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Abstract

本发明基于一种用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的阳极（10），所述阳极至少基本上由陶瓷金属的复合材料（12）形成，所述复合材料掺杂有至少一种添加剂（14）。提出，添加剂（14）具有至少20m2/g的比表面积。

Description

用于燃料电池的阳极和用于制造阳极的方法
背景技术
已经提出一种用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的阳极，所述阳极至少基本上由陶瓷金属的复合材料形成，所述复合材料掺杂有至少一种添加剂。
发明内容
本发明基于一种用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的阳极，所述阳极至少基本上由陶瓷金属的复合材料形成，所述复合材料掺杂有添加剂。
提出，添加剂具有至少20m2/g的比表面积。
在本文中尤其应将“阳极”理解成燃料电池的燃烧气体电极。在本文中应将“燃料电池”尤其理解为如下设备，所述设备被设置用于，至少将至少一种尤其连续输送的燃烧气体、尤其氢气和/或一氧化碳和至少一种阴极气体、尤其氧气的化学反应能尤其转换成电能和/或热能。“陶瓷金属的复合材料”在本文中尤其应理解为由金属基质中的至少一种陶瓷材料构成的复合材料，尤其金属陶瓷。“陶瓷材料”在本文中尤其应理解为无机的、非金属的材料。尤其地，陶瓷材料能够至少部分地是结晶的和/或多晶的。“非金属”在本文中尤其应理解成，陶瓷至少尽可能地不具有尤其基于金属键的金属特性，然而可以包括金属化合物，诸如金属氧化物和/或硅化物。尤其地，陶瓷是工程陶瓷。尤其地，陶瓷材料是氧化锆，尤其是钇稳定氧化锆。金属基质尤其由金属材料、优选镍形成。尤其地，阳极由加工成薄层、尤其印刷层和/或浇注薄膜的由氧化镍和钇稳定氧化锆构成的混合物制造。尤其地，能够为由氧化镍和钇稳定氧化锆构成的混合物添加成孔剂、有机粘合剂和/或其他添加物。尤其地，阳极与燃料电池的至少一个其他功能层、例如阴极和/或电解质复合的情况下烧结成燃料电池或半电池。尤其地，阳极在烧结之后具有带有两个彼此交错的框架结构的结构，其中一个由钇稳定氧化锆形成，并且第二个由氧化镍形成。在复合材料之内的适合的孔结构可以存在，通过适合的烧结参数和/或通过添加成孔剂产生。在烧结阳极之后，氧化镍在高温下、尤其在600℃和1000℃之间的温度下在还原氛围中转换成镍。
“添加剂”在本文中尤其应理解成如下物质，所述物质添加给复合材料尤其用于影响材料特性。尤其地，添加剂被设置用于，在制造阳极期间，尤其在烧结工艺之前和/或期间添加给复合材料。尤其地，添加剂被设置用于，影响复合材料的烧结性能。添加剂尤其被设置用于，使阳极的复合材料的烧结性能至少基本上匹配于燃料电池功能层的烧结性能，阳极与所述燃烧电池功能层在制造时烧结在一起。尤其地，添加剂具有至少20m2/g、有利地至少50m2/g、尤其优选地至少100m2/g的比表面积。
通过这种设计方案，能够提供关于制造、尤其关于与燃料电池的其他功能层烧结在一起具有改进特性的阳极。尤其地，通过添加剂的大的比表面积，能够实现在添加剂和复合材料的组分、尤其氧化镍和钇稳定氧化锆之间的有利地好的和/或均匀的接触。由此能够实现，添加剂的作用在有利地小的浓度情况下已经出现。
此外提出，添加剂在复合材料中的含量为最高1000ppm，有利地最高750ppm并且尤其有利地最高500ppm。尤其地，添加剂的含量相对于复合材料的基本组分的和最高为1000ppm。添加剂的含量尤其相对于复合材料中的氧化镍和钇稳定氧化锆的质量的和最高为1000ppm。通过添加剂的小的含量，能够有利地至少尽可能地避免在复合材料之内的异相并且有利地将这种异相对阳极的特性的负面影响、例如传导性的降低最小化。
此外提出，添加剂至少基本上是纳米粉末。“纳米粉末”在本文中尤其应理解成如下粉末，所述粉末具有最大100nm、优选最大80nm、有利地最大50nm和尤其优选地最大20nm的微粒尺寸。通过小的微粒尺寸，能够实现有利地大的比表面积。
此外提出，添加剂是至少一种金属氧化物。“金属氧化物”在本文中尤其应理解成金属的、稀土金属的和/或碱土金属的氧化物。优选地，添加剂是氧化铝。由此，能够有利地影响复合材料的烧结性能，尤其烧结收缩。
此外，提出一种用于由陶瓷金属的复合材料借助于烧结来制造用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的阳极的方法，其中将复合材料的基本组分在烧结之前与添加剂混合，所述添加剂被设置用于调整复合材料的烧结性能并且所述添加剂具有至少20m2/g的比表面积。尤其地，将添加剂在烧结复合材料之前添加给复合材料。在至少一个方法步骤中，将复合材料的基本组分、尤其氧化镍粉末和粉末状的钇稳定氧化锆彼此混合。尤其地，可以为基本组分的混合物填入其他添加物，例如成孔剂、有机粘合剂、溶剂、软化剂和/或其他有机附加物。在另一方法步骤中，为基本组分的混合物加入添加剂。优选地，为复合材料的基本组分在烧结之前添加一定量的添加剂，所述量相对于基本材料的和对应于最大1000ppm。复合材料的基本组分和添加剂在烧结之前优选混合成和/或均匀化成膏和/或软泥。在另一方法步骤中，将由复合材料的基本组分和添加剂构成的混合物加工成阳极层，并且尤其在与燃料电池的至少一个其他功能层复合的条件下烧结。由此能够实现，有利地简单地和/或可靠地制造用于燃料电池的阳极。
此外，提出一种具有至少一个根据本发明的阳极的燃料电池。燃料电池尤其构造为固体氧化物燃料电池（SOFC）。除了阳极之外，燃料电池具有至少一个阴极和至少一个布置在阳极和阴极之间的电解质。电解质尤其能够至少基本上由钇稳定氧化锆、钪掺杂的氧化锆、掺杂的镓酸镧和/或钆掺杂的氧化铈构成。阳极尤其能够至少基本上由金属陶瓷、尤其由含镍的金属陶瓷、例如Ni-ZrO2金属陶瓷构成。阴极尤其能够至少基本上由掺杂碱土金属的锰酸盐、例如LSM、掺杂碱土金属的钴酸盐、例如LSC和/或类似于钙钛矿的材料、例如LSCF构成。由此，能够提供燃料电池，所述燃料电池至少基本上在阳极之内不具有异相。
根据本发明的阳极和/或根据本发明的用于制造的方法在此不应限于在上文中描述的应用和实施方式。尤其地，根据本发明的阳极和/或方法为了满足在其中描述的功能方式能够具有与各个元件、构件和单元的在其中提到的数量不同的数量。
附图说明
其他优点从下面的附图描述中得出。在附图中示出本发明的一个实施例。附图、说明书和权利要求包含大量特征的组合。本领域技术人员合理地也单独考虑这些特征并且将其组合成有意义的其他组合。
其中：
图1示出具有由复合材料构成的阳极的燃料电池的功能层包的示意图，所述复合材料添加有添加剂，
图2示出用于制造阳极的方法的流程图，和
图3示出不具有添加剂的阳极和具有添加剂的阳极的烧结曲线的比较。
具体实施方式
图1示出未详细示出的燃料电池的功能层包16的示意图。功能层包16施加到尤其陶瓷的承载元件18上。承载元件18尤其多孔地构造。功能层包16具有阳极10、阴极20和布置在阳极10和阴极20之间的电解质38。功能层包16以阴极20直接布置在承载元件18上。电解质38尤其至少基本上由钇稳定氧化锆、钪掺杂的氧化锆、掺杂的镓酸镧和/或钆掺杂的氧化铈构成。阴极20尤其至少基本上由掺杂碱土金属的锰酸盐、例如LSM、掺杂碱土金属的钴酸盐、例如LSC和/或类似于钙钛矿的材料、例如LSCF构成。阳极10由陶瓷金属的复合材料12、尤其至少基本上由金属陶瓷、优选由含镍的金属陶瓷、例如Ni-ZrO2金属陶瓷构成。阳极10的复合材料12掺杂有添加剂14。添加剂14具有至少20m2/g的比表面积。添加剂14在复合材料12中的含量最高为1000ppm。优选地，添加剂14至少基本上是纳米粉末，所述纳米粉末在制造阳极10期间添加给阳极10的复合材料12。添加剂14是金属氧化物，优选地是氧化铝。
图2示出用于制造阳极10的方法的流程图。在第一方法步骤22中，将复合材料12的基本组分称重和混合。复合材料12的基本组分是钇稳定氧化锆和氧化镍。尤其地，基本组分分别是粉末状的。氧化镍尤其具有在4m2/g和8m2/g之间的比表面积。替选地，氧化镍能够具有在0.5m2/g和20m2/g之间的比表面积。钇稳定氧化锆尤其具有在8m2/g和12m2/g之间的比表面积。替选地，钇稳定氧化锆能够具有在0.5m2/g和30m2/g之间的比表面积。钇稳定氧化锆尤其由以8摩尔%的Y2O3稳定的氧化锆构成。替选地，氧化锆能够具有3摩尔%至12摩尔%。在氧化镍和钇稳定氧化锆之间的数量比优选在65/35 Mol%和80/20 Mol%之间。可以为基本组分（氧化镍和钇稳定氧化锆）掺入其他添加物。其他添加物尤其能够是成孔剂、例如焰黑和/或PMMA球、有机粘合剂、例如聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素、甲基纤维素和/或丙烯酸酯、溶剂、例如水、乙醇和/或松油醇、软化剂和/或其他有机附加剂，例如除泡剂和/或交联剂。在另一方法步骤24中，为复合材料12的基本组分在烧结之前添加一定量的添加剂14，所述量相对于基本材料的和对应于最大1000ppm。添加剂14例如以纳米粉末的形式添加。替选地，添加剂14能够以溶解的形式添加。添加剂14优选是氧化铝粉末。替选地或附加地，能够添加其他添加剂，尤其其他金属氧化物、稀土金属氧化物和/或碱土金属氧化物。尤其地，添加剂14具有至少20m2/g的比表面积。替选地，添加剂14能够具有在20m2/g和1000m2/g之间的比表面积。
复合材料12的基本组分和添加的添加剂14在另一方法步骤26中在烧结之前混合成和/或均匀化成膏和/或软泥。例如，首先可以将复合材料12的基本组分和添加的添加剂14在行星混合器中或借助搅拌工具预均匀化并且随后在三辊工具中加工成膏，所述膏适合于丝网印刷、浇注工艺或其他用于制造薄层的工艺。替选地，也能够使用其他混合设备，例如溶解器和/或搅拌器。在另一方法步骤28中，将由复合材料12的基本组分和添加剂14构成的混合物尤其借助于丝网印刷、薄膜浇注和/或配比加工成阳极层并且在大于500℃的温度下烧结。复合材料12的氧化镍在还原氛围中还原成镍能够在另一方法步骤30中或在构建成燃料电池堆之后进行。
图3以图表示出未由添加剂掺杂的阳极的烧结曲线32和根据本发明的阳极10的烧结曲线34的比较。烧结曲线32、34分别关于烧结工艺的时间40示出百分比的长度变化36。烧结曲线32、34示出，添加剂14的相对于阳极10的复合材料12的基本组分的和的小于1000ppm的掺杂量已经足以，明显地改变烧结性能，尤其明显地提高烧结收缩。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的阳极，所述阳极至少基本上由陶瓷金属的复合材料（12）形成，所述复合材料掺杂有至少一种添加剂（14），
其特征在于，
所述添加剂（14）具有至少20m2/g的比表面积。
2.根据权利要求1所述的阳极，
其特征在于，
所述添加剂（14）在所述复合材料（12）中的含量最大为1000ppm。
3.根据权利要求1或2所述的阳极，
其特征在于，
所述添加剂（14）至少基本上是纳米粉末。
4.根据上述权利要求中任一项所述的阳极，
其特征在于，
所述添加剂（14）是至少一种金属氧化物。
5.根据上述权利要求中任一项所述的阳极，
其特征在于，
所述添加剂（14）是氧化铝。
6.一种用于由陶瓷金属的复合材料（12）借助于烧结来制造用于燃料电池、尤其用于固体氧化物燃料电池的尤其根据上述权利要求中任一项所述的阳极（10）的方法，
其特征在于，
将所述复合材料（12）的基本组分在烧结之前与添加剂（14）混合，所述添加剂被设置用于调整所述复合材料（120）的烧结性能，并且所述添加剂具有至少20m2/g的比表面积。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
为所述复合材料（12）的基本组分在烧结之前添加一定量的添加剂（14），所述量相对于基本材料的和对应于最大1000ppm。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，
至少将所述复合材料（12）的基本组分和所述添加剂（14）在烧结之前混合成/均匀化成膏和/或软泥。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，
其特征在于，
将由所述复合材料（12）的基本组分和所述添加剂（14）构成的混合物加工和烧结成阳极层。
10.一种燃料电池，所述燃料电池具有至少一个根据权利要求1至5中任一项所述的阳极（10）。
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