DE102011004234A1 - Beschichtungspulver - Google Patents

Beschichtungspulver Download PDF

Info

Publication number
DE102011004234A1
DE102011004234A1 DE102011004234A DE102011004234A DE102011004234A1 DE 102011004234 A1 DE102011004234 A1 DE 102011004234A1 DE 102011004234 A DE102011004234 A DE 102011004234A DE 102011004234 A DE102011004234 A DE 102011004234A DE 102011004234 A1 DE102011004234 A1 DE 102011004234A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
coating powder
coating
electrolyte layer
powder
core
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102011004234A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102011004234B4 (de
Inventor
Dr. Lang Michael
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE102011004234A priority Critical patent/DE102011004234B4/de
Publication of DE102011004234A1 publication Critical patent/DE102011004234A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102011004234B4 publication Critical patent/DE102011004234B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D1/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on inorganic substances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077—Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Um ein Beschichtungspulver zur Herstellung einer Elektrolytschicht für eine elektrochemische Einrichtung zu schaffen, welches die Herstellung von dünnen Elektrolytschichten mit einer hohen Gasdichtigkeit ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Beschichtungspulver aus Partikeln besteht, welche einen Kern aus einem ersten Material und eine den Kern zumindest teilweise umgebende Umhüllung aus einem zweiten Material umfassen, wobei das zweite Material chemisch und/oder physikalisch von dem ersten Material verschieden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungspulver zur Herstellung einer Elektrolytschicht für eine elektrochemische Einrichtung.
  • Elektrolytschichten für elektrochemische Einrichtungen, insbesondere für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) können beispielsweise sintertechnisch oder mit Hilfe eines Electrochemical-Vapor-Deposition-Verfahrens (EVD-Verfahrens) hergestellt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungspulver zur Herstellung einer Elektrolytschicht für eine elektrochemische Einrichtung bereitzustellen, welches die Herstellung von dünnen Elektrolytschichten mit einer hohen Gasdichtigkeit ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Beschichtungspulver der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Beschichtungspulver aus Partikeln besteht, welche einen Kern aus einem ersten Material und eine den Kern zumindest teilweise umgebende Umhüllung aus einem zweiten Material umfassen, wobei das zweite Material chemisch und/oder physikalisch von dem ersten Material verschieden ist.
  • Unter einem Beschichtungspulver ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen allgemein eine partikelförmige Substanz zu verstehen, welche beispielsweise ”trocken”, das heißt als ein Pulver im herkömmlichen Sinn, oder ”nass”, das heißt als ein ungelöstes partikelförmiges Material in einem flüssigen Medium, vorliegen kann.
  • Dadurch, dass das Beschichtungspulver aus Partikeln besteht, welche einen Kern aus einem ersten Material und eine den Kern zumindest teilweise umgebende Umhüllung aus einem zweiten Material umfassen, können unterschiedliche Materialien zur Ausbildung der gewünschten dünnen Elektrolytschicht mit einer hohen Gasdichtigkeit ausgewählt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Kern aus einem ersten Material gebildet ist, welches der Ausbildung der eigentlichen Elektrolytschicht dient. Das zweite Material, aus welchem die den Kern zumindest teilweise umgebende Umhüllung gebildet ist, kann dann beispielsweise zu einer einfacheren Verbindung der Kerne der Partikel des Beschichtungspulvers beitragen.
  • Günstig ist es, wenn das erste Material eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das zweite Material. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Umhüllung des Kerns während einer thermischen Schichtbildung, beispielsweise während eines thermischen Beschichtungsvorgangs, insbesondere während eines Plasmaspritzvorganges oder eines Flammspritzvorganges, als erstes aufgeschmolzen wird, so dass zumindest eine, vorzugsweise gasdichte, Verbindung der Partikel des Beschichtungspulvers durch die jeweils aufgeschmolzene Umhüllung gewährleistet ist.
  • Günstig kann es sein, wenn das zweite Material in einem aufgeschmolzenen Zustand, beispielsweise während eines thermischen Schichtbildungsvorganges, insbesondere während eines Plasmaspritzens oder eines Flammspritzens, eine höhere Viskosität aufweist als das erste Material. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Viskosität des zweiten Materials in einem aufgeschmolzenen Zustand während des thermischen Schichtbildungsvorganges eine erheblich höhere, beispielsweise eine zehnfach höhere, Viskosität, insbesondere dynamische Viskosität, aufweist als das erste Material. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Beschichtungspulver auf einem Substrat, auf welchem die Elektrolytschicht gebildet werden soll, zumindest teilweise zerfließt, so dass die Ausbildung unerwünschter Öffnungen vermieden und somit die Ausbildung einer gasdichten Schicht begünstigt wird.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Material ein exotherm reagierendes Material ist. Auf diese Weise kann das erste Material des Kerns der Partikel des Beschichtungspulvers zusätzlich aufgeheizt werden, um ein vollständiges Aufschmelzen der Kerne der Partikel des Beschichtungspulvers zu gewährleisten. Hierdurch kann die Ausbildung einer porösen Struktur auf dem Substrat durch das Entstehen von Öffnungen in der Elektrolytschicht verhindert werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Material und das zweite Material aus derselben Substanz, insbesondere mit denselben chemischen Eigenschaften, gebildet sind, insbesondere dieselbe chemische Substanz umfassen oder aus derselben chemischen Substanz bestehen. Das erste Material ist vorzugsweise grobkörnig und das zweite Material feinkörnig ausgebildet. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das erste Material grobkörniger als das zweite Material ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein leichteres Aufschmelzen der Umhüllung gewährleistet werden, was zu der Ausbildung einer Elektrolytschicht mit einer hohen Gasdichtigkeit beitragen kann.
  • Als Material für die Partikel des Beschichtungspulvers wird grundsätzlich ein Material mit hoher Ionenleitfähigkeit bevorzugt.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Material und/oder das zweite Material Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) umfasst. Auf diese Weise ist eine besonders leistungsfähige Elektrolytschicht für eine besonders leistungsfähige elektrochemische Einrichtung, insbesondere eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, herstellbar.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das erste Material und/oder das zweite Material Sc2O3-dotiertes Zirkoniumdioxid umfasst.
  • Günstig kann es sein, wenn das erste Material und/oder das zweite Material ein Sinteradditiv umfasst. Auf diese Weise kann ein durchzuführender Sinterprozess positiv beeinflusst werden.
  • Günstig kann es ferner sein, wenn die Umhüllung im Wesentlichen geschlossen ausgebildet ist und den Kern im Wesentlichen vollständig umgibt. Auf diese Weise kann insbesondere eine unerwünschte Beeinträchtigung des Kerns während einer thermischen Schichtbildung, insbesondere während des thermischen Beschichtungsverfahrens, verhindert werden.
  • Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Umhüllung unterbrochen ausgebildet ist. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Material des Kerns während der thermischen Schichtbildung, insbesondere während des thermischen Beschichtungsvorganges, zumindest in den Bereichen aufgeschmolzen wird, welche nicht von einer Umhüllung umgeben sind.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn das zweite Material ein verbindungsförderndes Material ist, mittels welchem ein Anhaften der Partikel aneinander zur Herstellung der Elektrolytschicht gefördert wird. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Partikel eine unterbrechungsfreie Schicht bilden, so dass die herzustellende Elektrolytschicht eine hohe Gasdichtigkeit aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungspulvers, mittels welchem eine Elektrolytschicht für eine elektrochemische Einrichtung hergestellt werden kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein Beschichtungspulver herstellbar ist, das zur Ausbildung von dünnen Elektrolytschichten mit hoher Gasdichtigkeit verwendet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Kerne eines partikelförmigen Beschichtungspulvers aus einem ersten Material hergestellt werden und dass die Kerne des Beschichtungspulvers mit einem zweiten Material ummantelt (umhüllt) werden, wobei das zweite Material chemisch und/oder physikalisch von dem ersten Material verschieden ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungspulver beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
  • Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Kerne des Beschichtungspulvers in einem Chemical Vapor Deposition-Verfahren (CVD-Verfahren) umhüllt werden.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Kerne des Beschichtungspulvers in einem Sol-Gel-Verfahren umhüllt werden.
  • Günstig kann es sein, wenn die Kerne des Beschichtungspulvers in einem galvanischen Verfahren umhüllt werden.
  • Ferner kann es günstig sein, wenn die Kerne des Beschichtungspulvers in einem mechanischen Mahlverfahren umhüllt werden.
  • Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kerne des Beschichtungspulvers in einem Plasmaverfahren und/oder in einem Sputterverfahren umhüllt werden.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kerne des Beschichtungspulvers mit einem Hüllpulver umhüllt werden, wobei das Hüllpulver feinkörniger ist als das Beschichtungspulver vor dem Umhüllungsprozess. Auf diese Weise kann ein Aufschmelzen der Umhüllung während einer thermischen Schichtbildung, insbesondere während des thermischen Beschichtungsvorganges, beschleunigt werden, da eine größere Oberfläche des Beschichtungspulvers erhitzt werden kann.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die Kerne des Beschichtungspulvers unter Einsatz eines organischen Binders mit dem Hüllpulver umhüllt werden. Auf diese Weise kann ein besonders stabiles Anhaften des Hüllpulvers an den Kernen des Beschichtungspulvers gewährleistet werden.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Beschichtungspulver unter Erhalt der Pulvereigenschaft thermisch behandelt wird und/oder in einem Plasmaverfahren und/oder einem Sputterverfahren behandelt wird. Auf diese Weise kann eine Verfestigung der Partikel des Beschichtungspulvers erzielt werden, so dass diese bis zu einem Einsatz zur thermischen Schichtbildung die gewünschte Form behalten.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytschicht für eine elektrochemische Einrichtung.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, eine dünne Elektrolytschicht mit einer hohen Gasdichtigkeit bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Beschichtungspulver in einem Beschichtungsverfahren auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytschicht weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungspulver und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungspulvers beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Beschichtungsverfahren ein thermisches Beschichtungsverfahren, insbesondere ein Plasmaspritzverfahren oder Flammspritzverfahren, ist, bei welchem das Beschichtungspulver während des Aufbringens auf das Trägersubstrat zumindest teilweise aufgeschmolzen wird. Auf diese Weise kann die Elektrolytschicht in einem einzigen Verfahrensschritt aufgebracht werden, so dass eine zusätzliche thermische Nachbehandlung, insbesondere ein Sintervorgang, entbehrlich ist.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das auf das Trägersubstrat aufgebrachte Beschichtungspulver nach dem Beschichtungsvorgang zumindest teilweise aufgeschmolzen wird. Insbesondere dann, wenn das Beschichtungspulver während des Beschichtungsvorganges nicht oder nicht ausreichend aufgeschmolzen wird, kann zur Ausbildung einer gasdichten Elektrolytschicht ein nachträgliches Aufschmelzen vorgesehen sein. Auf diese Weise können insbesondere unerwünschte Öffnungen in der Elektrolytschicht geschlossen werden.
  • Grundsätzlich eignet sich das erfindungsgemäße Beschichtungspulver zur Verwendung in einem thermischen Beschichtungsverfahren, das heißt in einem Verfahren, in welchem während der Beschichtung ein zumindest teilweises Aufschmelzen des Beschichtungspulvers erfolgt. Das erfindungsgemäße Beschichtungspulver kann jedoch auch für Beschichtungsverfahren verwendet werden, in welchen eine thermische Behandlung des Beschichtungspulvers zur Schichtbildung erst nach dem Aufbringen auf ein Trägersubstrat erfolgt. Diese beiden alternativen oder sich ergänzenden Schichtbildungsverfahren sind Beispiele für die in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen aufgeführte ”thermische Schichtbildung”.
  • Als thermische Beschichtungsverfahren kommen insbesondere das Plasmaspritzverfahren oder das Flammspritzverfahren in Betracht. Das Beschichtungspulver kann dabei trocken, das heißt als Pulver im eigentlichen Sinne, oder nass, das heißt in einem flüssigen Medium enthalten (beispielsweise als wet powder spray), verwendet werden.
  • Die Partikel des Beschichtungspulvers weisen vorzugsweise eine Größe von mindestens ungefähr 1 μm, vorzugsweise mindestens ungefähr 5 μm, auf. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Partikelgröße des Beschichtungspulvers höchstens ungefähr 100 μm, insbesondere höchstens ungefähr 40 μm, beträgt.
  • Die mittels des Beschichtungspulvers zu erzielende Schichtdicke der Elektrolytschicht beträgt vorzugsweise zwischen ungefähr 5 μm und ungefähr 100 μm, insbesondere zwischen ungefähr 5 μm und ungefähr 40 μm. Durch eine derartig niedrige Schichtdicke kann der ohmsche Zellwiderstand der herzustellenden Elektrolytschicht reduziert werden.
  • Die mittels des erfindungsgemäßen Beschichtungspulvers, insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, erhältliche Lagendicke pro Partikel beträgt vorzugsweise ungefähr 1 μm. Selbst bei einer Partikelgröße von beispielsweise ungefähr 5 μm kann mittels des erfindungsgemäßen Beschichtungspulvers vorzugsweise eine solche Lagendicke erreicht werden, da durch das Auftreffen des Beschichtungspulvers auf das Trägersubstrat, insbesondere bei dem thermischen Beschichtungsvorgang, eine Abflachung der vorzugsweise zumindest teilweise aufgeschmolzenen Partikel erfolgt.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Partikelgröße des Beschichtungspulvers zumindest näherungsweise der Schichtdicke der herzustellenden Elektrolytschicht entspricht. Auf diese Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine besonders dünne und dennoch gasdichte Elektrolytschicht hergestellt werden.
  • Ferner können das erfindungsgemäße Beschichtungspulver, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungspulvers und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytschicht die nachfolgend aufgeführten Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
    Das erfindungsgemäße Beschichtungspulver kann beispielsweise auf ein metallisches Substrat, insbesondere ein planares Metallsubstrat einer metallsubstratgetragenen Hochtemperatur-Brennstoffzelle (Metallic Substrate Supported Cell, MSC), aufgetragen werden.
  • Eine hohe Gasdichtigkeit der zu erzeugenden Elektrolytschicht dient insbesondere der Verhinderung einer ungewollten Permeabilität und Vermischung von Brenngas und Oxidator.
  • Vorzugsweise weist die herzustellende Elektrolytschicht eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit zur Minimierung des ohmschen Zellwiderstands und zum gleichen Zweck eine möglichst niedrige Schichtdicke auf.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die herzustellende Elektrolytschicht eine möglichst niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweist und insbesondere zu den angrenzenden Elektroden kompatibel, insbesondere in Bezug auf eine Schichthaftung, eine chemische Beständigkeit und eine Oberflächenbeschaffenheit, ist.
  • Die erfindungsgemäß herzustellende Elektrolytschicht weist vorzugsweise eine gute thermische Zyklierbarkeit und eine ausreichend hohe mechanische Stabilität im Betrieb einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) auf.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die herzustellende Elektrolytschicht eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die eine Abdichtung der Zelle in der metallischen Bipolarplatte ermöglicht.
  • Vorteilhaft ist es, wenn großflächige Zelleinheiten mit hoher mechanischer Stabilität gefertigt werden können, wobei eine Elektrolytdicke höchstens ungefähr 30 μm beträgt.
  • Als Materialien für metallische Trägersubstrate zur Aufbringung der herzustellenden Elektrolytschicht können beispielsweise sintertechnisch hergestellte poröse Platten und/oder aus Draht oder Fasermaterial gefertigte Gewebe und Vliese aus Chrom- und Eisen-Basislegierungen zum Einsatz kommen.
  • Als Basis (Ausgangsmaterial) für ein Beschichtungspulver können beispielsweise geschmolzene und gebrochene, gas- oder wasserverdüste und sprühgetrocknete agglomerierte Pulver, insbesondere Yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid-Pulver, verwendet werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle;
  • 2 eine vergrößerte Darstellung der Schichtbildung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle in dem Bereich I aus 1; und
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung von Partikeln eines Beschichtungspulvers zur Herstellung einer Elektrolytschicht für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Eine in den 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Einrichtung ist als eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 ausgebildet und umfasst als solche einen Stack 104 einer Vielzahl von Brennstoffzellenmodulen 106.
  • Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, ist jedes Brennstoffzellenmodul 106 aus mehreren Schichten/Lagen aufgebaut.
  • Eine untere Lage ist dabei aus einer fluidundurchlässigen Verteilervorrichtung 108 gebildet, mittels welcher dem Brennstoffzellenmodul 106 ein Oxidator und ein Brennstoff zuführbar ist und mittels welcher der Oxidator und der Brennstoff innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 106 verteilt werden kann.
  • Die Verteilervorrichtung 108 weist einen wellenförmigen Querschnitt auf, so dass obere Kanäle 110 und untere Kanäle 112 der Verteilervorrichtung 108 gebildet sind.
  • Mittels der oberen Kanäle 110 der Verteilervorrichtung 108 ist dem Brennstoffzellenmodul 106 Brennstoff zuführbar.
  • Mittels der unteren Kanäle 112 der Verteilervorrichtung 108 ist dem Brennstoffzellenmodul 106 ein Oxidator zuführbar.
  • Die Verteilervorrichtung 108 ist mit einem Trägersubstrat 114 beispielsweise mittels einer Lötverbindung verbunden. Das Trägersubstrat 114 ist vorzugsweise ein metallisches Substrat, welches die Stabilität des Brennstoffzellenmoduls 106 gewährleistet und offenporig ausgebildet ist, so dass der den oberen Kanälen 110 der Verteilervorrichtung 108 zugeführte Brennstoff durch das Trägersubstrat 114 hindurchströmen kann.
  • Auf der der Verteilervorrichtung 108 abgewandten Seite des Trägersubstrats 114 ist das Trägersubstrat 114 mit einer Elektrode versehen, welche eine Anode 116 der elektrochemischen Einrichtung 100 bildet.
  • Auf der Anode 116 wiederum ist eine Elektrolytschicht 118 angeordnet.
  • Die Elektrolytschicht 118 ist beispielsweise eine keramische Yttriumoxid-stabilisierte Zirkoniumdioxid-Schicht, welche elektronisch isolierend ausgebildet ist, jedoch die Leitung von Sauerstoffionen ermöglicht. Die Dicke der Elektrolytschicht 118 beträgt dabei beispielsweise ungefähr 30 μm.
  • Auf der der Anode 116 abgewandten Seite der Elektrolytschicht 118 ist eine Kathode 120 angeordnet, welche die oberste Lage eines Brennstoffzellenmoduls 106 bildet und im montierten Zustand der Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 mit einer weiteren Verteilervorrichtung 108 eines weiteren Brennstoffzellenmoduls 106 verbunden ist. Mittels der unteren Kanäle 112 der weiteren Verteilervorrichtung 108 des weiteren Brennstoffzellenmoduls 106 ist der Kathode 120 der Oxidator zum Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 zuführbar.
  • Die vorstehend beschriebene Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 funktioniert wie folgt:
    Mittels der Verteilervorrichtungen 108 der Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 wird dem Stack 104 aus Brennstoffzellenmodulen 106 Brennstoff und Oxidator zugeführt.
  • Der Brennstoff wird mittels der oberen Kanäle 110 der Verteilervorrichtung 108 verteilt und tritt durch das fluiddurchlässige Trägersubstrat 114 hindurch zu der Anode 116.
  • Mittels der unteren Kanäle 112 der Verteilervorrichtung 108 wird der Oxidator, insbesondere Luft, über das jeweilige Brennstoffzellenmodul 106 verteilt und steht damit in Kontakt mit der Kathode 120.
  • Im Bereich der Elektrolytschicht 118 zwischen der Anode 116 und der Kathode 120 reagieren der Brennstoff und der Oxidator miteinander, wobei Sauerstoffionen mittels der Elektrolytschicht 118 von der Kathode 120 zu der Anode 116 geleitet werden, wodurch eine Spannung zwischen der Kathode 120 und der Anode 116 entsteht.
  • Da die Elektrolytschicht 118 elektronisch nicht leitend ist, bleibt diese Spannung zwischen der Kathode 120 und der Anode 116 erhalten. Durch die Vielzahl von Brennstoffzellenmodulen 106 in dem Stack 104 der Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 summiert sich die jeweils zwischen der Anode 116 und der Kathode 120 erzeugte Spannung zu einer Gesamtspannung, welche zum Betrieb eines elektrischen Geräts verwendet werden kann.
  • Wesentlich für den Betrieb der Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung 102 und insbesondere für die Effizienz derselben, ist die Ausgestaltung der Elektrolytschicht 118. Die Elektrolytschicht 118 muss insbesondere gasdicht sein, um eine ungewollte Permeabilität von Brennstoff und/oder (elektrisch neutralem) Oxidator zu verhindern. Ferner muss die Elektrolytschicht 118 eine möglichst hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisen. Durch eine möglichst geringe Schichtdicke der Elektrolytschicht 118 kann ferner ein ohmscher Zellwiderstand des Brennstoffzellenmoduls 106 verringert werden.
  • Die Elektrolytschicht 118 kann beispielsweise mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels eines Plasmaspritzverfahrens, hergestellt werden.
  • Bei einem Plasmaspritzverfahren wird ein Beschichtungspulver in einem mehrere 1000°C heißen Plasmastrahl beschleunigt und aufgeschmolzen, um dann beim Auftreffen auf einem Substrat zu erstarren. Das Aufschmelzen des Pulvers und die kinetische Energie der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Elektrolytschicht 118, insbesondere auf die Porosität der Elektrolytschicht 118.
  • Durch die Verwendung von Beschichtungspulver 122, welches Partikel 124 umfasst, die jeweils einen Kern 126 und eine den Kern zumindest teilweise umgebende Umhüllung 128 umfassen, kann eine Elektrolytschicht 118 mit vorteilhaften Eigenschaften erhalten werden (siehe insbesondere 3).
  • Durch die Verwendung einer Umhüllung 128, welche den Kern 126 umgibt, kann das Aufschmelzen der Partikel 124 in dem Plasmastrahl gezielt beeinflusst, insbesondere beschleunigt werden.
  • Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Umhüllung 128 aus einem feinkörnigen Material gebildet ist, welches aufgrund seiner großen Oberfläche im Plasmastrahl schneller aufschmilzt als ein vorzugsweise relativ grobkörniger Kern 126.
  • Die Partikel 124 sind hierdurch beim Auftreffen auf das Substrat, insbesondere auf eine Oberfläche des Trägersubstrats 114, welche eine Anode 116 bildet, fließfähig, so dass möglicherweise existierende Poren automatisch geschlossen werden, bevor das Material des Beschichtungspulvers 122 erstarrt.
  • Die Herstellung des Beschichtungspulvers 122 kann dabei mit einer Vielzahl von Verfahren erfolgen, beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Kern 126 mit einem CVD-Verfahren, einem Sol-Gel-Verfahren, einem galvanischen Verfahren oder in einem Mahlprozess umhüllt wird.
  • Auch kann eine Umhüllung mit Pulverpartikeln unter Einsatz eines organischen Binders erfolgen, wobei insbesondere hierbei durch eine thermische Nachbehandlung eine Verbundfestigkeit erhöht werden kann, so dass das Beschichtungspulver 122 von dessen Herstellung bis zur Verwendung zur Herstellung der Elektrolytschicht 118 seine gewünschte Form behält, das heißt, dass die Umhüllung 128 der Partikel 124 nicht von dem Kern 126 der Partikel 124 wegbricht.
  • Durch die Verwendung eines solchen Beschichtungspulvers 122 zur Herstellung einer Elektrolytschicht 118 für eine elektrochemische Einrichtung 100 kann eine dünne Elektrolytschicht 118 mit einer hohen Gasdichtigkeit hergestellt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    elektrochemische Einrichtung
    102
    Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung
    104
    Stack
    106
    Brennstoffzellenmodul
    108
    Verteilervorrichtung
    110
    oberer Kanal
    112
    unterer Kanal
    114
    Trägersubstrat
    116
    Anode
    118
    Elektrolytschicht
    120
    Kathode
    122
    Beschichtungspulver
    124
    Partikel
    126
    Kern
    128
    Umhüllung
    I
    Bereich

Claims (19)

  1. Beschichtungspulver zur Herstellung einer Elektrolytschicht (118) für eine elektrochemische Einrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver (122) aus Partikeln (124) besteht, welche einen Kern (126) aus einem ersten Material und eine den Kern (126) zumindest teilweise umgebende Umhüllung (128) aus einem zweiten Material umfassen, wobei das zweite Material chemisch und/oder physikalisch von dem ersten Material verschieden ist.
  2. Beschichtungspulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine höhere Schmelztemperatur aufweist als das zweite Material.
  3. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material in einem aufgeschmolzenen Zustand während einer thermischen Schichtbildung eine höhere Viskosität aufweist als das erste Material.
  4. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein exotherm reagierendes Material ist.
  5. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und das zweite Material im Wesentlichen aus derselben chemischen Substanz gebildet sind, wobei das erste Material grobkörnig und das zweite Material feinkörnig ausgebildet ist.
  6. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) umfasst.
  7. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material Sc2O3-dotiertes Zirkoniumdioxid umfasst.
  8. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material ein Sinteradditiv umfasst.
  9. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (128) im Wesentlichen geschlossen ausgebildet ist und den Kern (126) im Wesentlichen vollständig umgibt.
  10. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (128) unterbrochen ausgebildet ist.
  11. Beschichtungspulver nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein verbindungsförderndes Material ist, mittels welchem ein Anhaften der Partikel (124) aneinander zur Herstellung der Elektrolytschicht (118) gefördert wird.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungspulvers (122), mittels welchem eine Elektrolytschicht (118) für eine elektrochemische Einrichtung (100) hergestellt werden kann, umfassend: – Herstellen von Kernen (126) eines partikelförmigen Beschichtungspulvers (122) aus einem ersten Material; – Ummanteln der Kerne (126) des Beschichtungspulvers (122) mit einem zweiten Material, wobei das zweite Material chemisch und/oder physikalisch von dem ersten Material verschieden ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (126) des Beschichtungspulvers (122) in einem Chemical-Vapor-Deposition-Verfahren (CVD-Verfahren), in einem Sol-Gel-Verfahren, in einem galvanischen Verfahren, in einem Plasmaverfahren, in einem Sputterverfahren und/oder in einem mechanischen Mahlverfahren umhüllt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (126) des Beschichtungspulvers (122) mit einem Hüllpulver umhüllt werden, wobei das Hüllpulver feinkörniger ist als das Beschichtungspulver (122) vor dem Umhüllungsprozess.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerne (126) des Beschichtungspulvers (122) unter Einsatz eines organischen Binders mit dem Hüllpulver umhüllt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver (122) unter Erhalt der Pulvereigenschaft thermisch, in einem Plasmaverfahren und/oder in einem Sputterverfahren behandelt wird.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Elektrolytschicht (118) für eine elektrochemische Einrichtung (100), bei welchem ein Beschichtungspulver (122) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Beschichtungsverfahren auf ein Trägersubstrat (114) aufgebracht wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsverfahren ein thermisches Beschichtungsverfahren ist, bei welchem das Beschichtungspulver (122) während des Aufbringens auf das Trägersubstrat (114) zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das auf das Trägersubstrat (114) aufgebrachte Beschichtungspulver (122) nach dem Beschichtungsvorgang zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
DE102011004234A 2011-02-16 2011-02-16 Beschichtungspulver Active DE102011004234B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011004234A DE102011004234B4 (de) 2011-02-16 2011-02-16 Beschichtungspulver

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011004234A DE102011004234B4 (de) 2011-02-16 2011-02-16 Beschichtungspulver

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102011004234A1 true DE102011004234A1 (de) 2012-08-16
DE102011004234B4 DE102011004234B4 (de) 2013-05-16

Family

ID=46579546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011004234A Active DE102011004234B4 (de) 2011-02-16 2011-02-16 Beschichtungspulver

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102011004234B4 (de)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101318824B (zh) * 2008-06-30 2012-02-22 中国科学院上海硅酸盐研究所 包覆钇稳定氧化锆粉体及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. Christenn et al. (2010) "Investigation of Plasma-Sprayed Zirconia Based Electrolytes", Deutsche Phsikerinnentagung 2010, 04.-07 Nov. 2010, München *
CAPLUS, AN: 2008:2886 *
WPIDS, An: 2009-B26287 [200908] *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011004234B4 (de) 2013-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112018001599B4 (de) Verfahren zum fertigen einer anodenkomponente durch atmosphärische plasmaabscheidung, anodenkomponente und lithium-ionen-zelle und -batterie, die die komponente enthalten
DE112014006933B4 (de) Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung aus Kohlenstoffpartikeln oder Metalloxidpartikeln mit Submikrongröße auf den Oberflächen von Partikeln aus einem aktiven Elektrodenmaterial für eine Lithium-Sekundärbatterie
DE102013207900A1 (de) Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle mit einer solchen
EP2335312B1 (de) Verfahren zur herstellung eines interkonnektors für hochtemperatur-brennstoffzellen, zugehörige hochtemperatur-brennstoffzelle sowie damit aufgebaute brennstoffzellenanlage
WO2015139791A1 (de) Katalysatorschicht für eine brennstoffzelle und verfahren zur herstellung einer solchen
DE102019115643A1 (de) Festkörperelektroden mit elektronisch leitenden, nicht-kohlenstoffhaltigen zusatzstoffen
EP2654115B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats, Trägersubstrat und elektrochemische Einrichtung
EP3573144B1 (de) Lithium-ionen-zelle und verfahren zu deren herstellung
DE102011004234B4 (de) Beschichtungspulver
EP2156499A1 (de) Verfahren zur herstellung einer gasdichten festelektrolytschicht und festelektrolytschicht
EP3573141B1 (de) Lithiumanode und verfahren zu deren herstellung
EP3573142B1 (de) Kathodenanordnung und verfahren zu deren herstellung
EP3488479B1 (de) Elektrode, elektrochemischer energiespeicher mit einer elektrode und verfahren zur herstellung einer elektrode
DE10350478B4 (de) Brennstoffzelleneinheit
EP3573143B1 (de) Lithiumanode und verfahren zu deren herstellung
DE10339613A1 (de) Festoxidbrennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE10342160B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Hochtemperaturbrennstoffzellen mit einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen einem Interkonnektor und einer Kathode
WO2015091259A1 (de) Verfahren zur herstellung wenigstens einer energiespeicherkomponente für einen elektrischen energiespeicher
EP3697944B1 (de) Brenngaselektrode sowie verfahren zur herstellung einer brenngaselektrode
DE102016223414A1 (de) Anode für eine elektrochemische Zelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle mit einer solchen Anode
EP3327848B1 (de) Verfahren zur herstellung einer festoxidbrennstoffzelle
DE102022108265A1 (de) Verfahren zur herstellung dreidimensionaler festelektrolytstrukturen
DE10342161A1 (de) Elektrische Kontaktierung für Hochtemperaturbrennstoffzellen sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Kontaktierung
DE102011004235A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Trägersubstrats für eine elektrochemische Einrichtung
DE10317976A1 (de) Festoxid-Brennstoffzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20130817

R082 Change of representative

Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE

Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE SCHNEKENBUEHL U, DE

Representative=s name: DTS PATENT- UND RECHTSANWAELTE PARTMBB, DE