[发明专利]存储元件以及用于制造存储元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于固体电解质电池组的存储元件以及根据权利要求10的前序部分的用于制造这样的存储元件的方法。

背景技术

固体电解质电池组基于固体电解质燃料电池的原理，所述固体电解质燃料电池通过将存储元件添加到电池组而被扩展。这些存储元件通常由陶瓷基体组成，金属和/或金属氧化物的颗粒被插入到所述基体中，所述颗粒共同形成氧化还原对。在电池组的充电状态下，所述颗粒在此被还原为金属。通过利用空气氧的电化学氧化可以获得能量，该能量作为电能可以在电池组的抽头电极上被提取。如果金属颗粒完全被氧化成相应的金属氧化物，那么电池组放电。为了对电池组重新充电，现在在电解模式下运行燃料电池，其中产生氢气，该氢气将金属氧化物又还原成金属。

在制作这样的电池组时提出如下问题，即尽可能有效地充分利用存储元件的理论上存在的存储容量，以及能够在恒电势（potentiostatisch）或恒电流（galvanostatisch）运行中实现尽最大可能恒定的放电特性。此外，有重大意义的是，不仅在充电放电周期期间而且在待机运行中保障长期稳定性。

在这种情况下有特别意义的是存储元件中的活性金属种类对于氧化还原反应的可接近性，该可接近性特别是影响充电和放电过程的利用率以及反应动力学，也影响易降级性（Degradationsanf?lligkeit）。

迄今通常的存储单元拥有陶瓷基体的各向同性的、骨架状的结构，该结构具有均匀分布的开放或封闭的孔。为了防止由于反应性金属颗粒的烧结所导致的存储容量的损失以及可供使用的活性表面的随之出现的减小的损失，目前大多使用所谓的ODS（Oxide dispersion strengthened氧化物弥散强化）金属颗粒，这些金属颗粒与粗粒状的二氧化锆混合、被干压并且轻微地被烧结。

发明内容

本发明所基于的任务是，说明根据权利要求1的前序部分的存储元件以及用于制造这样的存储元件的方法，借助该存储元件和该方法可以实现具有特别好的稳定性、容量和均匀的充电和放电动力学的固体电解质电池组。

该任务通过权利要求1的存储元件以及通过具有权利要求10的特征的方法来解决。

用于固体电解质电池组的这样的存储元件包括由烧结的陶瓷颗粒的多孔基质构成的基体，共同形成氧化还原对的金属和/或金属氧化物的颗粒被插入到该多孔基质中。根据本发明在此规定，存储元件沿着优选方向具有金属和/或金属氧化物的颗粒的浓度梯度和/或孔密度和/或孔大小的梯度。

通过金属和/或金属氧化物的颗粒的活性表面的这样的变化或由于多孔性的变化而导致的可接近性的这样的变化，特别是具有这样的存储元件的电池组的放电和充电特性被改进。

在此特别适宜的是，随着到电池组的电解质的距离增大，反应性金属颗粒的数量增加，使得氧化还原反应随着到电解质的间隔增大而由扩散决定地放慢的进展通过反应组分的提高的供给来补偿。同时可以通过在存储元件之内的孔隙度的变化来控制在存储元件的体积上的可接近性，并且可利用的存储量因此通过减小对渗入的氧离子的扩散阻力而被提高。

被嵌入到陶瓷基质中的金属和/或金属氧化物的颗粒的相互分离此外防止这些颗粒的烧结，使得具有这样的存储单元的电池组的长期稳定性和寿命被改进。

为此特别是有利的是，离开固体电解质沿着优选方向，金属和/或金属氧化物的颗粒的浓度增加并且孔密度和/或孔大小减小，使得可以特别好地抵抗上面所描述的、反应气体随着到电解质的间隔增大而变得困难的向内扩散的效应。

适宜地，浓度梯度和/或孔密度和/或孔大小的梯度是分级梯度。这样的结构在制造技术上可以特别简单地实现，使得这样的存储元件可以成本特别低地被制作。

优选地，存储元件具有外围的金属层，所述优选方向相对于该金属层形成平面法线。该优选方向在存储元件的安装位置中适宜地背离固体电解质电池组的电解质。这样的金属层可以作为牺牲层起作用，该牺牲层在分子氧从电池结构泄漏而进入的情况下被烧结并且因此密封位于其下的有用存储量以防进一步的攻击。

在此特别适宜的是，该牺牲层在两侧被陶瓷层包围，所述陶瓷层至少大多数没有孔和金属和/或金属氧化物的颗粒。这些层作为阻挡层起作用，所述阻挡层可以抵抗不期望进入的分子氧的向内扩散。