用于使材料层沉积到燃料电池或电解池的金属支承体上的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于使材料层沉积到燃料电池或电解池的金属支承体上的方法，以及通过这种方法获得的金属支承体。
[0002]根据本发明的一种方案，这种材料层为保护材料，具体地为陶瓷保护材料;根据本发明的另一种方案，这种材料层为陶瓷催化材料。
【背景技术】
[0003]已知燃料电池或电解池为将氧化反应的化学能直接转换成电能的电化学装置。
[0004]燃料电池的典型结构包括由允许离子传输的膜或电解质隔开的两个多孔电极——阳极和阴极。
[0005]存在不同类型的燃料电池，其本质区别在于膜的类型不同并因此在于工作温度不同。
[0006]具体地，固体氧化物燃料电池(SOFC)包括氧离子传导陶瓷膜，该类型电池的典型工作温度在600 °C与900 0C之间变化。
[0007]固体氧化物电池通常用于制造用于联合生成电能和热能、用于可移动应用和固定应用两者以及用于通过电解产生燃气的燃料堆。
[0008]在现有技术水平下，阳极由镍氧化物和钇稳定的氧化锆(YSZ)的混合物组成；电解质由钇稳定的氧化锆(YSZ)组成;另一方面，阴极通常由具有钙钛矿型结构的混合氧化物组成，例如，最常见的混合氧化物由首字母缩略词“LSCF"和“LSM”来表示。
[0009]固体氧化物电池可以具有平面或管状构造。
[0010]此外，根据确保机械支承的电池元件，存在不同类型的电池。
[0011 ]实际上，存在由电解质支承的电池或由电极(阳极或阴极)支承的电池，以及具有金属支承体的电池。
[0012]根据这最后一种结构(出于本发明的目的而对其特别感兴趣)，电池包括复杂3D几何结构的多孔或致密金属支承体，在该金属支承体上施加有多个相对较薄的陶瓷层，电池的每个元件由不同材料组成。
[0013]使用该类型电池的优点有若干个，其中可以提及的有:低成本、较大的机械强度和较大的氧化/还原循环耐受性。
[0014]这些电池还可以在阳极或阴极是否与金属支承体接触方面彼此不同。
[0015]通常，电池由粉末形式的原料来制造。
[0016]根据希望给予电池的构造来沉积陶瓷粉末和/或金属粉末，然后在高温下一一通常在1000 °C与1400 0C之间——烧结所述粉末以获得紧凑产品。
[0017]陶瓷电池的完全烧结可以预想在空气中进行不同的烧结阶段。
[0018]另一方面，就已经处于生产阶段期间的由金属支承的电池而言，为了避免金属的氧化，需要在还原气氛或保护气氛中并因此在不存在空气的情况下烧结材料。
[0019]由于该类型电池的工作温度高，因此组成该电池的金属元件一一通常为金属支承体一一经受氧化和腐蚀现象。
[0020]具体地，氧化现象在金属支承体与催化层之间的界面处最为关键。
[0021]还应观察到，所谓的堆通常由串联布置的特定数目的电池构成，所述电池通过平的或甚至具有复杂几何结构的金属互连件彼此连接。
[0022]高工作温度还导致了这些组件的氧化，降低了导电性;而且，存在损害电池催化特性的挥发性元素释放。
[0023]互连件的高温氧化通常可以通过在金属上施加保护陶瓷涂层来加以限制。
[0024]这种涂层通常由锰和钴的氧化物构成。
[0025]涂层保护金属免受氧化气氛之害，同时仍然保持良好的导电性。
[0026]在具有简单几何结构的互连件上施加该涂层可以通过常规技术来进行，例如，丝网印刷、浸涂(通过浸渍进行涂覆)等。
[0027]在这种情况下，根据由工艺设定的最合适的温度条件和气氛可以相对容易地处理单个金属组件。
[0028]用于制造具有金属支承体的电池的各种技术和/或策略是已知的:其简略地引述如下。
[0029]第一技术提出了基板的预烧结以及电极和电解质的后续沉积，甚至在若干个步骤中进行。
[0030]另一技术提出了制造由多孔支承体和电解质组成的双层，支承体与电解质之间的电极通过用在高温下分解形成氧化物的盐的溶液浸渍支承体本身制成。
[0031]根据另一技术，通过诸如真空等离子体喷涂(S卩，通过等离子体真空喷涂来获得涂层)、脉冲激光沉积(PLD)等的技术在已经烧结的多孔支承体上沉积陶瓷层，这使得可获得致密的电解质而无需进一步的烧结步骤。
[0032]根据又一技术，通过真空技术例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等在已经烧结的多孔金属基板上施加陶瓷层。
[0033]再一技术提出了多层的共烧结:在单一生产步骤中在高温下烧结所有的层，这使得其特别令人感兴趣。
[0034]因此，虽然该技术由于其简单且成本有效生产而有优势，但是该技术的确具有一些应用困难，主要涉及在同一阶段中对电极和金属的烧结。
[0035]实际上，已知金属决不能污染电极。
[0036]在金属与阳极直接接触的情况下，在高温下可能确实存在阳极中的铬和铁扩散以及金属中的镍扩散。
[0037]可能的后果是阳极的催化活性降低和金属的膨胀系数改变。
[0038]因此，为了避免这种扩散，需要在金属与阳极之间设置通常由铈基氧化物组成的阻挡层，铈为惰性的并且具有合理的导电性。
[0039]然而，如果这种阻挡物被制成具有过厚的厚度，则该阻挡物可导致电阻过度增加，结果电池性能劣化。
[0040]此外，即使向处于工作条件下的阳极供给还原气体，通过氧化反应产生的水也会使燃料侧的氧分压增加，从而使金属支承体的腐蚀现象显著增加。[0041 ]明显地，当向电极供给高蒸气含量时，在电解模式下该现象要严重得多。
[0042]为了更好地理解，附图1示出了根据现有技术水平的燃料堆的单个重复元件101。
[0043]具体地，图1示出了所声称的本发明特别感兴趣的金属支承体型的单个元件101。
[0044]通常，这样的元件101包括多孔金属支承体102，所述金属支承体102与之前所述类型的防止元素相互扩散的保护阻挡物103、阳极104、电解质105和阴极106依次相关联。
[0045]所述元件102至106布置在两个金属互连件107之间，所述两个金属互连件107也可以具有复杂的几何结构。
[0046]阴极106和与其相关联的单独互连件107之间的界面由接触层108来确保。
[0047]还存在负责保持燃料与外部环境隔开的侧垫片109。
[0048]因此，燃料堆包括一系列所述类型的单个重复元件101。
[0049]就互连件而言，并且在其为致密互连件的情况下，相对简单的几何结构使得可通过用常规方法施加合适的陶瓷涂层来保护金属免受氧化。
[0050]另一方面，在多孔金属支承体的情况下，在支承体自身的块体中施加均匀涂层特别困难。
[0051]如果假定在高温下的烧结过程之前施加保护性陶瓷涂层，则涂层自身将防止粉末或金属供体(presenter)被烧结，从而限制了对于获得致密电解质来说必不可少的体积收缩。
[0052]出于这最后一个原因，在陶瓷层已与多孔金属支承体连接之后并且在电解质致密化之后必须必要地在多孔金属支承体上施加防腐蚀涂层。
[0053]而且，支承在金属上的陶瓷层的存在要求沉积技术为特别选择性的并因此优选地覆盖金属的表面。
[0054]通过盐水溶液渗透以在被溶液润湿的所有表面中沉积防腐蚀涂层的浸渍技术是已知的并且是可应用的。
[0055]然而，这样的技术操作起来太慢，这是因为其可能以多次连续的沉积来进行，此夕卜，这样的技术只是使陶瓷相仅仅沉积在支承体的孔中而不是选择性地粘附至支承体的表面。
[0056]发明目的
[0057 ]因此，本发明的技术任务是提高现有技术水平。
[0058]在这样的技术任务中，