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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Funktionsstruktur, umfassend mindestens eine aus Materialpartikeln gebildete elektrochemische Funktionsschicht.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur, bei dem mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht durch thermisches Spritzen von Materialpartikeln auf ein Substrat gebildet wird.
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Elektrochemische Funktionsstrukturen ermöglichen den effektiven Ablauf von elektrochemischen Reaktionen, z. B. in Brennstoffzellen, in denen solche Funktionsstrukturen als Elektrodeneinheiten eingesetzt werden. Die elektrochemische Funktionsstruktur (bzw. entsprechende Bereiche der Funktionsstruktur) muss eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und Ionenleitfähigkeit aufweisen, sowie eine ausreichende Gasdurchlässigkeit für die Zuführung des Brenngases bzw. Oxidatorgases an die Reaktionsstellen.
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Die Leistungsfähigkeit und insbesondere der elektrochemische Wirkungsgrad der elektrochemischen Funktionsstruktur ist nicht nur von den verwendeten Materialien, sondern in hohem Maße auch vom strukturellen Aufbau der Funktionsstruktur abhängig. Besonders wünschenswert ist in der Regel eine große innere Oberfläche der Funktionsstruktur, welche z. B. bei Elektrodeneinheiten von Brennstoffzellen ausschlaggebend für die Drei-Phasen-Grenze zwischen der Elektrode, dem Elektrolyt und dem gasförmigen Brennstoff bzw. Oxidator ist. Elektrochemische Funktionsstrukturen werden daher insbesondere als mikroporöse Strukturen ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Funktionsstruktur mit verbesserten Eigenschaften vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird bei der elektrochemischen Funktionsstruktur der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Materialpartikel einen Anteil an Mikropartikeln umfassen, die in jeder Raumrichtung eine Abmessung von mehr als ca. 100 nm aufweisen, und einen Anteil an Nanopartikeln, die in mindestens einer Raumrichtung eine Abmessung von weniger als ca. 100 nm aufweisen.
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Elektrochemische Funktionsstrukturen, bei denen Funktionsschichten aus Mikropartikeln in dem oben genannten Größenbereich gebildet sind, sind seit längerem bekannt. Die innere Oberfläche solcher Strukturen und damit die potentielle Anzahl von elektrochemischen Reaktionsstellen kann prinzipiell durch eine Verringerung der Partikelgröße erhöht werden, was jedoch auch nachteilige Effekte mit sich bringt. Insbesondere dann, wenn eine elektrochemische Funktionsschicht ausschließlich aus Nanopartikeln in dem oben genannten Größenbereich gebildet wird, kann es zu einer unerwünschten starken Agglomeration der Partikel kommen, sodass ein gegenteiliger Effekt eintritt und der elektrochemische Wirkungsgrad der Funktionsstruktur deutlich absinkt.
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Durch die erfindungsgemäße Funktionsstruktur, bei der mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht aus zwei Anteilen von Materialpartikeln in einem unterschiedlichen Größenbereich gebildet ist, kann der elektrochemische Wirkungsgrad der Struktur optimiert werden. Hierbei wird durch den Anteil an Mikropartikeln eine Art Grundstruktur mit einer ausreichenden Porosität und Gasdurchlässigkeit definiert, während durch den Anteil an Nanopartikeln die innere Oberfläche der elektrochemischen Funktionsschicht vergrößert wird. Es hat sich z. B. gezeigt, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Funktionsstruktur als Elektrodeneinheit ein höherer Wirkungsgrad durch eine geringere Polarisation der Elektroden erzielt werden kann.
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Mikropartikel im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Materialpartikel, die in jeder Raumrichtung eine Abmessung von mehr als ca. 100 nm aufweisen.
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Bevorzugt weisen die Mikropartikel in jeder Raumrichtung eine Abmessung von ca. 100 nm bis ca. 100 μm auf, besonders bevorzugt von ca. 1 μm bis ca. 30 μm. Die Mikropartikel können sowohl eine regelmäßige als auch eine unregelmäßige Form aufweisen. Insbesondere können sie im Wesentlichen sphärisch ausgebildet sein, aber auch anisotrope Formen wie z. B. Plättchen oder Fasern sind möglich.
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Nanopartikel sind im Rahmen der Erfindung Materialpartikel, die in mindestens einer Raumrichtung eine Abmessung von weniger als ca. 100 nm aufweisen. Günstig ist es, wenn die Nanopartikel in jeder Raumrichtung eine Abmessung von weniger als ca. 100 nm aufweisen, insbesondere von ca. 10 nm bis ca. 100 nm. Die Nanopartikel sind bevorzugt im Wesentlichen sphärisch ausgebildet.
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Wie sich aus den bevorzugten Abmessungen der Mikro- und Nanopartikel ergibt, ist es besonders günstig, wenn die mittlere Abmessung der Mikropartikel in der elektrochemischen Funktionsschicht mindestens um den Faktor 10, bevorzugt mindestens um den Faktor 100, weiter bevorzugt mindestens um den Faktor 1000 größer ist als die mittlere Abmessung der Nanopartikel. Durch diesen deutlichen Größenunterschied können die oben genannten unterschiedlichen Funktionen durch die Mikro- bzw. Nanopartikel besonders gut erfüllt werden.
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Die Mikropartikel und/oder die Nanopartikel der elektrochemischen Funktionsschicht können aus einem oder mehreren metallischen Materialien, keramischen Materialien oder Kombinationen hiervon gebildet sein. Die Auswahl der Materialien erfolgt je nach Einsatzzweck der elektrochemischen Funktionsstruktur. Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung mit Materialpartikeln aus oxidkeramischen Materialien verwirklichen, die insbesondere für Elektrodeneinheiten von Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt werden. Hierauf wird weiter unten noch im Einzelnen eingegangen.
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Günstig ist es, wenn die Mikropartikel und die Nanopartikel aus demselben Material oder denselben Materialien gebildet sind, sodass die elektrochemische Funktionsschicht im Hinblick auf die stoffliche Zusammensetzung homogen aufgebaut ist. Es kann im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen sein, dass die Mikropartikel und die Nanopartikel aus jeweils unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
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Besonders günstig ist es, wenn zumindest ein Teil der Materialpartikel in der elektrochemischen Funktionsschicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann die nötige strukturelle Integrität und Stabilität der elektrochemischen Funktionsstruktur gewährleistet werden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt insbesondere durch oberflächliches Anschmelzen der Materialpartikel, was durch verschiedene Herstellungsverfahren (wie Sintern oder thermisches Spritzen) erreicht werden kann. Durch die Wahl der Verfahrensparameter kann das Ausmaß der stoffschlüssigen Verbindung und damit insbesondere auch die Porosität der elektrochemischen Funktionsschicht eingestellt werden.
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Die Mikropartikel und die Nanopartikel können auf verschiedene Weise innerhalb der elektrochemischen Funktionsschicht angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktionsstruktur umfasst die elektrochemische Funktionsschicht zwei oder mehr Lagen, wobei eine erste Lage im Wesentlichen aus Mikropartikeln und eine zweite Lage im Wesentlichen aus Nanopartikeln gebildet ist. Bei einem solchen Lagenaufbau kann die erste Lage aus Mikropartikeln unter anderem auch als Träger für die zweite Lage aus Nanopartikeln dienen. Bei Verwendung der Funktionsstruktur z. B. in einer Elektrodeneinheit ist es dann besonders vorteilhaft, wenn die zweite Lage, die aufgrund ihrer Nanostruktur eine sehr große innere Oberfläche aufweist, in Richtung des Elektrolyten orientiert ist, und die erste Lage, die sich durch ihre Porosität auszeichnet, als Gasdiffusionslage der Zuführung von Brenngas bzw. Oxidatorgas zu den elektrochemischen Reaktionsstellen dient. Die zweite Lage der elektrochemischen Funktionsschicht ist bei dieser Ausführungsform in der Regel dünner ausgebildet als die erste Lage.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die elektrochemische Funktionsschicht einen Gradienten hinsichtlich des Anteils an Nanopartikeln auf. Günstigerweise nimmt dabei der Anteil an Nanopartikeln innerhalb der Funktionsschicht z. B. in Richtung eines Elektrolyten zu, während der Anteil an Mikropartikeln entsprechend abnimmt. Durch einen solchen Gradienten können die vorteilhaften Eigenschaften der Mikro- und Nanopartikel im Vergleich zu einem Lagenaufbau noch besser miteinander kombiniert und aufeinander abgestimmt werden. Durch den Verzicht auf diskrete Lagen kann auch die mechanische Stabilität der elektrochemischen Funktionsschicht erhöht werden, indem die Gefahr einer Disintegration der Lagen vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrochemische Funktionsschicht eine Vielzahl von Agglomeraten, wobei die Agglomerate aus Nanopartikeln, die zumindest teilweise von Mikropartikeln umgeben sind, gebildet sind. Die Agglomerate als Ganzes weisen vorzugsweise Abmessungen von mehr als ca. 1 μm auf und umfassen eine Art Hülle aus Mikropartikeln, d. h. regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen im oben definierten Mikrobereich. Über stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Hüllen benachbarter Agglomerate wird die poröse Grundstruktur der elektrochemischen Funktionsschicht definiert. Die Nanopartikel innerhalb der Agglomerate bewirken demgegenüber eine deutliche Vergrößerung der gesamten inneren Oberfläche der Funktionsschicht. Durch die Mikropartikel, die jeweils Bereiche von Nanopartikeln gegeneinander abgrenzen, wird eine zu starke Agglomeration der Nanopartikel innerhalb der Funktionsschicht verhindert. Auf diese Weise kann eine elektrochemische Funktionsstruktur mit einem besonders hohen elektrochemischen Wirkungsgrad erzielt werden.
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Die elektrochemische Funktionsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Sintern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrochemische Funktionsschicht durch thermisches Spritzen hergestellt. Beim thermischen Spritzen werden Materialpartikel aufgeheizt und auf ein Substrat aufgebracht, wobei die auf dem Substrat auftreffenden Materialpartikel günstigerweise an ihrer Oberfläche miteinander verschmelzen und dadurch stoffschlüssige Verbindungen eingehen. Das Aufheizen der Materialpartikel kann durch eine chemisch erzeugte Flamme oder eine elektrisch erzeugte Flamme erfolgen. Das thermische Spritzen kann z. B. Plasmaspritzen, Suspensions-Plasmaspritzen, Solution-Precursor-Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserspritzen oder Lichtbogenspritzen umfassen, wobei das geeignete Verfahren insbesondere in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Materialpartikel ausgewählt wird.
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Auch eine elektrochemische Funktionsschicht, die gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zwei oder mehr Lagen umfasst oder einen Gradienten hinsichtlich des Anteils an Nanopartikeln aufweist, kann durch thermisches Spritzen hergestellt werden. Im ersten Fall werden die verschiedenen Lagen nacheinander unter Verwendung unterschiedlicher Materialpartikel auf ein Substrat aufgebracht, und im zweiten Fall werden die Zusammensetzung der Materialpartikel und/oder die Verfahrensparameter während des thermischen Spritzens graduell geändert. Dabei können entweder die Mikropartikel oder die Nanopartikel als erstes auf das Substrat aufgebracht werden.
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Der Anteil an Mikropartikeln in der elektrochemischen Funktionsschicht kann durch Verwendung von Mikropartikeln als Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen erhalten werden. Die Mikropartikel (oder ein Teil der Mikropartikel) können jedoch auch durch Verschmelzen von Nanopartikeln während des thermischen Spritzens (vor oder beim Auftreffen auf das Substrat) gebildet werden. Dies ist insofern vorteilhaft, als nur eine Art von Materialpartikeln als Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen eingesetzt werden muss und das Ausmaß der Bildung von Mikropartikeln durch die Wahl der Verfahrensparameter gesteuert werden kann.
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Thermisches Spritzen eignet sich insbesondere auch zur Erzeugung einer elektrochemischen Funktionsschicht aus Agglomeraten von Nanopartikeln, die zumindest teilweise von Mikropartikeln umgeben sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft dementsprechend auch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Funktionsstruktur, bei dem mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht durch thermisches Spritzen von Materialpartikeln auf ein Substrat gebildet wird, wobei die Materialpartikel Agglomerate von Nanopartikeln mit einer Abmessung von weniger als ca. 100 nm in mindestens einer Raumrichtung umfassen, und wobei das thermische Spritzen derart durchgeführt wird, dass sich an der Oberfläche der Agglomerate durch Verschmelzen von Nanopartikeln Mikropartikel bilden, die eine Abmessung von mehr als ca. 100 nm in jeder Raumrichtung aufweisen.
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Die Agglomerate von Nanopartikeln, die als Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen eingesetzt werden, werden dabei insbesondere durch eine Adhäsion zwischen den Nanopartikeln (z. B. durch elektrostatische Aufladung) gebildet. Durch die geeignete Wahl der Verfahrensparameter (insbesondere der Temperatur des Strahls und der Verweildauer der Materialpartikel) werden die Nanopartikel an der Oberfläche der Agglomerate, nicht jedoch im Inneren der Agglomerate, aufgeschmolzen, wodurch sich an der Oberfläche Strukturen im Mikrobereich ausbilden. Die einzelnen Agglomerate verschmelzen dann teilweise beim Auftreffen auf das Substrat und bilden die Grundstruktur der elektrochemischen Funktionsschicht.
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Das thermische Spritzen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise Plasmaspritzen, Suspensions-Plasmaspritzen, Solution-Precursor-Plasmaspritzen, Laserspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen.
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Die erfindungsgemäße elektrochemische Funktionsstruktur kann zusätzlich zu der oben beschriebenen elektrochemischen Funktionsschicht eine oder mehrere weitere Funktionsschichten umfassen. Wenn mehrere elektrochemische Funktionsschichten vorgesehen sind, können diese gleich oder unterschiedlich (z. B. gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung) ausgebildet sein.
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Die elektrochemische Funktionsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Funktionsstruktur eine Elektrodeneinheit für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, insbesondere für eine oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC). Bei der SOFC wird als Elektrolyt eine Oxidkeramik eingesetzt (insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid), die bei hohen Temperaturen eine gute Leitfähigkeit für Oxidionen aufweist.
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Die mindestens eine elektrochemische Funktionsschicht der erfindungsgemäßen Funktionsstruktur bildet vorzugsweise einen Kathodenbereich oder einen Anodenbereich der Elektrodeneinheit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Funktionsstruktur zwei elektrochemische Funktionsschichten, die einen Kathodenbereich bzw. einen Anodenbereich bilden, sowie einen dazwischen angeordneten Elektrolytbereich.
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Wenn die erfindungsgemäße Funktionsstruktur eine Elektrodeneinheit, insbesondere für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, ist, sind die Materialpartikel vorzugsweise aus Nickeloxid (NiO), aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ), aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid (SSZ), aus (La,Sr)MnO3, aus (La,Sr)(Fe,Co)O3 und/oder aus dotiertem Ceroxid gebildet. Es hat sich gezeigt, dass Kathoden- bzw. Anodenbereiche, die aus diesen Materialien mit einer Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind, beim Betrieb der Brennstoffzelle einen höheren elektrochemischen Wirkungsgrad aufweisen. Insbesondere kann durch die Erfindung die Polarisation der Elektroden verringert werden.
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Die elektrochemische Funktionsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus z. B. auch als Elektrodeneinheit in Elektrolysevorrichtungen, in elektrochemischen Sensoren (z. B. NOX-Sensoren), in elektrochemischen Schaltern oder dergleichen eingesetzt werden.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen im Einzelnen:
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1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur;
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2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur;
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3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur;
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4: eine mikroskopische Aufnahme eines Ausschnitts aus einer Funktionsstruktur gemäß der 3; und
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5: eine schematische Darstellung einer Elektrodeneinheit mit einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur.
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Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur 10 mit einer elektrochemischen Funktionsschicht 12. Die Funktionsschicht 12 umfasst eine erste Lage 14 und eine zweite Lage 16, die in direktem Kontakt miteinander angeordnet sind.
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Die erste Lage 14 der Funktionsschicht 12 ist aus Mikropartikeln 18 gebildet, d. h. Materialpartikeln, die in jeder Raumrichtung eine Abmessung von mehr als ca. 100 nm aufweisen. Die Mikropartikel 18 können z. B. Abmessungen im Bereich von 1 bis 30 μm aufweisen. Zumindest ein Teil der Mikropartikel 18 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, sodass die erste Lage 14 eine poröse, gasdurchlässige Grundstruktur der elektrochemischen Funktionsschicht 12 bildet.
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Die Mikropartikel 18 sind in der 1 als im Wesentlichen sphärische Partikel dargestellt, sie können in der Realität aber auch eine unregelmäßige Partikelform aufweisen.
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Die zweite Lage 16 der Funktionsschicht 12 ist aus Nanopartikeln 20 gebildet, d. h. Materialpartikeln, die in mindestens einer Raumrichtung eine Abmessung von weniger als ca. 100 nm aufweisen. Die Nanopartikel 20 können z. B. Abmessungen im Bereich von 10 bis 100 nm aufweisen. Zumindest ein Teil der Nanopartikel 20 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, und in dem Übergangsbereich zwischen der ersten Lage 14 und der zweiten Lage 16 bestehen auch stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Mikropartikeln 18 und den Nanopartikeln 20. Die zweite Lage 16 mit den Nanopartikeln 20 weist eine besonders große innere Oberfläche auf und wird von der ersten Lage 14 stabilisiert und getragen.
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Das Größenverhältnis zwischen den Mikropartikeln 18 und den Nanopartikeln 20 ist in der 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt.
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Die Mikropartikel 18 und die Nanopartikel 20 können je nach Verwendung der elektrochemischen Funktionsstruktur 10 aus einem oder mehreren metallischen Materialien, keramischen Materialien oder Kombinationen hiervon gebildet sein.
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Die elektrochemische Funktionsschicht 12 ist vorzugsweise durch thermisches Spritzen hergestellt, wobei zunächst die Mikropartikel 18 der ersten Lage 14 auf ein Substrat (in der Figur nicht dargestellt) aufgetragen werden und anschließend die Nanopartikel 20 der zweiten Lage 16. Das Substrat kann ein endgültiges Substrat sein (z. B. ein Gaszuführungselement) oder auch ein Zwischensubstrat, welches nach der Herstellung der Funktionsschicht 12 abgelöst wird.
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Alternativ ist es auch möglich, zunächst die Nanopartikel 20 auf ein geeignetes Substrat (z. B. einen Elektrolyt) aufzubringen und anschließend die Mikropartikel 18.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Funktionsstruktur 10 mit einer elektrochemischen Funktionsschicht 12. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen wie in der 1.
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Die Funktionsschicht 12 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist aus Mikropartikeln 18 und Nanopartikeln 20 gebildet, wobei die Funktionsschicht 12 einen Gradienten hinsichtlich des Anteils an Nanopartikeln 20 aufweist. Der Anteil an Nanopartikeln 20 nimmt entlang der Dicke der Funktionsschicht 12 von unten nach oben zu, während der Anteil an Mikropartikeln 18 entsprechend abnimmt. Zumindest ein Teil der Mikropartikel 18 und der Nanopartikel 20 sind stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Die elektrochemische Funktionsschicht 12 kann durch thermisches Spritzen in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden, wobei die verwendeten Materialpartikel und/oder die Verfahrensparameter während der Herstellung graduell geändert werden. Anstelle der Verwendung von Mikropartikeln 18 und Nanopartikeln 20 als Ausgangsmaterial ist es besonders günstig, wenn nur von Nanopartikeln 20 ausgegangen wird, und die Mikropartikel 18 während des thermischen Spritzens durch Verschmelzen von Nanopartikeln 20 gebildet werden.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel einer elektrochemischen Funktionsstruktur 10 mit einer elektrochemischen Funktionsschicht 12 ist in der 3 schematisch dargestellt. Die elektrochemische Funktionsschicht 12 der Funktionsstruktur 10 umfasst eine Vielzahl von Agglomeraten 22, wobei die Agglomerate 22 aus Nanopartikeln 20, die zumindest teilweise von Mikropartikeln 18 umgeben sind, gebildet sind. Die stoffschlüssig miteinander verbundenen Mikropartikel 18 bilden dabei eine Umhüllung für die Nanopartikel 20 innerhalb der Agglomerate 22. Auch die Mikropartikel 18 von benachbarten Agglomeraten 22 sind zumindest teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden und definieren auf diese Weise die Grundstruktur der elektrochemischen Funktionsschicht 12.
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Die elektrochemische Funktionsstruktur 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, da die Funktionsschicht 12 über ihre gesamte Dicke sowohl eine hohe Porosität und Gasdurchlässigkeit als auch eine große innere Oberfläche aufweist.
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Die elektrochemische Funktionsschicht 12 kann insbesondere durch thermisches Spritzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Als Ausgangsmaterial für das Verfahren werden Agglomerate 22 aus Nanopartikeln 20 eingesetzt und bei hoher Temperatur auf ein Substrat (in der Figur nicht dargestellt) aufgebracht. Die Verfahrensparameter werden dabei so gewählt, dass die Nanopartikel 20 an der Oberfläche der Agglomerate 22 während des thermischen Spritzens zu Mikropartikeln 18 verschmelzen.
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Elektrochemische Funktionsstrukturen, die aus derartigen Agglomeraten aufgebaut sind, können z. B. mit den folgenden Materialien und Verfahrensparametern mittels Plasmaspritzen hergestellt werden: Beispiel 1:
| Ausgangsmaterial: | (La,Sr)MnO3 oder (La,Sr)(Fr,Co)O3 |
| Plasmabildendes Gas: | 30 bis 50 slm Argon, 0 bis 2 slm Wasserstoff, 0 bis |
| | 10 slm Helium |
| Leistung: | 18 bis 25 kW |
| Auftragsgeschwindigkeit: | 120 bis 450 m/s |
Beispiel 2:
| Ausgangsmaterial: | Nickeloxid (NiO) und Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid |
| | (YSZ) |
| Plasmabildendes Gas: | 35 bis 60 slm Argon, 0 bis 4 slm Wasserstoff, 0 bis |
| | 20 slm Helium |
| Leistung: | 20 bis 32 kW |
| Auftragsgeschwindigkeit: | 100 bis 450 m/s |
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Die 4 zeigt eine mikroskopische Aufnahme einer elektrochemischen Funktionsschicht 12, die gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde. In der Bildmitte befindet sich das Innere eines Agglomerats 22, das aus einer Vielzahl von Nanopartikeln 20 gebildet ist. Die Nanopartikel 20 sind von Mikropartikeln 18 umgeben, die eine Hülle des Agglomerats 22 bilden.
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Die elektrochemischen Funktionsstrukturen gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können beispielsweise eine Elektrodeneinheit für eine Hochtemperaturbrennstoffzelle bilden. Eine solche Elektrodeneinheit 24 ist in der 5 schematisch dargestellt.
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Die Elektrodeneinheit 24 umfasst einen Kathodenbereich 26, einen Anodenbereich 28 und einen dazwischen angeordneten Elektrolytbereich 30. Der Kathodenbereich 26 und der Anodenbereich 28 werden dabei jeweils durch eine elektrochemische Funktionsschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet.
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Wenn die elektrochemische Funktionsschicht (d. h. der Kathodenbereich 26 oder der Anodenbereich 28) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (1) zwei Lagen umfasst oder gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) einen Gradienten hinsichtlich des Anteils an Nanopartikeln aufweist, dann ist die aus Nanopartikeln gebildete zweite Lage bzw. die Seite mit dem höheren Anteil an Nanopartikeln in Richtung des Elektrolytbereichs 30 orientiert. Auf diese Weise kann die große innere Oberfläche der Nanopartikel für die elektrochemischen Reaktionen, die an der Phasengrenze zwischen der Kathode 26 bzw. der Anode 28 und dem Elektrolyt 30 ablaufen, ausgenutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrochemische Funktionsstruktur
- 12
- elektrochemische Funktionsschicht
- 14
- erste Lage
- 16
- zweite Lage
- 18
- Mikropartikel
- 20
- Nanopartikel
- 22
- Agglomerat
- 24
- Elektrodeneinheit
- 26
- Kathodenbereich
- 28
- Anodenbereich
- 30
- Elektrolytbereich
