung 10 zum thermischen Sprühen vorgesehen, welche in 1 schematisch gezeigt ist. Diese Vorrichtung 10 umfasst einen Träger 12, an dem ein Substrat zur Herstellung der mindestens einen elektrochemischen Funktionsschicht positionierbar ist. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Sprüheinrichtung 14. Der Sprüheinrichtung 14 ist über eine Zuführungseinrichtung 16 zu sprühendes Material zuführbar. Über die Zuführungseinrichtung 16 lassen sich eine oder mehrere Marterialpartikelsorten insbesondere getrennt zuführen. Bei dem zu versprühenden Material handelt es sich insbesondere um Materialpartikel, welche in Pulverform zugeführt werden.
  • Beim thermischen Sprühen werden die Materialpartikel durch die Sprüheinrichtung 14 aufgeheizt oder geschmolzen und es wird ihnen ein Impuls in Richtung des Trägers 12 erteilt, so dass sie auf ein Substrat auftreffen können, um sie auf dem Substrat aufbringen zu können. Die Aufheizung erfolgt beispielsweise in einer chemisch erzeugten Flamme oder in einem elektrischen Lichtbogen oder in einem Plasma. Die Vermischung von Materialpartikeln unterschiedlicher Materialpartikelsorten kann vor oder während des Sprühens (in der Flamme oder im Lichtbogen oder im Plasma) erfolgen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Sprüheinrichtung 14 eine Sprühdüse 18, mit welcher Materialpartikel auf den Träger 12 gesprüht werden.
  • Die Sprüheinrichtung 14 und der Träger 12 sind bei einem Ausführungsbeispiel in einem Raum 20 angeordnet, welcher durch Wände 22 verschlossen und insbesondere gasdicht verschlossen ist. Bei atmosphärischem thermischem Sprühen ist ein abgeschlossener Raum 20 nicht notwendig.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst eine Steuerungseinrichtung 24, durch welche das Aufbringen der Materialpartikel auf einem Substrat steuerbar ist. Insbesondere lässt sich die räumliche Gradierung über die Steuerungseinrichtung 24 steuern.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Aufbringen von Materialpartikeln auf einem Substrat in einem Zeitintervall T erfolgt. Während dieses Zeitintervalls T wird der Materialfluss an Materialpartikeln, welche durch die Zuführungseinrichtung 16 in Richtung des Trägers 12 emittiert werden, nicht unterbrochen, so dass ständig eine Materialbeaufschlagung erfolgt. Während des Zeitintervalls T gibt es keine Pausenzeiten für den Materialfluss.
  • Während des Zeitintervalls T werden gezielt ein oder mehrere Parameter, welche die räumliche Struktur und/oder die räumlichen Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, gezielt variiert, um eine räumliche Variation zu erhalten. Die entsprechende Funktionsschicht wird kontinuierlich integral hergestellt; die räumliche Gradierung wird nicht über das Aufbringen von diskreten Lagen hergestellt, wobei die diskreten Lagen unterschiedliche Strukturen und/oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, sondern die elektrochemische Funktionsschicht wird erfindungsgemäß einlagig hergestellt in einem kontinuierlichen Verfahren ohne Materialfluss-Unterbrechungen in dem Zeitintervall T.
  • In 2 ist ein Diagramm gezeigt, in welchem beispielsweise mittels der zeitlichen Abhängigkeit der Materialmenge von vier Materialpartikelsorten schematisch gezeigt ist, wie eine erfindungsgemäße elektrochemische Funktionsschicht 26 (3) hergestellt wird.
  • Das Aufsprühen erfolgt auf ein Substrat 28. Dieses Substrat kann ein "endgültiges" Substrat sein oder auch ein Zwischensubstrat, welches nach der Herstellung der Funktionsschicht abgelöst wird.
  • Auf dem Substrat 28 wird zunächst ein Basisbereich 30 hergestellt. Dazu werden Materialpartikel ausgehend von einer bestimmten Grundmenge aufgesprüht, wobei die Menge allmählich reduziert wird. Dies ist in 2 durch die Kurve 31 angedeutet.
  • An dem Basisbereich 30 wird ein Elektrodenbereich 32 durch Aufsprühen zweier Materialpartikelsorten 34 und 36 hergestellt. Nach einem bestimmten Zeitpunkt wird dazu zunächst den Materialpartikeln 30 für das Aufsprühen Materialpartikel der Materialpartikelsorte 34 zugemischt. Dies ist in 2 durch die Kurve mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet. Es wird zunächst die Menge an Materialpartikeln der Materialpartikelsorte 34 erhöht, dann konstant gehalten und dann wieder verringert.
  • Weiterhin werden Materialpartikel der Materialpartikelsorte 36 zugemischt. Dies ist in 2 durch die Kurve mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet. Die Materialpartikel der Materialpartikelsorte 36 werden beim Aufsprühen beispielsweise zum gleichen Zeitpunkt wie die Materialpartikel der Materialpartikelsorte 34 zugemischt, jedoch mit einer geringeren Rate.
  • Auf dem so hergestellten Substrat, welches auch den Elektrodenbereich 32 umfasst, werden dann Materialpartikel einer Materialpartikelsorte 42 aufgebracht. Dies ist in 2 durch die Kurve mit dem Bezugszeichen 44 angedeutet. Die Zumischung der Materialpartikelsorte 42 erfolgt dabei zu den Materialpartikeln der Materialpartikelsorte 34 und 36. Zum Ende des Zeitintervalls hin werden immer noch Materialpartikel der Materialpartikelsorte 42 aufgebracht. Es lässt sich dann bei entsprechender Wahl der Materialpartikel der Materialpartikelsorte 42 ein beispielsweise geschlossenporiger Elektrolytbereich 46 herstellen.
  • Das Aufbringen wird so durchgeführt, dass jeweils mindestens zwei der Kurven 31, 38, 40 und 44 überlappen, so dass ständig ein Materialfluss für das Aufbringen gewährleistet ist.
  • Im Vergleich dazu sind in den 4 und 5 den 2 und 3 entsprechende Diagramme für aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren gezeigt. Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden diskrete Lagen 48a, 48b, 48c, 48d hergestellt. Die hergestellte Schicht 50, welche sich aus diesen Lagen 48a, 48b, 48c, 48d zusammensetzt, weist, wenn die Lagen unterschiedliche räumliche Strukturen und/oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, einen räumlich variierende Struktur bzw. räumlich variierende Eigenschaften auf. Dies ist aber darauf zurückzuführen, dass Lagen unterschiedlicher Struktur bzw. unterschiedlicher Eigenschaften aufgebracht werden.
  • Die Aufbringung erfolgt derart, wie in 4 angedeutet, dass nach Aufbringung einer Lage der Materialfluss unterbrochen wird, um die nächste Lage aufzubringen. Beispielsweise wird in einem bestimmten Zeitraum die Lage 48a aufgebracht. Dies ist durch die Kurve 52 gemäß 4 angedeutet. Anschließend wird die Lage 48b aufgebracht. Dies ist durch die Kurve 54 angedeutet. Diese überlappt mit der Kurve 52 nicht usw.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine gewissermaßen einlagige Funktionsschicht 26 integral und zeitkontinuierlich hergestellt. Dadurch sind Probleme der Zwischendiffusion zwischen unterschiedlichen Lagen (wie es bei der Struktur gemäß 5 der Fall ist) oder auch das thermische Missverhältnis bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten (thermal mismatch) vermieden. Dieses thermische Missverhältnis kann bei einer Struktur 50 gemäß 5 zum Ablösen von Lagen führen. Weiterhin lassen sich dadurch auch Risse vermeiden. Die Materialmenge, die benutzt werden muss, lässt sich geringer halten, so dass eine erfindungsgemäße Funktionsschicht 26 mit geringerer Dicke ausgebildet werden kann. Dadurch lässt sich beispielsweise wiederum die Gasdurchlässigkeit erhöhen. Durch die reduzierte Dicke erhält man ein geringeres Volumen, ein geringeres Gewicht und durch die Verringerung des notwendigen Materials lässt sich die entsprechende Funktionsschicht 26 auch kostengünstiger herstellen.
  • Weiterhin lassen sich die Drei-Phasen-Grenzen in einer elektrochemischen Funktionsschicht 26 erhöhen, wenn entsprechend für einen Überlapp der Kurven der jeweiligen drei Materialpartikelsorten beim Aufbringen gesorgt wird. Dadurch erhält man eine größere statische und dynamische Wirksamkeit. Beispielsweise lässt sich dadurch die Ionenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit erhöhen.
  • Es gibt verschiedene Parameter, die die Struktur und/oder die Eigenschaften der Funktionsschicht 26 beeinflussen. Entsprechend erhält man durch Variation eines oder mehrerer dieser Parameter während des Zeitintervalls T eine räumlich variierende Struktur bzw. räumlich variierende Eigenschaften.
  • Beispielsweise können Materialparameter durch die Zuführungseinrichtung 16 der Sprüheinrichtung 14 zugeführten Materialpartikel variiert werden. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere Substratparameter des Substrats 28 variiert werden. Weiterhin ist es möglich, dass ein oder mehrere Prozessparameter des thermischen Sprühens variiert werden.
  • Relevante Materialparameter sind die Größe von zugeführten Materialpartikeln, die Größenverteilung von zugeführten Materialpartikeln, die Morphologie von zugeführten Materialpartikeln, die Menge von zugeführten Materialpartikeln und das Material von zugeführten Materialpartikeln. (In 2 ist schematisch eine Mengenvariation gezeigt.)
  • Weiterhin können die Parameter Temperatur der zugeführten Materialpartikel oder auch die Auftreffgeschwindigkeit beim Sprühen auf das Substrat 28 bzw. das "temporäre" Substrat variiert werden.
  • Es ist beispielsweise auch möglich, dass Prozessparameter wie Druck in dem Raum 20, Zusammensetzung der Atmosphäre in dem Raum 20 variiert werden. Es ist auch möglich, dass die Bereitstellung einer Schutzatmosphäre beim thermischen Sprühen in dem Raum 20 variiert wird.
  • Substratparameter wie Substrattemperatur, relative Geschwindigkeit zwischen Substrat 28 und Sprühstrahl, Zusammensetzung des Substrats oder Porosität des Substrats können vorgegeben werden und unter Umständen auch variiert werden.
  • Weiterhin ist es möglich, dass Prozessparameter des thermischen Sprühens und insbesondere Parameter, welche eine Flamme beim thermischen Sprühen beeinflussen, vorgegeben und variiert werden. Beispielsweise wird eine Düsenausbildung der Düse 18 vorgegeben. Wenn das thermische Sprühen über einen elektrischen Lichtbogen oder über einen Plasmalichtbogen erfolgt, dann kann der zugrundeliegende elektrische Strom variiert werden. Beispielsweise ist es auch möglich, dass die Zusammensetzung eines Plasmagases variiert wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine Elektrodeneinheit für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle integral oder zumindest teilintegral herstellen.
  • Dies ist in 6 schematisch durch das Bezugszeichen 54 angedeutet. Die Elektrodeneinheit 54, welche einlagig oder zweilagig ausgebildet sein kann, umfasst einen Elektrolytbereich 56, welcher gasdicht ist. An dem Elektrolytbereich 56 ist ein Anodenbereich 58 und ein Kathodenbereich 60 angeordnet. Der Anodenbereich 58 ist mit dem Elektrolytbereich 56 einlagig hergestellt und/oder der Kathodenbereich 60 ist mit dem Elektrolytbereich 56 wie oben beschrieben integral einlagig hergestellt.
  • Die Eigenschaften des Anodenbereichs 58 und des Kathodenbereichs 60 variieren räumlich. Insbesondere nimmt die Gasdurchlässigkeit jeweils von dem Anodenbereich 58 und dem Kathodenbereich 60 zu dem Elektrolytbereich 56 hin ab.
  • Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Ionenleitfähigkeit und/oder Elektronenleitfähigkeit im Anodenbereich 58 und im Kathodenbereich 60 zu dem Elektrolytbereich 56 hin zunimmt.
  • Die Elektrodeneinheit 54 ist insbesondere eine Elektrodeneinheit für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC), welche in einem Temperaturbereich von 650°C bis 1150°C arbeitet.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur, welche mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht mit räumlich variierender Struktur und/oder räumlich variierenden Eigenschaften aufweist, bei dem die mindestens eine Funktionsschicht in einem Zeitintervall durch thermisches Sprühen hergestellt wird, wobei in dem Zeitintervall keine zeitliche Unterbrechung des Materialflusses auf ein Substrat erfolgt und ein oder mehrere Parameter, welche die Struktur und/oder die Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, während des Zeitintervalls variiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsschicht einlagig hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsschicht integral hergestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsschicht kontinuierlich hergestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Parameter, welche die Struktur und/oder die Eigenschaften der hergestellten Funktionsschicht beeinflussen, zeitlich variiert werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim thermischen Sprühen Materialpartikel aufgeheizt oder geschmolzen werden und anschließend auf ein Substrat aufgebracht werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Partikel im Wesentlichen keine Reaktionen zwischen den Partikeln stattfinden.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Sprühen über Flammensprühen, Plasmasprühen oder Lichtbogensprühen durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Materialparameter von zugeführten Materialpartikeln und/oder ein oder mehrere Substratparameter und/oder ein oder mehrere Prozessparameter des thermischen Sprühens variiert werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Parameter Größe von zugeführten Materialpartikeln, Größenverteilung von zugeführten Materialpartikeln, Morphologie von zugeführten Materialpartikeln, Menge von zugeführten Materialpartikeln oder Material von zugeführten Materialpartikeln variiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Parameter Temperatur von zugeführten Materialpartikeln oder Auftreffgeschwindigkeit von Materialpartikeln variiert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Parameter Druck der Atmosphäre, Zusammensetzung der Atmosphäre oder Bereitstellung einer Schutzatmosphäre beim thermischen Sprühen variiert wird.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Parameter Substrattemperatur, relative Geschwindigkeit zwischen Substrat und Sprühstrahl, Zusammensetzung des Substrats oder Porosität des Substrats vorgegeben oder variiert wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Parameter, welcher eine Flamme beim thermischen Sprühen beeinflusst, vorgegeben oder variiert wird.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basisbereich hergestellt wird.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasdichter Elektrolytbereich hergestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsschicht so hergestellt wird, dass die Gasdurchlässigkeit von dem Elektrolytbereich weg zunimmt.
  18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Elektrodenbereich hergestellt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsschicht so hergestellt wird, dass die Ionenleitfähigkeit und/oder Elektronenleitfähigkeit in dem Elektrodenbereich zu einem Elektrolytbereich hin zunimmt.
  20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Funktionsstruktur mit einem Anodenbereich, Elektrolytbereich und einem Kathodenbereich hergestellt wird.
  21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Funktionsstruktur als Elektrodeneinheit für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle hergestellt wird.
  22. Elektrochemische Funktionsstruktur, welche nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
  23. Elektrochemische Funktionsstruktur, umfassend eine einlagige elektrochemische Funktionsschicht mit einem Elektrolytbereich und mindestens einem Elektrodenbereich, wobei die Gasdurchlässigkeit im Elektrodenbereich räumlich variiert und zu dem Elektrolytbereich hin abnimmt.
  24. Elektrochemische Funktionsstruktur nach Anspruch 23, welche eine Elektrodeneinheit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist.
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