DE60310901T2 - Brennstoffzelle mit oberflächenstruktur zur erhöhung der katalytischen reaktivität - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Das technische Gebiet bezieht sich auf Oberflächenstrukturen, die die Katalysator-Reaktionsfähigkeit verbessern, und insbesondere auf ein mit einem Katalysator beschichtetes Oxidsubstrat mit Hügelstrukturen. Das mit einem Katalysator beschichtete Oxidsubstrat kann bei elektrochemischen Bauelementen, einschließlich Brennstoffzellen, Batterien, Sensoren, Elektrolyseapparaturen und dergleichen, verwendet werden.
  • Hintergrund
  • Ein wünschenswertes Merkmal bei elektrochemischen Systeme, die einen Katalyseprozess verwenden, z. B. Brennstoffzellen, Batterien, Sensoren und Elektrolyseapparaturen, ist die Fähigkeit, die höchste Katalysator-Reaktionsfähigkeit innerhalb der Größen- und Gewichtsgrenzen des Systems zu liefern. Bei typischen Brennstoffzellen, die Flüssigbrennstoff wie z. B. Methanol, ein sauerstoffhaltiges Oxidationsmittel wie z. B. Luft oder reinen Sauerstoff verwenden, wird das Methanol an einer Anodenkatalysatorschicht oxidiert, um Protonen und Kohlendioxid zu erzeugen. Die Protonen migrieren durch einen Elektrolyten von der Anode zu einer Kathode. An einer Kathodenkatalysatorschicht reagiert Sauerstoff mit den Protonen, um Wasser zu bilden. Die Anoden- und Kathodenreaktionen bei dieser Art von direkter Methanolbrennstoffzelle sind in den folgenden Gleichungen gezeigt:
    • I. Anodenreaktion (Brennstoffseite):
      Figure 00010001
    • II. Kathodenreaktion (Luftseite):
      Figure 00020001
    • III. Nettoreaktion: CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2
  • Die Energieeffizienz der Brennstoffzelle wird durch die Oxidationsrate und Reduktionsreaktionen, die Katalysatoren erfordern, damit sie vonstatten gehen können, bestimmt. Eine erhöhte Katalysator-Reaktionsfähigkeit führt zu einer Vergrößerung der Anzahl von Reaktionen pro Zeiteinheit an den Elektroden und somit zu höheren Energieeffizienzen für die Brennstoffzelle.
  • Die Katalysator-Reaktionsfähigkeit in einem elektrochemischen System kann verstärkt werden, indem (1) ein katalytisches Material verwendet wird, das eine hohe katalytische Aktivität und elektrische Leitfähigkeit aufweist und unter einer großen Bandbreite von Betriebsbedingungen stabil ist; und (2) die Kontaktfläche zwischen den Reaktionspartnern und dem Katalysator erhöht wird.
  • Es werden ständig neue katalytische Materialien entwickelt, um die Effizienz elektrochemischer Systeme zu verbessern. Beispielsweise ist auf dem Gebiet von Brennstoffzellen Platin (Pt) seit langem als bester Anodenkatalysator für Wasserstoff anerkannt. Obwohl Pt-Katalysatoren eine hohe Aktivität bezüglich einer Wasserstoffoxidation an den Tag legen, wird diese Neigung zu einer leichten Kinetik mit Kohlenmonoxid-(CO-)Konzentrationen von nur einigen wenigen ppm stark verzögert. Somit wurde ein CO-toleranter Elektrokatalysator wie z. B. eine bimetallische Platin/Ruthenium-Legierung (Pt:Ru) entwickelt. Kürzlich entdeckte man, dass eine bimetallische Platin/Molybdän-Legierung (Pt:Mo) als CO-toleranter Katalysator fungieren kann, der Pt:Ru überle gen ist (B. N. Grgur u. a.; Journal of Physical Chemistry (B), Bd. 101, Nr. 20, 1997, S. 3910).
  • Die Entwicklung von Verfahren zum Erhöhen der Oberfläche ist auch kritisch für die Verbesserung von Technologien, die von einer katalytischen Reaktion abhängig sind. Auf dem Gebiet der Brennstoffzellen hat man Versuche unternommen, Elektroden zu verwenden, die aus einem elektrisch leitfähigen porösen Substrat hergestellt sind, das die Elektrode für fluidische Reaktanten und Produkte in der Brennstoffzelle durchlässig macht. Um die Oberfläche für eine Reaktion zu erhöhen, kann der Katalysator in das poröse Substrat eingefüllt oder auf dasselbe aufgebracht werden.
  • Jedoch führen diese Modifikationen zu einer zerbrechlichen porösen Elektrode, die zusätzlichen mechanischen Halt benötigt. Eine Alternative besteht darin, eine poröse Beschichtung auf ein Feststoffsubstrat aufzusintern und die poröse Beschichtung anschließend mit einem Katalysator zu füllen oder erneut zu beschichten. Der Sintervorgang ist jedoch eine aus mehreren Schritten bestehende Prozedur, die ein Backen bei hohen Temperaturen erfordert.
  • In der U.S.-Patentschrift Nr. 6,326,097 an Hockaday wird eine Oberflächennachbildungstechnik verwendet, um eine „Eierschachtel"-Textur auf einer Membran in einer Mikrobrennstoffzelle zu bilden. Der Katalysator und die Metallelektrode werden auf die Oberfläche der Membran aufgebracht, und anschließend wird die Membran weggeätzt, so dass der Katalysator und die Elektrodenoberflächen diese Textur nachbilden. Diese Vorgehensweise ist kompliziert, da sie blindes Ätzen und viele separate Vorgänge erfordert.
  • Somit besteht weiterhin ein Bedarf daran, effizientere katalytische Systeme für elektrochemische Anwendungen zu entwickeln.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, die folgende Merkmale aufweist:
    eine Anode;
    eine Kathode;
    einen Elektrolyt, der die Anode und die Kathode miteinander verbindet; und
    einen Brennstoff,
    wobei die Anode oder die Kathode oder sowohl die Anode als auch die Kathode eine katalytische Oberflächenstruktur aufweist, die durch folgendes Verfahren erhalten werden kann:
    Aufbringen einer Schicht eines leitfähigen Materials (111 oder 119) auf ein Elektrodenmaterial (109);
    Aufbringen eines Dünnfilms eines Katalysators (113) auf die Schicht des leitfähigen Materials; und
    Tempern des Katalysators unter derartigen Bedingungen, dass der Katalysator-Dünnfilm Nano-Struktur-Hügel (115) bildet.
  • Die Hügelstruktur verstärkt die Katalysator-Reaktionsfähigkeit aufgrund des Vorliegens der Grenzfläche zwischen dem Katalysator und dem Oxidsubstrat.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Elektrodenmaterial vor der Aufbringung des leitfähigen Oxids zuerst mit einem leitfähigen Metall oder einer leitfähigen Legierung bedeckt. Das leitfähige Metall oder die leitfähige Legierung verbessert die Gesamtleitfähigkeit der Struktur, da es bzw. sie die Protonen/Elektronen-Bewegung von dem leitfähigen Oxid zu dem Elektrodenmaterial erleichtert.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Elektrodenmaterial zunächst mit einer Schicht eines leitfähigen, metallbasierten Nicht-Oxid-Materials bedeckt, das bei einer Tempertemperatur nicht mit dem Katalysator reagiert, worauf eine dünne Schicht eines Katalysators folgt. Der Katalysator wird getempert, um Nano-Struktur-Hügel zu bilden. Die Hügelstruktur wird anschließend bei einer erhöhten Temperatur (z. B. 300–400°C) einem Oxidationsprozess oder einem Anodisierungsprozess unterzogen, um die Oberfläche des exponierten bzw. freiliegenden metallbasierten leitfähigen Nicht-Oxid-Materials in ein entsprechendes Metalloxid umzuwandeln.
  • Zusätzliche Vorteile und neuartige Merkmale werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt, und teilweise werden sie für Fachleute bei Betrachtung des Folgenden offensichtlich oder können durch Praktizieren der Erfindung gelernt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die folgenden Zeichnungen, bei denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, und in denen:
  • 1 ein Bild eines Pt-Nanopartikelarrays zeigt;
  • 2 ein Bild von Pt-Nano-Hügeln zeigt, die nach einem Tempern bei einer hohen Temperatur auf einem SiO2-Substrat gebildet werden;
  • 3 einen Verfahrensfluss zum Erzeugen einer katalytischen Hügelstruktur zeigt;
  • 4 eine Verteilung von Hügeln auf einer Oxidsubstratoberfläche zeigt;
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer katalytischen Hügelstruktur mit einer zusätzlichen leitfähigen Metallschicht zeigt; und
  • 6 ein Ausführungsbeispiel einer Oxidationsfläche SiOx in Bereichen zwischen Hügeln zeigt.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Es gibt vielfache Hinweise darauf, dass sich Elektrokatalysatoren aufgrund von Herstellungsverfahren bezüglich ihrer Aktivität unterscheiden können. Beispielsweise liefern Pt:Ru-Legierungen, die anhand eines Zerstäubens einer Massenlegierung, anhand eines Temperns einer Massenlegierung und anhand eines Aufbringens einer Untermonoschicht von Ru auf Pt hergestellt werden, grundlegend unterschiedliche katalytische Eigenschaften. Kürzlich berichteten Baldelli, S., u. a., dass Pt-Nanopartikelarrays im Vergleich zu Pt-Dünnfilm eine beträchtlich erhöhte katalytische Reaktionsfähigkeit zeigten (Baldelli, S., u. a., „Surface enhanced sum frequency generation of carbon monoxide adsorbed on platinum nanoparticle arrays", Journal of Chemical Physics, 113: 5432–8, 2000). 1 zeigt ein Bild eines Pt-Nanopartikelarrays 101, bei dem Partikel 103 einen Durchmesser von 40 nm aufweisen und 150 nm voneinander beabstandet sind (siehe oben). Das Pt-Nanopartikelarray 101 wird unter Verwendung einer Elektronenstrahllithographie hergestellt (siehe oben). Kurz gesagt wird ein Si-(100)Wafer mit einem 5 nm dicken SiO2 auf der Oberfläche mit einer Schicht eines Photoresist-Polymethylmethacrylats (PMMA, relative Molekülmasse 950.000) schleuderbeschichtet. Anhand von Computern entworfene Muster werden anschließend mit einem stark gebündelten Elektronenstrahl, der durch eine Feldemissionsquelle erzeugt wird, in die Photore sistschicht „geschrieben". Der exponierte Photoresist wird aufgelöst, und ein 15 nm dicker Pt-Film wird mittels Elektronenstrahlverdampfung auf den Si-(100)Wafer aufgebracht. Schließlich wird der verbleibende Photoresist durch Auflösung mit einem organischen Lösungsmittel beseitigt, und die Metallpartikel des vorgeschriebenen Musters verbleiben auf dem Si-(100)Wafer (siehe oben). Unter Verwendung einer Summenfrequenzerzeugungs-Schwingungsspektroskopie (SFG-Schwingungsspektroskopie, SFG = sum frequency generation, Summenfrequenzerzeugung) stellten Baldelli u. a. fest, dass das SFG-Signal von CO, das an die Pt-Partikel adsorbiert wurde, im Vergleich zu CO, das an einem glatten Pt-Film adsorbiert war, eine beträchtliche Verbesserung aufwies. Die verbesserte Reaktionsfähigkeit von Pt wird auf das Vorliegen der Grenzfläche zwischen Pt und dem Oxidsubstrat in dem Pt-Nanopartikelarray 101 zurückgeführt. Es wäre jedoch schwierig, die komplizierte Elektronenstrahllithographie und anschließende Photolithographie an einem porösen Substrat durchzuführen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Tempern eines Katalysator-Dünnfilms bei hohen Temperaturen auf ein geeignetes Substrat eine Katalysatorfilm-Hügelstruktur erzeugt, die dem oben beschriebenen Pt-Nanopartikelarray 101 ähnlich ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine dünne Schicht aus Pt-Katalysator unter Verwendung einer Elektronenstrahlverdampfung auf die Oberfläche eines Substrats, z. B. SiO2, aufgebracht. Die Katalysatorschicht wird anschließend bei einer hohen Temperatur auf das Substrat getempert. Während des Temperprozesses baut sich in der Katalysatorfilmebene mit zunehmender Temperatur eine Druckspannung auf. Wenn die Druckspannung den Knickpunkt des Katalysatorfilms übersteigt, verringert der Film die Spannung, indem ein Teil des Films aus der Ebene heraus geschoben wird, um einen Hügel zu bilden („Pt Hillock Formation and Decay" von Summerfelt, S. R., u. a., in „Ferroelectric Thin Films IV", Tuttle, B. A., u. a., Herausgeber, Materials Research Society Symp. Proc., 361: 257–26, 1995). Diese Technik ermöglicht es, auf nicht flachen Oberflächen, z. B. auf den Oberflächen von porösen Partikeln, ohne das Erfordernis einer Photolithographie Hügelstrukturen zu erzeugen. 2 zeigt ein Bild einer Pt-Hügelstruktur 105, die nach einem 30- bis 60minütigen Tempern bei einer Temperatur von 800–900°C auf einem SiO2-Substrat gebildet wurde.
  • Bei Brennstoffzellenanwendungen ist das Substrat für die Katalysator-Hügelstruktur 105 ein leitfähiges Material, so dass die auf der katalytischen Oberfläche erzeugten Elektronen/Protonen durch eine Elektrode gesammelt werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat ein leitfähiges sauerstoffarmes Siliziumoxid. Ein leitfähiges sauerstoffarmes Siliziumoxid ist ein Siliziumoxid, das stöchiometrisch einen Mangel an Sauerstoff aufweist. Während normales Siliziumoxid durch die Formel SiO2 dargestellt wird, wird das sauerstoffarme Siliziumoxid durch die Formel SiOx dargestellt, wobei x größer ist als null, aber kleiner als 2. SiOx ist leitfähig, da die Sauerstoffarmut Leitungswege für Elektronen liefert. Allgemein wird eine gute Leitfähigkeit erhalten, wenn x kleiner als 1,7 ist. SiOx kann durch ein reaktives Zerstäuben von einem Siliziumziel in einer Sauerstoffumgebung erzeugt werden. Andere leitfähige Oxide, z. B. RuO2, ZnO2, SnO2, ZnInO und SrRuO, sind ebenfalls geeignete Substrate für die Hügelstruktur 105.
  • 3 zeigt einen Prozess eines Erzeugens einer Katalysator-Hügelstruktur zur Verwendung bei einer Brennstoffzellenanwendung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Oxid 111 auf ein Elektrodenmaterial 109 aufgebracht. Das Elektrodenmaterial 109 kann ein beliebiges leitfähiges Material sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Elektrodenmaterial 109 ein poröses leitfähiges Material, z. B. gesintertes Metall, Metall-Keramik oder ein Kohlenstoff-Verbundwerkstoff. Das Oxid 111 kann leitfähig oder semileitfähig sein. Beispiele des Oxids 111 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, SiOx, RuO2, ZnO2, SnO2, ZnInO und SrRuO. Die Dicke der Oxidschicht liegt im Bereich von 10 nm bis 100 nm, vorzugsweise 15 nm bis 40 nm, und beträgt bei einem Ausführungsbeispiel 20 nm. Im Fall von SiOx wird die Oxidaufbringung in der Gegenwart von durch Plasma erzeugtem angeregtem Sauerstoff (z. B. eines Sauerstoffatoms, eines Sauerstoffatoms in einem angeregten Zustand, eines Sauerstoffmoleküls in einem angeregten Zustand) und eines Silizium-Zerstäubungstargets durchgeführt. Durch Steuern eines Sauerstoff/Argon-Strömungsverhältnisses und der an das Target gelieferten Leistung, so dass Sauerstoff während der Aufbringung in einer weniger als stöchiometrischen Menge bereitgestellt wird, wird ein leitfähiger Siliziumoxidfilm erhalten, der stöchiometrisch einen Mangel an Sauerstoff aufweist (SiOx).
  • Ein Dünnfilm eines Katalysators 113 wird anschließend auf das Oxid 111 aufgebracht, um eine Sandwich-Struktur 100 zu bilden. Der Katalysator 113 kann ein beliebiger Katalysator sein, der für Brennstoffzellenanwendungen geeignet ist, einschließlich, aber nicht ausschließlich, eines beliebigen Edelmetall-Katalysatorsystems. Wie man in der Technik weiß, umfassen derartige Katalysatorsysteme ein oder mehrere Edelmetalle, die auch in Verbindung mit Unedelmetallen verwendet werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Edelmetallmaterial eine Legierung aus Pt und Ru. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfassen die Katalysatorsysteme Legierungen aus Pt:Mo, Pt:Sn und Pt:Ru:Os. Andere katalytische Edelmetallsysteme, die bekannt sind und Fachleuten zur Verfügung stehen, können gleichermaßen bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
  • Der Katalysator 113 kann mittels einer Elektronenstrahlverdampfung, einer Zerstäubung, einer Atomschichtaufbringung, einer chemischen Aufdampfung oder anhand beliebiger anderer geeigneter Oberflächenbeschichtungsverfahren auf das Oxid 111 aufgebracht werden.
  • Der Katalysator 113 wird anschließend bei hohen Temperaturen getempert, um in der Gegenwart von Luft, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon, Helium oder eines Gemisches derselben Hügel 115 zu erzeugen. Die Temperbedingung (Temperatur, Zeit und Umgebung) kann je nach dem Material und der Partikelgröße des Katalysators 113, des Oxids 111 und des Elektrodenmaterials 109 sowie je nach der Dicke des Katalysators und der Oxidschicht variieren. Einerseits bilden sich die Hügel 115 nur dann, wenn die aus der Erwärmung entstehende Druckspannung den Knickpunkt des Katalysatorfilms 113 überschreitet. Andererseits können erhöhte Tempertemperaturen und/oder ein langer Temperzeitraum zu einem Hügelverfall führen, da die Hügel 115, nachdem sie entstanden sind, dazu tendieren, ihre Oberflächenenergie, die aufgrund des hohen Oberfläche/Volumen-Verhältnisses der Hügelstruktur größer ist als die Norm, zu reduzieren. Somit müssen auf der Basis der spezifischen Katalysator/Oxid/Substrat-Kombination optimale Bedingungen für eine Hügelbildung ermittelt werden. Allgemein führt eine höhere Tempertemperatur und/oder eine dünnere Oxidschicht zu kleineren Hügeln. Eine ausführlichere Beschreibung einer Pt-Hügelbildung und eines -verfalls findet sich bei „Pt Hillock Formation and Decay" von Summerfelt, S. R., u. a. in Ferroelectric Thin Films IV", Tuttle, B. A., u. a., Herausgeber, Materials Research Society Symp. Proc., 361: 257–26, 1995.
  • Wie in 4 gezeigt ist, weisen die Hügel 115 üblicherweise Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 10 nm und vorzugsweise im Bereich von 2 nm bis 7 nm auf. Die Hügel 115 sind üblicherweise 1 nm bis 100 nm voneinander beabstandet. Bereiche zwischen den Hügeln 115 sind nach dem Tempern üblicherweise nicht durch die Katalysatorpartikel bedeckt und werden somit als exponierte Bereiche 117 bezeichnet. Bei einem Ausführungsbeispiel bedecken Hügel 115 etwa 50 der Oberfläche. Mit anderen Worten beträgt das Verhältnis zwischen der durch die Hügel 115 eingenommenen Fläche und der freiliegenden Fläche 117 etwa 1:1.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Elektrodenmaterial 109 zuerst mit einer Dünnschicht 119 eines leitfähigen Metalls oder einer leitfähigen Legierung, z. B. Titan (Ti), Chrom (Cr) oder Tantal (Ta), beschichtet wird, worauf eine dünne Schicht eines Oxids 111 und eine dünne Schicht eines Katalysators 113 folgt. Ein Vorteil dieser Konfiguration (Struktur 200) besteht darin, dass die Leitfähigkeit der Struktur 200 stark verbessert ist, da an der Katalysatorschicht erzeugte Elektronen lediglich durch die untere leitfähige (einen höheren Widerstand aufweisende) Oxidschicht 111 gelangen müssen, um die leitfähige Metallschicht 119 zu erreichen, wo die Elektronen problemlos in das Elektrodenmaterial 109 eintreten können.
  • Bei einem in 6 gezeigten, wieder anderen Ausführungsbeispiel ist das Elektrodenmaterial 109 mit einer Dünnschicht aus SiOx 121 beschichtet, auf das eine dünne Schicht eines Katalysators 113 folgt. Die Katalysatorschicht 113 wird anschließend getempert, um die Hügel 115 zu bilden, während SiOx 121 in Bereichen 123 zwischen den Hügeln 115 freigelegt wird (6). Der freiliegende Bereich 123 kann ferner anhand eines Plasmaoxidationsprozesses bei erhöhten Temperaturen (z. B. 300–400°C) behandelt werden, um das freiliegende SiOx 121 in SiO2 125 umzuwandeln, das wiederum die Reaktionsrate des Katalysators 113 verbessert. SiOx 121, das durch die Katalysatorhügel 115 bedeckt ist, wird nicht oxidiert und bleibt leitfähig. Man sollte ferner beachten, dass lediglich die Oberfläche SiOx des freiliegenden Bereichs 123 mittels des Plasmaprozesses oxidiert wird und dass das SiOx unterhalb der Oberfläche von SiO2 125 nicht-oxidiert bleibt, so dass die Leitfähigkeit der SiOx-Schicht 121 nach dem Oxidationsprozess aufrechterhalten wird.
  • Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel wird das Elektrodenmaterial 109 mit einem metallbasierten leitfähigen Nicht-Oxid-Material beschichtet, worauf eine Dünnschicht eines Katalysators 113 folgt. Das metallbasierte leitfähige Nicht-Oxid-Material wird auf der Basis der Kriterien ausgewählt, dass das Material während des anschließenden bei hohen Temperaturen stattfindenden Temperprozesses nicht mit dem Katalysator interagiert, d. h. dass das metallbasierte leitfähige Nicht-Oxid-Material während des Temperprozesses keine Legierung mit dem Katalysator bildet oder an einer chemischen Reaktion mit dem Katalysator beteiligt ist, um die Katalysatoraktivität zu verringern. Beispiele derartiger Materialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, TiN, TiC, TaN, WC und Stellit. Der Katalysator wird getempert, um die Hügel 115 zu bilden. Die Hügelstruktur wird anschließend einem Plasmaoxidationsprozess bei erhöhten Temperaturen (z. B. 300–400°C) oder einem Anodisierungsprozess unterworfen, um das metallbasierte leitfähige Nicht-Oxid-Material in entsprechendes Metalloxid umzuwandeln. Ähnlich dem früheren Ausführungsbeispiel wird lediglich die Oberfläche des metallbasierten leitfähigen Nicht-Oxid-Materials zu dem entsprechenden Metalloxid oxidiert. Das metallbasierte leitfähige Nicht-Oxid-Material unter der freiliegenden Oberfläche bleibt nicht-oxidiert, so dass die Leitfähigkeit der metallbasierten leitfähigen Nicht-Oxid-Materialschicht nach dem Oxidationsprozess aufrechterhalten wird.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist das metallbasierte leitfähige Nicht-Oxid-Material TiN. Wenn sich nach dem Tempern auf der TiN-Schicht die Katalysatorhügel bilden und die Katalysatorschicht in Nano-Katalysator-Partikel umgewandelt wird, werden manche Bereiche der TiN-Schicht freigelegt (die Bereiche zwischen Hügeln). Oberflächen-TiN in diesen freiliegenden Bereichen wird anschließend durch die Plasmaoxidation oder die Anodisierung in TiO2 umgewandelt.
  • Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, können verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen hierin vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Patentansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims (8)

  1. Eine Brennstoffzellenanordnung, die folgende Merkmale aufweist: eine Anode; eine Kathode; einen Elektrolyt, der die Anode und die Kathode miteinander verbindet; und einen Brennstoff, wobei die Anode oder die Kathode oder sowohl die Anode als auch die Kathode eine katalytische Oberflächenstruktur aufweist, die durch folgendes Verfahren erhalten werden kann: Aufbringen einer Schicht eines leitfähigen Materials (111 oder 119) auf ein Elektrodenmaterial (109); Aufbringen eines Dünnfilms eines Katalysators (113) auf die Schicht des leitfähigen Materials; und Tempern des Katalysators unter derartigen Bedingungen, dass der Katalysator-Dünnfilm Nano-Struktur-Hügel (115) bildet.
  2. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der das Elektrodenmaterial ein poröses Metall, eine poröse Metall-Keramik oder ein Kohlenstoff-Verbundwerkstoff ist.
  3. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das leitfähige Material ein leitfähiges Oxid (111) ist.
  4. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 3, bei der das leitfähige Oxid SiOx, RuO2, ZnO2, ZnInO oder SrRuO ist, wobei 0 < x < 2.
  5. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 4, bei der das leitfähige Oxid SiOx (121) ist und 0 < x < 2 und bei der das Verfahren ferner einen Schritt umfasst, bei dem die Hügel einem Sauerstoffplasmaprozess unterzogen werden, um eine Oberfläche von exponiertem SiOx zu SiO2 (125) zu oxidieren.
  6. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das leitfähige Material ein metallbasiertes leitfähiges Nicht-Oxid-Material ist, das während des Temperprozesses nicht mit dem Katalysator interagiert, und bei der das Verfahren ferner einen Schritt umfasst, bei dem die Hügel einem Sauerstoffplasmaprozess oder einem Anodisierungsprozess unterzogen werden, um eine Oberfläche eines exponierten metallbasierten leitfähigen Nicht-Oxid-Materials zu einem entsprechenden Metalloxid zu oxidieren.
  7. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das leitfähige Material ein Metall oder eine Legierung (119) ist und das Verfahren ferner einen Schritt des Aufbringens einer leitfähigen Oxidschicht auf das leitfähige Material vor der Aufbringung des Katalysators umfasst.
  8. Eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Katalysator ein Edelmetall, eine Legierung aus Edelmetallen oder eine Legierung aus Edel- und Unedelmetallen ist.
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