DE102007026232A1 - Verfahren zur Herstellung einer gasdichten keramischen Schicht und keramische Schicht - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten keramischen Schicht bereitgestellt, insbesondere einer Festelektrolytschicht für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, bei dem ein Schichtmaterial durch thermisches Spritzen von Spritzgut auf ein Substrat aufgebracht wird, die Schicht mit einem oder mehreren Sinteradditiven dotiert wird und die aufgebrachte Schicht durch Versinterung nachverdichtet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten keramischen Schicht, insbesondere einer Festelektrolytschicht für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine keramische Schicht, insbesondere Festelektrolytschicht einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
  • Aus der DE 10 2004 054 982 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer gasdichten Festelektrolytschicht bekannt, welches die Schritte umfasst, dass eine ungesinterte oder bei Temperaturen unterhalb 1150°C vorgesinterte, auf einem Substrat aufgebrachte Elektrolytschicht mit einem Zirkonium aufweisenden Fluid infiltriert wird und die infiltrierte Elektrolytschicht bei einer Temperatur unterhalb von 1400°C gesintert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich auf einfache Weise eine gasdichte keramische Schicht insbesondere geringer Dicke herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Schichtmaterial durch thermisches Spritzen von Schichtgut auf ein Substrat aufgebracht wird, die Schicht mit einem oder mehreren Sinteradditiven dotiert wird, und die aufgebrachte Schicht durch Versinterung nachverdichtet wird.
  • Beim thermischen Spritzen wird Spritzgut in einen thermischen Strahl gebracht. Aufgrund der beim thermischen Spritzen (beispielsweise beim Flammspritzen oder Plasmaspritzen) erreichbaren kurzen Wechselwirkungszeit zwischen Spritzgut und thermischem Strahl kommt es zu relativ geringen thermischen Belastungen des Spritzguts und des Substrats. Innerhalb kurzer Zeit (in der Größenordnung von wenigen Minuten) lässt sich die entsprechende keramische Schicht herstellen. In dem thermischen Strahl wird das Spritzgut beschleunigt und aufgeschmolzen. Auf dem Substrat überlagern sich die erstarrenden Tröpfchen und es kommt zur Ausbildung einer geschlossenen Schicht.
  • Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass in die Schicht nicht aufgeschmolzenes oder nur teilweise aufgeschmolzenes Pulvermaterial eingelagert wird. Dies kann zum Entstehen von Poren, Mikrorissen, Phasengrenzen und dergleichen führen. Dadurch kann die Gasdichtigkeit der Schicht beeinträchtigt werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird durch thermisches Spritzen eine Vorschicht hergestellt, in welche Sinteradditive eingebaut sind. Dies ermöglicht eine Nachsinterung der Vorschicht zur Herstellung der endgültigen keramischen Schicht. Letztere weist durch die thermische Nachverdichtung dann eine hohe Dichtigkeit auf. Der Nachsinterungsvorgang lässt sich bei geringeren Temperaturen durchführen als ein vollständiger Sinterungsvorgang. Üblicherweise lässt er sich auch mit einer kürzeren Zeitdauer durchführen.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich keramische Schichten wie Festelektrolytschichten mit hoher Gasdichtigkeit innerhalb relativ kurzer Zeit herstellen. Es lassen sich insbesondere dünne Schichten herstellen.
  • Bei einer Ausführungsform werden ein oder mehrere Sinteradditive als Spritzgut in die Schicht eingebracht, das heißt das oder die Sinteradditive werden ebenfalls durch thermisches Spritzen aufgebracht. Dadurch lässt sich eine gezielte Dotierung der Vorschicht mit Sinteradditiven erreichen.
  • Insbesondere wird Spritzgut in einen thermischen Strahl eingebracht, welcher auf das Substrat trifft. Durch diesen Strahl lässt sich das Hauptmaterial für die Schicht und/oder Sinteradditive auf das Substrat aufbringen. In dem (thermischen) Strahl wie einem Flammstrahl oder Plasmastrahl wird das Spritzgut beschleunigt und aufgeschmolzen.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, wenn als Sinteradditive metallisches Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu oder eine Verbindung mit einem oder mehreren dieser Materialien verwendet wird.
  • Es ist auch möglich, dass als Sinteradditive Bi, Ga, Al, B oder eine Verbindung mit einem oder mehreren dieser Materialien verwendet wird. Grundsätzlich können dabei mehrere Sinteradditive und insbesondere eine Mischung aus mehreren Sinteradditiven eingesetzt werden.
  • Es ist insbesondere günstig, wenn als Sinteradditiv eine oxidische Verbindung mit einem oder mehreren der oben genannten Materialien verwendet wird.
  • Günstig ist es, wenn die hergestellte (Vor-)Schicht eine Dotierung mit Sinteradditiven im Bereich größer 0 mol-% bis 5 mol-% und insbesondere im Bereich größer 0 mol-% bis 2 mol-% aufweist. Es lässt sich dadurch eine thermische Nachverdichtung der hergestellten Vorschicht auf einfache Weise erreichen. Die Sinteradditive haben dabei auf die notwendigen Eigenschaften der keramischen Schicht wie der elektrischen Isolierungseigenschaft für Elektronenleitung und die Leitfähigkeit für Sauerstoffionen keinen wesentlichen Einfluss.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Versintern in einem Temperaturbereich von 650°C bis 1000°C und insbesondere in einem Temperaturbereich von 750°C bis 950°C und insbesondere in einem Temperaturbereich von 850°C bis 950°C durchgeführt wird. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich das Versintern zur thermischen Verdichtung bei relativ niedrigen Temperaturen im Vergleich zu bekannten Verfahren durchführen, bei denen die keramische Schicht ohne vorheriges thermisches Spritzen allein durch Sintern hergestellt wird (wobei die Vorschicht bei diesen bekannten Verfahren nasschemisch aufgebracht wurde). Dadurch lässt sich beispielsweise bei dem Versinterungsprozess auch ein metallisches Trägersubstrat zerstörungsfrei verwenden. Es ist auch möglich, dass der Versinterungsprozess allein durch den Betrieb der entsprechenden Hochtemperatur-Brennstoffzelle durchgeführt wird, wenn die keramische Schicht eine Festelektrolytschicht ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Spritzgut durch Plasmaspritzen aufgebracht wird. Beim Plasmaspritzen wird als thermischer Strahl ein Plasmastrahl erzeugt, in welchen das Spritzgut eingekoppelt wird. Das Plasmaspritzen lässt sich unter atmosphärischen Bedingungen oder unter Vakuumbedingungen durchführen.
  • Die Dotierung mit Sinteradditiven lässt sich auf verschiedene Weisen durchführen. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Mischung aus einem oder mehreren Sinteradditiven und einem Hauptmaterial für die Schicht hergestellt und die Mischung wird als Spritzgut thermisch gespritzt, das heißt Mischungsmaterial wird in den thermischen Strahl eingebracht. Bei entsprechender Einstellung des Mischungsverhältnisses lässt sich beispielsweise eine definierte homogene Verteilung des oder der Sinteradditive in der Vorschicht erreichen.
  • Es ist auch möglich, dass ein Hauptmaterial für die Schicht und ein oder mehrere Sinteradditive getrennt gespritzt werden. Dies kann mit einem oder mehreren getrennten thermischen Strahlen erfolgen. Wenn ein thermischer Strahl verwendet wird, dann kann beispielsweise Sinteradditiv-Spritzgut und Hauptmaterial-Spritzgut zeitlich nacheinander eingekoppelt werden ("Batch-Einkopplung").
  • Es ist beispielsweise möglich, dass ein Hauptmaterial für die Schicht und ein oder mehrere Sinteradditive zeitlich abwechselnd gespritzt werden. Es lassen sich dadurch Unterschichten in der Vorschicht herstellen, welche reich an Sinteradditiven sind.
  • Es ist möglich, dass das Spritzgut in Pulverform gespritzt wird.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Suspension aus einem oder mehreren Sinteradditiven und Hauptmaterial für die Schicht thermisch gespritzt wird, das heißt die Suspension wird in einen oder mehrere thermische Strahlen eingekoppelt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Hauptmaterial für die Schicht Gadolinium-dotiertes Ceroxid oder Yttrium-stabilisiertes oder Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid. Diese Materialien haben sich als vorteilhaft erwiesen als Materialien für eine Festelektrolytschicht einer oxidkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
  • Günstig ist es, wenn die Schichtdicke höchstens 100 μm ist. Insbesondere ist die Schichtdicke kleiner als 40 μm. Beispielsweise liegt sie im Bereich von 20 μm bis 30 μm. Sie kann auch kleiner sein und beispielsweise im Bereich zwischen 5 μm und 10 μm liegen.
  • Erfindungsgemäß wird eine keramische Schicht wie eine Festelektrolytschicht einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle bereitgestellt, welche gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Diese keramische Schicht weist die bereits oben erläuterten Vorteile auf.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer gasdichten Festelektrolytschicht;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist eine oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC – solid oxide fuel cell). Ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul, welches in 1 in einer Teilschnittdarstellung schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine elektrochemische Funktionseinrichtung 12 mit einer Anode 14, einem Festelektrolyten 16 und einer Kathode 18. Die Anode 14, der Festelektrolyt 16 und die Kathode 18 bilden eine Anoden-Elektrolyt-Kathoden-Einheit 20.
  • Die Anode 14 ist auf einem Anodenträger 22 angeordnet. Der Anodenträger 22 ist elektrisch leitend (elektronenleitend) und mindestens teilweise aus einem porösen Material hergestellt, so dass Brennstoffgas durch den Anodenträger 22 hindurch zu der Anode 14 gelangen kann. Er ist üblicherweise aus einem metallischen Material hergestellt. Der Anodenträger 22 ist ein mechanischer Träger für die Anode 14, über welchen eine elektrische Kontaktierung der Anode 14 beispielsweise mit einem Gehäuse (in der Figur nicht gezeigt) ermöglicht wird.
  • An dem Anodenträger 22 kann an einer Seite 24, welche der Seite gegenüberliegt, an welcher die Anode 14 angeordnet ist, eine elektrische Kontakteinrichtung 26 angeordnet sein. Diese ist insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt. Die elektrische Kontakteinrichtung 26 steht in mechanischem und elektrischem Kontakt mit einem Gehäuse. Sie sorgt dadurch für die elektrische Kontaktierung der Anode 14 mit dem Gehäuse. Die elektrische Kontakteinrichtung 26 ist mit dem Anodenträger 22 und dem Gehäuse beispielsweise verlötet oder verschweißt. Über die elektrische Kontakteinrichtung 26 stützt sich der Anodenträger und damit die elektrische Funktionseinrichtung 12 an dem Gehäuse ab.
  • Die elektrische Kontakteinrichtung 26 ist gasdurchlässig ausgebildet, so dass Brennstoffgas zu der Anode 14 gelangen kann. Die elektrische Kontakteinrichtung 26 ist beispielsweise als Netz oder Gewebe oder Gewirke ausgebildet.
  • Der Anodenträger kann auch direkt an dem Gehäuse, welches dann eine entsprechende Gasverteilungsstruktur hat, abgestützt sein.
  • Die Anode ist beispielsweise aus einem oxidkeramischen Material hergestellt und weist einen anodischen Katalysator auf; beispielsweise ist die Anode 14 aus Zirkonoxid mit Nickel als Katalysator hergestellt.
  • Die Anode 14 ist als Schicht hergestellt, welche beispielsweise eine Dicke im Größenbereich zwischen 40 μm und 80 μm aufweist.
  • Der Festelektrolyt 16 ist auf der Anode 14 ausgebildet und als keramische Schicht hergestellt. Eine typische Schichtdicke des Festelektrolyten liegt in der Größenordnung von einigen 10 μm. Mit zunehmender Schichtdicke nimmt der elektrische Widerstand zu und damit der elektrische Wirkungsgrad der Hochtemperatur-Brennstoffzelle ab.
  • Der Festelektrolyt 16 ist gasdicht. Er bildet einen Isolator für Elektronenleitung und ist Sauerstoffionen-leitend.
  • Der Festelektrolyt 16 ist bei einem Ausführungsbeispiel aus Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid hergestellt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist er aus Gadolinium-stabilisiertem Ceroxid hergestellt. Beispielsweise kann er auch aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid hergestellt sein. Auf dem Festelektrolyten 16 ist die Kathode 18 angeordnet. Sie ist beispielsweise aus einem oxidkeramischen Material hergestellt. Beispielsweise werden zur Herstellung Mischoxide wie Lanthan-Strontium-Manganat eingesetzt. Die Kathode 18 ist insbesondere als Schicht ausgebildet, welche beispielsweise eine Schichtdicke in der Größenordnung zwischen 40 μm und 80 μm aufweist.
  • Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Kathode auf einem Kathodenträger hergestellt wird und dann der Festelektrolyt auf der Kathode hergestellt wird und anschließend die Anode hergestellt wird.
  • Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10 finden an der Kathode 18 folgende Zellreaktionen statt:
    Figure 00100001
  • Der Anode 14 wird Brennstoff zugeführt. Es finden folgende Zellreaktionen statt: H2 + O2– → H2O + 2e–
  • Die entsprechende Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10 wird bei einer Temperatur im Bereich von ca. 650°C bis 1000°C betrieben.
  • Der Brennstoff, welcher Wasserstoffgas ist oder enthält, kann beispielsweise über einen Reformer geliefert werden.
  • Die keramische Schicht 16 wird wie folgt hergestellt:
    Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die keramische Schicht 16 als Vorschicht hergestellt, welche mit einem oder mehreren Sinteradditiven dotiert ist. Diese Vorschicht wird versintert und dadurch thermisch nachverdichtet.
  • Das Hauptmaterial für die Schicht wird durch thermisches Spritzen aufgebracht. Wie in 2 schematisch angedeutet, wird beim thermischen Spritzen Spritzgut 28 in einen thermischen Strahl 30 eingebracht. Im thermischen Strahl 30 herrscht eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur des Spritzguts liegt. Dort wird das Spritzgut beschleunigt und aufgeschmolzen. Es trifft auf ein Substrat 32.
  • Beispiele für thermische Spritzverfahren sind Flammenspritzen und Plasmaspritzen. Im letzteren Falle wird der thermische Strahl 30 durch einen Plasmabrenner 34 erzeugt.
  • Beim Vakuumplasmaspritzen erfolgt der Spritzvorgang unter Unterdruck bezüglich der Atmosphäre. Dementsprechend erfolgt der Spritzvorgang in einem Raum 36, welcher gegenüber der Umgebung gasdicht geschlossen ist.
  • Es ist grundsätzlich auch möglich, einen Plasmaspritzvorgang atmosphärisch durchzuführen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Mischung aus einem oder mehreren Sinteradditiven und einem Hauptmaterial für die herzustellende keramische Schicht 16 hergestellt. Diese Mischung wird beispielsweise über einen Pulverförderer 38 in den thermischen Strahl 30 eingebracht.
  • Dadurch erhält man eine mit Sinteradditiven dotierte Vorschicht auf dem Substrat 32, welche anschließend versintert wird.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, welches schematisch in 3 gezeigt ist, wird Hauptmaterial für die Schicht in den thermischen Strahl 30 eingebracht und getrennt davon werden ein oder mehrere Sinteradditive in den thermischen Strahl 30 eingebracht. Beispielsweise ist dazu ein erster Pulverförderer 40 für das Hauptmaterial und ein zweiter Pulverförderer 42 für das oder die Sinteradditive vorgesehen. Es erfolgt dann gewissermaßen eine Mischung in dem thermischen Strahl 30 und/oder auf dem Substrat 32.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 4 angedeutet ist, wird das Hauptmaterial für die Schicht durch einen ersten thermischen Strahl 44 aufgespritzt und das oder die Sinteradditive werden über einen zweiten thermischen Strahl 46 aufgespritzt. Dementsprechend ist ein erster Plasmabrenner 48 vorgesehen, welcher den ersten thermischen Strahl 44 erzeugt, und es ist ein zweiter Plasmabrenner 50 vorgesehen, welcher den zweiten thermischen Strahl 46 erzeugt.
  • Es ist auch möglich, wie in 5 angedeutet, dass Hauptmaterial für die Vorschicht und ein oder mehrere Sinteradditive in zeitlich versetzter Abfolge aufgebracht werden. Beispielsweise wird dazu über eine entsprechende Steuerungseinrichtung 52 die Einkopplung von Hauptmaterial in den thermischen Strahl 30 und die Einkopplung von einem oder mehreren Sinteradditiven in den thermischen Strahl 30 in der zeitlichen Abfolge gesteuert. Es lassen sich so beispielsweise Hauptmaterial-Unterschichten aufbauen, zwischen welchen Sinteradditivschichten angeordnet sind, welche aus Sinteradditiven bestehen oder einen hohen Sinteradditivanteil aufweisen. Es können dazu mehrere Pulverförderer vorgesehen sein oder ein Pulverförderer, an welchem das Pulver zeitlich "gewechselt" wird.
  • Es ist möglich, dass das Hauptmaterial und das oder die Sinteradditive in Pulverform aufgespritzt werden, das heißt in Pulverform in den thermischen Strahl 30 eingebracht werden.
  • Es ist auch möglich, dass eine Suspension aus dem Hauptmaterial und dem oder den Sinteradditiven hergestellt wird und diese Suspension in den thermischen Strahl 30 eingebracht wird.
  • Das Ergebnis der beschriebenen Aufbringverfahren ist eine Vorschicht, welche mit Sinteradditiven dotiert ist. Als Sinteradditive können metallische Materialien wie Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni oder Cu in Elementarform oder in Verbindungsformen insbesondere in oxidischer Verbindungsform verwendet werden. Es ist auch möglich, dass Bi, Ga, Al, B in elementarer Form oder in Verbindungsform (insbesondere in Oxidform) eingesetzt wird. Auch Kombinationen der beschriebenen möglichen Sinteradditive sind möglich.
  • Es wird insbesondere eine Vorschicht hergestellt, bei der der Anteil von Sinteradditiven bezogen auf Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Bi, Ga, Al, B (unabhängig davon, ob diese in elementarer Form oder in Verbindungsform vorliegen) größer 0 mol-% bis 5 mol-% und insbesondere größer 0 mol-% bis 2 mol-% beträgt.
  • Es wird dann nach Herstellung der dotierten Vorschicht eine Versinterung durchgeführt, um die Dichtigkeit zur Schicht zu erhöhen, das heißt es wird eine thermische Nachverdichtung durchgeführt.
  • Diese Versinterung kann in einem Ofen durchgeführt werden oder sie kann durch den Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10 durchgeführt werden.
  • Die Versinterung zur thermischen Nachverdichtung der Vorschicht und damit zur Herstellung der keramischen Schicht 16 (insbesondere Festelektrolytschicht) kann bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden.
  • Insbesondere wird sie im Temperaturbereich zwischen 650°C und 1000°C und insbesondere zwischen 750°C und 950°C und insbesondere zwischen 850°C und 950°C durchgeführt.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zunächst durch thermisches Spritzen die Vorschicht mit den dotierten Sinteradditiven durchgeführt. Diese keramische Schicht lässt sich durch das Versintern thermisch verdichten, wobei diese Nachsinterung bei den erwähnten relativ niedrigen Temperaturen durchführbar ist. Insbesondere lässt sich diese Versinterung bei einer Temperatur durchführen, die nicht schädlich für einen metallischen Anodeträger 22 ist.
  • Die Versinterung der Vorschicht ist eine thermische Nachsinterung beispielsweise in einem Ofen. Sie kann auch zumindest teilweise als "In-situ-Versinterung" durch den Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzelle 10 durchgeführt werden.
  • Die Sinterdauer liegt unterhalb 10 Stunden. Üblicherweise ist bei genügend dünnen Schichten eine Sinterdauer von 1 bis 3 Stunden ausreichend.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, keramische Schichten wie beispielsweise Festelektrolytschichten 16 mit hoher Dichtigkeit herzustellen. Das Versintern kann bei niedrigeren als bisher üblichen Temperaturen (wenn kein Aufbringen des Hauptmaterials über thermisches Spritzen vorgesehen ist) erreicht werden. Es lassen sich dünne Schichten herstellen, welche eine Dicke beispielsweise in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet für die Herstellung von Festelektrolytschichten einer oxidkeramischen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC). Grundsätzlich können bei der Herstellung einer Elektrolytschicht aus metalloxidischem Material über Spritzverfahren Störstellen wie Poren und Mikrorisse entstehen, die eine Wasserstoffdiffusion zwischen der Anode und der Kathode ermöglichen. Je gasdichter die Festelektrolytschicht ist, desto höher ist die offene Zellspannung (OCV), die erreichbar ist. Eine hohe offene Zellspannung wiederum bedeutet einen hohen elektrischen Wirkungsgrad der Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Je geringer die Schichtdicke, desto kleiner ist auch der elastische Widerstand und desto höher ist der Wirkungsgrad. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist durch die Dotierung der Vorschicht mit Sinteradditiven eine Versinterung mit relativ geringen Temperaturen möglich Es lässt sich dadurch eine thermische Nachverdichtung der Festelektrolytschicht erreichen, um deren Gasdurchlässigkeit zu erniedrigen und insbesondere im Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle die Wasserstoffdiffusion zwischen Anode und Kathode ausreichend zu unterbinden.
  • Neben der Anwendung von erfindungsgemäß hergestellten keramischen Schichten als Festelektrolytschichten ist es grundsätzlich auch möglich, entsprechende keramische Schichten als Elektrodenschichten herzustellen. Auch die Verwendung in Sensoren oder als Isolationsmaterial ist möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004054982 A1 [0003]

Claims (21)

  1. Verfahren zur Herstellung einer gasdichten keramischen Schicht, insbesondere einer Festelektrolytschicht für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, bei dem ein Schichtmaterial durch thermisches Spritzen von Spritzgut auf ein Substrat aufgebracht wird, die Schicht mit einem oder mehreren Sinteradditiven dotiert wird, und die aufgebrachte Schicht durch Versinterung nachverdichtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Sinteradditive in der Form von Spritzgut in die Schicht eingebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Spritzgut in einen thermischen Strahl eingebracht wird, welcher auf das Substrat trifft.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinteradditiv Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu oder eine Verbindung mit einem oder mehreren dieser Materialien verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinteradditiv Bi, Ga, Al, B oder eine Verbindung mit einem oder mehreren dieser Materialien verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sinteradditiv eine oxidische Verbindung verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte Schicht eine Dotierung mit Sinteradditiven im Bereich größer 0 mol-% bis 5 mol-% aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellte Schicht eine Dotierung mit Sinteradditiven im Bereich größer 0 mol-% bis 2 mol-% aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versintern in einem Temperaturbereich von 650°C bis 1000°C durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versintern in einem Temperaturbereich von 750°C bis 950°C durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versintern in einem Temperaturbereich von 850°C bis 950°C durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Versintern mindestens teilweise durch Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle durchgeführt wird, wenn die hergestellte keramische Schicht eine Festelektrolytschicht ist.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgut durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung aus einem oder mehreren Sinteradditiven und einem Hauptmaterial für die Schicht hergestellt wird und die Mischung als Spritzgut thermisch gespritzt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptmaterial für die Schicht und ein oder mehrere Sinteradditive getrennt gespritzt werden.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptmaterial für die Schicht und ein oder mehrere Sinteradditive zeitlich abwechseln gespritzt werden.
  17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgut in Pulverform gespritzt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension aus einem oder mehreren Sinteradditiven und Hauptmaterial für die Schicht thermisch gespritzt wird.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hauptmaterial für die Schicht Gadolinium-dotiertes Ceroxid oder Yttrium-stabilisiertes oder Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid ist.
  20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke kleiner als 100 μm ist.
  21. Keramische Schicht, insbesondere Festelektrolytschicht einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, welche nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
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