DE102016114991A1

DE102016114991A1 - Brennstoffzelleneinheitszelle

Info

Publication number: DE102016114991A1
Application number: DE102016114991.8A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kobayashi; Shinya Teranishi
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2036-08-13
Also published as: JP2017045581A; JP6518554B2; DE102016114991B4

Abstract

Eine Brennstoffzelleneinheitszelle umfasst: eine Anode (2); eine feste Elektrolytschicht (3); eine Zwischenschicht (4); eine Übergangsschicht (5); und eine Kathode (6), die jeweils in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Die Übergangsschicht umfasst einen Netzwerkabschnitt (51), der aus Material der Zwischenschicht hergestellt ist und eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildet, einen Abdeckabschnitt (52), der aus Material der Kathode hergestellt ist und eine Oberfläche des Netzwerkabschnitts bedeckt, und einen Hohlraum (53). Ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenschicht ist kleiner als ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Kathode.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzelleneinheitszelle, die einen festen Elektrolyten als einen Elektrolyten verwendet.
Herkömmlicherweise war eine Brennstoffzelleneinheitszelle (auf die auch als eine Einheitszelle einer Brennstoffzelle oder eine einzelne Zeile einer Brennstoffzelle Bezug genommen wird) bekannt, bei der eine Zwischenschicht zwischen einer festen Elektrolytschicht und einer Kathode ausgebildet ist, um die Bildung einer Reaktionsschicht gemäß einer wechselseitigen Elementdiffusion der festen Elektrolytschicht und der Kathode zu verhindern.
Zum Beispiel offenbart die Patentliteratur 1 eine Brennstoffzelleneinheitszelle, in der eine Zwischenschicht zwischen der festen Elektrolytschicht und der Kathode bereitgestellt ist und viele winzige aus Kathodenmaterial hergestellte Partikel über die ganze Grenzfläche der Zwischenschicht und der Kathode verteilt sind.

Patentliteratur 1: JP 2015-88284 A

Um die elektrische Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelleneinheitszelle zu verbessern, kann es im Allgemeinen wirksam sein, eine Brennstoffzellenwiderstandskomponente zu verringern. Insbesondere umfasst die Zellenwiderstandskomponente (i) einen Reaktionswiderstand, der durch die Aktivität eines Elektrodenmaterials bestimmt wird, (ii) einen Diffusionswiderstand, der durch eine Verbreitungsfähigkeit eines Brennstoffgases im Inneren einer Elektrode bestimmt wird, und (iii) einen ohmschen Widerstand, der durch das Zellaufbaumaterial und seinen Grenzflächenzustand bestimmt wird.
Um den ohmschen Widerstand zu verringern, kann es wirksam sein, ein Zellaufbaumaterial selbst in ein Material mit niedrigem Widerstand zu ändern. Außerdem oder alternativ kann es auch wirksam sein, den Grenzflächenwiderstand in jeder Grenzfläche einer Zelle zu verringern, die eine laminierte Struktur hat, die aus verschiedenen Arten von Materialien hergestellt ist.
Jedoch unterscheidet sich im Allgemeinen ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient erheblich zwischen einem Zwischenschichtmaterial und einem Kathodenmaterial. Zum Beispiel ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von CeO₂, das mit Gd dotiert ist, als ein Zwischenschichtmaterial etwa 9,3 ppm/K. Im Gegensatz dazu ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von (La, Sr) (Co, Fe)O₃, das als ein Kathodenmaterial verwendet wird, etwa 14 ppm/K. Daher kann gemäß dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizientendifferenz eine Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen einer Zwischenschicht und einer Kathode schlechter werden und der Grenzflächenwiderstand kann zunehmen.
Im Übrigen versucht die Patentliteratur 1 hauptsächlich, das Abschälen zwischen einer Zwischenschicht und einer Kathode unter Verwendung einer Ankerwirkung zu verhindern. Das heißt, die Patentliteratur verwendet die Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials nicht konstruktiv.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Brennstoffzelleneinheitszelle bereitzustellen, die es ermöglicht, die Übergangseigenschaft einer Zwischenschicht und einer Kathode unter Nutzung der Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Zwischenschichtmaterials und eines Kathodenmaterials zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Brennstoffzelleneinheitszelle: eine Anode; eine feste Elektrolytschicht; eine Zwischenschicht; eine Übergangsschicht; und eine Kathode, die jeweils in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Die Übergangsschicht umfasst einen Netzwerkabschnitt, der aus Material der Zwischenschicht hergestellt ist und eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildet; einen Abdeckabschnitt, der aus Material der Kathode hergestellt ist und eine Oberfläche des Netzwerkabschnitts bedeckt; und einen Hohlraum. Ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenschicht ist kleiner als ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Kathode.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle umfasst die Übergangsschicht das Zwischenschichtmaterial. Auf diese Weise wird die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Zwischenschicht mit dem Zwischenschichtmaterial, das in der Grenzfläche gesintert ist, sichergestellt. Außerdem umfasst die Übergangsschicht das Kathodenmaterial. Auf diese Weise wird die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Kathode mit dem Kathodenmaterial, das in der Grenzfläche gesintert ist, sichergestellt. Wenn die Brennstoffzelleneinheitszelle auf die Betriebstemperatur erwärmt wird, dehnen sich das Zwischenschichtmaterial und das Kathodenmaterial in der Übergangsschicht jeweils gemäß jedem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Zwischenschichtmaterials und eines Kathodenmaterials thermisch aus. Unter diesen Gegebenheiten ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffzient des Kathodenmaterials größer als der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenschichtmaterials. Daher nimmt ein Netzwerkabschnitt, der aus dem Zwischenschichtmaterial hergestellt ist, von dem Abdeckabschnitt, der aus dem Kathodenmaterial aufgebaut ist, die Spannung in einer Kompressionsrichtung in der Übergangsschicht auf. Daher verbessert sich die Hafteigenschaft der Grenzfläche zwischen dem Netzwerkabschnitt und dem Abdeckabschnitt in der Übergangsschicht.
Gemäß der Brennstoffzelleneinheitszelle kann es möglich sein, die Übergangseigenschaft der Zwischenschicht und der Kathode durch eine Übergangsschicht zu verbessern, indem die Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials genutzt wird. Im Übrigen ist für die Zeile die Übergangsschicht erforderlich, die die Stromerzeugungsleistung weniger wahrscheinlich verringert. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Brennstoffzelleneinheitszelle sowohl eine Verbesserung in der Übergangseigenschaft mit der Zwischenschicht als auch der Sicherstellung der Stromerzeugungsleistung erreicht.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird, deutlicher. In den Zeichnungen:
1 ist ein Diagramm, das eine Laminatstruktur in einer Brennstoffzelleneinheitszelle einer ersten Ausführungsform schematisch darstellt;
2 ist ein Diagramm, das eine Mikrostruktur der Übergangsschicht in der Brennstoffzelleneinheitszelle der ersten Ausführungsform schematisch darstellt;
3 ist ein Diagramm, das eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 schematisch darstellt;
4 ist ein Diagramm, das eine Mikrostruktur der Übergangsschicht in der Brennstoffzelleneinheitszelle einer zweiten Ausführungsform schematisch darstellt; und
5 ist ein Rasterelektronenmikroskopfoto der Übergangsschicht in der Brennstoffzelleneinheitszelle der Probe 1, wobei das Foto ein Querschnittfoto vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht ist.
(Erste Ausführungsform)
Eine Brennstoffzelleneinheitszelle einer ersten Ausführungsform wird unter Bezug auf 1 bis 3 erklärt. Wie in 1 bis 3 beispielhaft dargestellt, umfasst eine Brennstoffzelleneinheitszelle 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Anode 2, eine feste Elektrolytschicht 3, eine Zwischenschicht 4, eine Übergangsschicht 5 und eine Kathode 6. Die Anode 2, die feste Elektrolytschicht 3, die Zwischenschicht 4, die Übergangsschicht 5 und die Kathode 6 sind in dieser Reihenfolge gestapelt (laminiert). Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 ist eine Einheitszelle aus einer Festelektrolyt-Brennstoffzelle, die einen festen Elektrolyten als einen Elektrolyten verwendet. Im Übrigen wird auf eine Brennstoffzelle, die feste Oxidkeramik als einen festen Elektrolyten verwendet, als eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) Bezug genommen. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 eine Anoden-getragene Zelle, die die Anode 2, die eine Elektrode ist, als ein Basismaterial verwendet. Eine Batteriestruktur ist eine flache Platte.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 ist die Zwischenschicht 4 hauptsächlich eine Schicht zum Unterdrücken einer Reaktion zwischen einem Kathodenmaterial und einem festen Elektrolytschichtmaterial. Die Anode 2 ist beispielhaft als eine Vielschicht dargestellt. Es sollte bemerkt werden, dass die Anode 2 aus einer Monoschicht aufgebaut sein kann. Insbesondere hat die Anode 2 in der vorliegenden Ausführungsform eine aktive Schicht 21 und eine Diffusionsschicht 22. Die aktive Schicht 21 ist auf einer Seite der festen Elektrolytschicht 3 angeordnet. Die Diffusionsschicht 22 ist auf einer Seite entgegengesetzt zu der Seite der festen Elektrolytschicht 3 in der aktiven Schicht 21 angeordnet. Die aktive Schicht 21 ist hauptsächlich eine Schicht zur Steigerung der elektrochemischen Reaktion auf der Seite der Anode 2. Die Diffusionsschicht 22 ist eine Schicht, die ein Brennstoffgas, das zugeführt wird, diffundieren kann.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 hat die Übergangsschicht 5 einen Netzwerkabschnitt 51, einen Abdeckabschnitt 52 und einen Hohlraum 53. Die Übergangsschicht 5 in der vorliegenden Ausführungsform ist eine einzelne Schicht. Der Netzwerkabschnitt 51 ist aus dem Zwischenschichtmaterial hergestellt und ist mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur versehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Netzwerkabschnitt 51 mit der dreidimensionalen Netzwerkstruktur versehen, in der Partikel, die aus dem Zwischenschichtmaterial hergestellt sind, durch Einschnürung wechselseitig miteinander verbunden sind. Der Abdeckabschnitt 52 ist aus dem Kathodenmaterial hergestellt und bedeckt die Oberfläche des Netzwerkabschnitts 51. Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 erfüllt die folgende Relation: der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenschichtmaterials < der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Kathodenmaterials. Im Übrigen entspricht das Kathodenmaterial in der vorliegenden Offenbarung einem Material, das die Kathode aufbaut, und das Zwischenschichtmaterial entspricht einem Material, das die Zwischenschicht aufbaut.
Die Übergangsschicht 5 in der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 umfasst das Zwischenschichtmaterial. Daher wird die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 mit dem in der Grenzfläche gesinterten Zwischenschichtmaterial sichergestellt. Außerdem umfasst die Übergangsschicht 5 das Kathodenmaterial. Daher wird die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Kathode 6 mit dem in der Grenzfläche gesinterten Kathodenmaterial sichergestellt. Wenn die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 ferner auf die Betriebstemperatur erwärmt wird, dehnen sich das Zwischenschichtmaterial und das Kathodenmaterial in der Übergangsschicht 5 jeweils gemäß jedem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials thermisch aus. Da in diesem Fall der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Kathodenmaterials größer als der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenschichtmaterials ist, nimmt der Netzwerkabschnitt 51, der aus dem Zwischenschichtmaterial hergestellt ist, von dem Abdeckabschnitt 52, der aus dem Kathodenmaterial aufgebaut ist, in der Übergangsschicht 5 die Spannung in einer Kompressionsrichtung auf. Daher verbessert sich die Hafteigenschaft der Grenzfläche zwischen dem Netzwerkabschnitt 51 und dem Abdeckabschnitt 52 in der Übergangsschicht 5.
Gemäß der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann es möglich sein, die Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 durch die Übergangsschicht 5 zu verbessern, indem die Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials genutzt wird
Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann vorzugsweise in einem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 die folgende Relation erfüllen: Lc > 2L. Hier ist Lc eine mittlere Verbindungslänge des Netzwerkabschnitts 51. L ist eine mittlere Dicke der Übergangsschicht 5. Während gemäß diesem Aufbau ein Teil des Netzwerkabschnitts 51 in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 gesintert wird, wird ein anderer Teil des Netzwerkabschnitts 51 in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Kathode 6 gesintert. Daher kann es gemäß diesem Aufbau vorteilhaft sein, die Übergangseigenschaft der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 zu verbessern. Die mittlere Verbindungslänge des Netzwerkabschnitts 51 wird aus einem REM-Schnittbild erhalten, das vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 ist, wobei das Bild, wie in 2 dargestellt, mit einer bestimmten Vergrößerung erhalten wird, bei der ein einzelnes Sichtfeld wenigstens ein Feld zeigt, das durch eine Dicke der Übergangsschicht 5 geteilt ist, und eine Breite der Übergangsschicht 5 dem Zehnfachen der Dicke der Übergangsschicht 5 entspricht. Insbesondere wird in dem REM-Schnittbild ein Anfangspunkt an dem Teil aus jedem Netzwerkabschnitt 51, der in der Übergangsschicht 5 enthalten ist, festgelegt, der in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 gesintert ist. Und die längste Passage wird aus den Verbindungsketten, welche den Anfangspunkt und einen anderen Teil, der in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 gesintert ist, ausgewählt, ohne die gleiche Passage zweimal zu verfolgen. Das heißt, ein anderer Teil ist verschieden zu dem Anfangspunkt. Auf die Länge der Verbindungskette wird in diesem Fall als eine Verbindungslänge Ic des Netzwerkabschnitts 51 Bezug genommen. Die mittlere Verbindungslänge Lc des Netzwerkabschnitts 51 wird als der Durchschnitt von zehn Verbindungslängen Ic genommen, die auf die gleiche Weise aus zehn REM-Bildern erhalten werden. Die mittlere Dicke L der Übergangsschicht 5 wird als der Durchschnitt der Dicke l der Übergangsschicht 5 erhalten, der aus zehn REM-Bildern erhalten wird.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 braucht der Abdeckabschnitt 52 nicht die gesamte Oberfläche des Netzwerkabschnitts 51 bedecken. Es kann bevorzugt werden, dass die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 in dem Querschnitt vertikal zu der Schichtebene der Übergangsschicht 5 die Abdeckung (auf die auch als ein Abdeckverhältnis Bezug genommen wird) durch den Abdeckabschnitt 52 von 60% bis 90% hat. Das heißt, es kann bevorzugt werden, dass das Abdeckverhältnis des Abdeckabschnitts 52 in einem Bereich von 60% bis 90% liegt. Gemäß diesem Aufbau ist es wahrscheinlich, dass die Haftung der Grenzfläche zwischen dem Netzwerkabschnitt 51 und dem Abdeckabschnitt 52 sichergestellt wird, während ein Drei-Phasen (ein Kathodenmaterial/ein Zwischenschichtmaterial/ein Hohlraum) Grenzflächenfeld, das für eine Erzeugung elektrischer Energie erforderlich ist, sichergestellt wird. Insbesondere wird die Abdeckung des Abdeckabschnitts 52 aus dem folgenden Ausdruck berechnet: Abdeckung = 100 × (Gesamtbeschichtungslänge des Abdeckabschnitts 52, die in dem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 erscheint)/(gesamte Außenoberflächenlänge des Netzwerkabschnitts 51, die in dem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 erscheint). Die Abdeckung des Abdeckabschnitts 52 kann unter dem Gesichtspunkt der Übergangseigenschaft der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 vorzugsweise größer oder gleich 65% sein und kann besser größer oder gleich 70% sein. Die Abdeckung des Abdeckabschnitts 52 kann unter dem Gesichtspunkt der Stromerzeugungscharakteristik vorzugsweise kleiner oder gleich 85% sein und kann besser kleiner oder gleich 80% sein. Insbesondere kann die Abdeckung des Abdeckabschnitts 52 gegenwärtig gleich 70% sein.
In dem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann ein Anteil einer gesamten Summenlänge des Netzwerkabschnitts 51, der in der Grenzfläche gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 innerhalb von 20% bis 70% liegen. Gemäß diesem Aufbau kann es möglich sein, die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 sicher sicherzustellen. Der Anteil der gesamten Summenlänge des Netzwerkabschnitts 51 kann unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4, der Sicherstellung des Sauerstoffionenleitungsdurchgangs oder ähnlichem vorzugsweise größer oder gleich 25% sein, kann besser größer oder gleich 30% sein und kann noch besser größer oder gleich 35% sein. Das Verhältnis der gesamten Summenlänge des Abschnitts des Netzwerkabschnitts 51 kann vorzugsweise kleiner oder gleich 65% sein, kann besser kleiner oder gleich 55% sein und kann noch besser kleiner oder gleich 50% sein, um die mechanische Flexibilität der Netzwerkstruktur leicht sicherzustellen. in der vorliegenden Ausführungsform kann das Verhältnis der gesamten Summenlänge des Abschnitts des Netzwerkabschnitts 51 gleich 35% sein.
In dem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann ein Anteil einer gesamten Summenlänge eines Abschnitts des Abdeckabschnitts 52, der in der Grenzfläche gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Kathode 6 innerhalb von 20% bis 70% liegen. Gemäß diesem Aufbau kann es möglich sein, die Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Kathode 6 sicher sicherzustellen. Der Anteil der gesamten Summenlänge des Abschnitts des Abdeckabschnitts 52 kann unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Übergangseigenschaft der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und dem Abdeckabschnitt 52, der Sicherstellung des Elektronenleitungsdurchgangs oder ähnlichem vorzugsweise größer oder gleich 25% sein, kann besser größer oder gleich 30% sein und kann noch besser größer oder gleich 35% sein. Der Anteil der gesamten Summenlänge des Abschnitts des Abdeckabschnitts 52 kann vorzugsweise kleiner oder gleich 65% sein, kann besser kleiner oder gleich 55% sein und kann noch besser kleiner oder gleich 50% sein, um die mechanische Flexibilität einer Struktur des Abdeckabschnitts sicher sicherzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Anteil der gesamten Summenlänge des Abschnitts des Abdeckabschnitts 52 insbesondere gleich 35'% sein.
Im Übrigen wird in der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 der Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht 5 durch die Beobachtung mit einem Rasterelektronenmikroskop erhalten.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann ein Volumenanteil des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials in der Übergangsschicht 5 zum Beispiel von 25:75 bis 75:25 reichen. Gemäß diesem Aufbau kann es möglich sein, die Verringerung der Stromerzeugungsleistung aufgrund der Einführung der Übergangsschicht 5 zu unterdrücken. Daher kann es möglich sein, die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 zu erhalten, die sowohl die Verbesserung der Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 als auch die Sicherstellung der Stromerzeugungsleistung erreicht. Mit anderen Worten kann es gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich sein, die Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 zu verbessern, und es kann möglich sein, die elektrische Stromerzeugungsleistung sicherzustellen. Das Volumenverhältnis des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials in der Übergangsschicht 5 kann unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6, der Sicherstellung des Hohlraums 53 oder ähnlichem vorzugsweise in dem Bereich von 30:70 bis 70:30 liegen, kann besser in dem Bereich von 35:65 bis 65:35 liegen und kann noch besser in dem Bereich von 40:60 bis 60:40 liegen. In der vorliegenden Offenbarung kann des Volumenverhältnis des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials in der Übergangsschicht 5 insbesondere 50:50 sein.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann ein Hohlraumanteil in der Übergangsschicht 5 zum Beispiel in dem Bereich von 10% bis 40% liegen. Gemäß diesem Aufbau kann es möglich sein, die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 zu erhalten, die leicht Sauerstoffgas in die Übergangsschicht 5 diffundiert und bei der eine Stromerzeugungscharakteristik durch das Einführen der Übergangsschicht 5 schwer verringert wird. Es wird angenommen, dass zum Beispiel durch die Ausdehnung und das Zusammenziehen durch einen Wärmezyklus ein Riss in der Übergangsschicht 5 auftritt. Selbst in diesem Fall wird der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 sichergestellt, und es kann möglich sein, des Ergebnis eines Strukturbruchs, wie etwa einen Fall, in dem sich ein Riss zu der Übergangsschicht 5 ausbreitet, insgesamt zu unterdrücken. Der Hohlraumanteil in der Übergangsschicht 5 kann unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung einer Reaktionsaktivität, der Verbesserung einer gasförmigen Diffusionseigenschaft oder ähnlichem vorzugsweise größer oder gleich 15% sein und kann besser größer oder gleich 20% sein. Der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 kann unter dem Gesichtspunkt der Übergangseigenschaft der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6, der Sicherstellung der Festigkeit der Übergangsschicht 5 oder ähnlichem vorzugsweise kleiner oder gleich 35% sein und kann besser kleiner oder gleich 30% sein. Im Übrigen entspricht der Hohlraumanteil in der vorliegenden Offenbarung einem Wert, der aus dem folgenden Ausdruck berechnet wird, nachdem die Rohdichte und die relative Dichte mit dem Verfahren von Archimedes berechnet wurden: Hohlraumanteil = {1 – (Rohdichte/scheinbare Dichte)} × 100.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 wird das Zwischenschichtmaterial durch CeO₂ oder CeO₂-basiertes Oxid, wie etwa eine Festkörperlösung auf Cerdioxidbasis, in der CeO₂ mit einem oder mehreren Elementen dotiert ist, die aus Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca und Ho ausgewählt sind, beispielhaft dargestellt. Ein oder mehrere Arten von CeO₂ oder CeO₂-basiertem Oxid können gleichzeitig verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann als das Zwischenschichtmaterial eine feste Lösung auf Ceriumdioxidbasis, in der CeO₂ mit Gd dotiert ist, verwendet werden.
Ein Perowski-Übergangsmetalloxid oder ähnliches kann beispielhaft als das Kathodenmaterial dargestellt werden. Insbesondere können als das Perowski-Übergangsmetalloxid ein La_xSr_1-xCoO₃-basiertes Oxid, La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃-basiertes Oxid, Sm_xSr_1-xCoO₃-basiertes Oxid oder ähnliche beispielhaft dargestellt werden. Im Übrigen sind 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 erfüllt. Ein oder mehrere Arten von Perowski-Übergangsmetalloxiden können gleichzeitig verwendet werden. in der vorliegenden Ausführungsformkann kann insbesondere La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃-basiertes Oxid (x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1) als des Kathodenmaterial verwendet werden.
Im Übrigen können das Zwischenschichtmaterial und das Kathodenmaterial solange geeignet kombiniert werden, solange eine Mikrostruktur der Übergangsschicht 5 ausgebildet werden kann und der folgende Ausdruck erfüllt ist: „der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Zwischenschichtmaterials” < „der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Kathodenmaterials”. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient wird in einem Bereich von 25 Grad Celsius bis 900 Grad Celsius in Übereinstimmung mit JIS R1618 gemessen. Im Übrigen kann das gleiche Zwischenschichtmaterial in der Zwischenschicht 4 und der Übergangsschicht 5 verwendet werden. Alternativ kann des Zwischenschichtmaterial mit verschiedenen Zusammensetzungen in der Zwischenschicht 4 und der Übergangsschicht 5 verwendet werden. Ähnlich kann das gleiche Kathodenmaterial in der Kathode 6 und der Übergangsschicht 5 verwendet werden. Alternativ kann des Kathodenmaterial mit verschiedenen Zusammensetzungen in der Kathode 6 und der Übergangsschicht 5 verwendet werden.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 wird nachstehend ein Beispiel für das feste Elektrolytschichtmaterial und das Anodenmaterial erklärt.
Als das feste Elektrolytschichtmaterial können unter dem Gesichtspunkt hervorragender Festigkeit und thermischer Stabilität vorzugsweise Zirkoniumoxid-basierte Oxide, wie etwa Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (ScSZ) oder ähnliches verwendet werden. Als das feste Elektrolytschichtmaterial kann unter dem Gesichtspunkt der Ionenleitfähigkeit, der mechanischen Stabilität, der Koexistenz mit anderen Materialien, der chemischen Stabilität gegenüber einer Luftatmosphäre bis zu einer Brennstoffgasatmosphäre vorzugsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) verwendet werden. Insbesondere kann in der vorliegenden Ausführungsform Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid als das feste Elektrolytschichtmaterial verwendet werden.
Zum Beispiel kann eine Mischung aus einem Katalysator, wie etwa Ni, NiO und dem festen Elektrolyten, wie etwa Zirkoniumoxid-basiertem Oxid beispielhaft als ein Anodenmaterial dargestellt werden. Im Übrigen wird NiO in einer Reduktionsatmosphäre zur Zeit der Stromerzeugung Ni. Insbesondere kann in der vorliegenden Ausführungsform die Mischung aus Ni oder NiO und Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid für das Anodenmaterial verwendet werden.
In der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann die Dicke der festen Elektrolytschicht 3 unter dem Gesichtspunkt der Verringerung des ohmschen Widerstands vorzugsweise 3 bis 20 Mikrometer sein und kann besser 5 bis 15 Mikrometer sein. Die Dicke der Anode 2 kann unter dem Gesichtspunkt der gasförmigen Diffusion, des elektrischen Widerstands und der Festigkeit vorzugsweise 100 bis 800 Mikrometer sein und kann besser 200 bis 700 Mikrometer sein. Die Dicke der Kathode 6 kann unter dem Gesichtspunkt einer gasförmigen Diffusionseigenschaft, einer Reaktionsbeständigkeit der Elektrode und einer Stromsammeleigenschaft vorzugsweise 20 bis 100 Mikrometer sein und kann besser 30 bis 80 Mikrometer sein. Die Dicke der Zwischenschicht 4 kann unter dem Gesichtspunkt der Verringerung des ohmschein Widerstands und der Unterdrückung der Elementdiffusion von der Kathode vorzugsweise 1 bis 20 Mikrometer sein und kann besser 5 bis 15 Mikrometer sein. Die Dicke der Übergangsschicht 5 kann unter dem Gesichtspunkt der Sicherstellung der ausreichenden Länge des Netzwerkabschnitts 5 und der leichten Sicherstellung der Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 vorzugsweise größer oder gleich 2 Mikrometer sein, kann besser größer oder gleich 5 Mikrometer sein und kann noch besser größer oder gleich 10 Mikrometer sein. Die Dicke der Übergangsschicht 5 kann von einem Abnahmewinkel der Materialwiderstandskomponente der Übergangsschicht 5 vorzugsweise kleiner oder gleich 20 Mikrometer sein, kann besser kleiner oder gleich 15 Mikrometer sein und kann noch besser kleiner oder gleich 10 Mikrometer sein. In der vorliegenden Ausführungsform kann insbesondere die Dicke der festen Elektrolytschicht 3 10 Mikrometer sein, die Dicke der Anode 2 kann 500 Mikrometer sein, die Dicke der Kathode 6 kann 60 Mikrometer sein, die Dicke der Zwischenschicht 4 kann 10 Mikrometer sein und die Dicke der Übergangsschicht 5 kann 10 Mikrometer sein.
Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann zum Beispiel in dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Es sollte bemerkt werden, dass die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 auf eine andere Weise hergestellt werden kann.
Im Übrigen wird ein Keramiksubstrat, in dem die Anode 2, die feste Elektrolytschicht 3 und die Zwischenschicht 4 in dieser Reihenfolge gestapelt sind, hergestellt. Das Keramiksubstrat kann zum Beispiel durch ein Schichtbildungsverfahren hergestellt werden.
Anschließend wird durch ein Siebdruckverfahren eine Übergangsschicht-Ausbildungspaste auf die Oberfläche der Zwischenschicht 4 in dem hergestellten Keramiksubstrat in Schichten aufgebracht und wird gebrannt. Die Übergangsschicht-Ausbildungspaste kann zum Beispiel das Zwischenschichtmaterial, das Kathodenmaterial und ein Bindemittel umfassen. In der vorliegenden Ausführungsform kann insbesondere das Ceriumoxid, das mit Gd dotiert ist, als das Zwischenschichtmaterial ausgewählt werden, und La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃-basiertes Oxid (x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1) kann als das Kathodenmaterial ausgewählt werden. Die Übergangsschicht-Ausbildungspaste kann pastös hergestellt werden, indem nach dem Mischen des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials zum Beispiel in dem Volumenverhältnis 50:50 das Bindemittel zugesetzt wird. Als eine Brenntemperatur wird eine Temperatur ausgewählt, bei der das Einschnüren des Zwischenschichtmaterials fortschreitet und das Kathodenmaterial die flüssige Phase bildet. Folglich wird der Netzwerkabschnitt 51, der durch die Einschnürungsbildung des Zwischenschichtmaterials die dreidimensionale Netzwerkstruktur erzeugt, ausgebildet. Gleichzeitig benetzt das Kathodenmaterial, das die flüssige Phase annimmt, die Oberfläche des Netzwerkabschnitts 51 und verbreitet sich dort, und der Abdeckabschnitt 52, der die Oberfläche des Netzwerkabschnitts 51 bedeckt, wird ausgebildet. Der Hohlraum 53 wird ebenfalls ausgebildet. Insbesondere kann das Brennen zum Beispiel bei 1200 Grad Celsius erfolgen. Zu der Zeit des Kühlens nach dem Hochtemperaturbrennen kann ein Riss an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht 4 und der Übergangsschicht 5 und an der Grenzfläche zwischen der Kathode 6 und der Übergangsschicht 5 wirksam unterdrückt werden.
Anschließend wird durch ein Siebdruckverfahren eine Kathoden-Ausbildungspaste auf die Oberfläche der Übergangsschicht 5, die in Schichten ausgebildet wurde, aufgebracht und wird gebrannt insbesondere kann die Brenntemperatur zum Beispiel 1000 Grad sein. Folglich kann die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 erhalten werden.
(Zweite Ausführungsform)
Eine Brennstoffzelleneinheitszelle 1 einer zweiten Ausführungsform wird unter Bezug auf 4 erklärt. Im Übrigen stellen die Symbole und Zahlen, die mit der vorstehenden Ausführungsform identisch sind, wenn nicht besonders erwähnt, zwischen der zweiten Ausführungsform und der folgenden Ausführungsform einen der vorstehenden Ausführungsform ähnlichen Aufbau dar.
Wie in 4 beispielhaft dargestellt, hat die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 der zweiten Ausführungsform mehrere Übergangsschichten 5. In der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Übergangsschichten 5 zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 gestapelt. Im Übrigen zeigt die vorlegende Ausführungsform die zwei Schichten der Übergangsschichten 5. Jede Anzahl der Übergangsschichten 5 kann bereitgestellt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform haben die Übergangsschicht 5, die auf einer Seite der Zwischenschicht 4 (auf die auch als eine Zwischenschichtseite Bezug genommen wird) angeordnet ist, und die Übergangsschicht 5, die auf einer Seite der Kathode 6 angeordnet ist (auf die auch als eine Kathodenseite Bezug genommen wird) wechselseitig verschiedene Hohlraumanteile. Insbesondere ist der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 der Zwischenschichtseite kleiner als der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 der Kathodenseite. Das heißt, in der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 nimmt der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 zu, da die Übergangsschicht 5 nahe an der Kathodenseite angeordnet ist, in der vorliegenden Ausführungsform ist der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 auf der Zwischenschichtseite zum Beispiel gleich 20% und der Hohlraumanteil der Übergangsschicht 5 der Kathodenseite ist gleich 40%.
Der Hohlraumanteil kann zum Beispiel durch Ändern des Volumenverhältnisses des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials, die in der Übergangsschicht 5 enthalten sind, eingestellt werden. in der vorliegenden Ausführungsform ist ein Volumenprozentsatz (Vol-%) des Zwischenmaterials, das in der Übergangsschicht 5 der Kathodenseite enthalten ist, kleiner als ein Volumenprozentsatz (Vol-%) des Zwischenmaterials, das in der Übergangsschicht 5 der Zwischenschichtseite enthalten ist. Ein Volumenprozentsatz (Vol-%) des Kathodenmaterials, das in der Übergangsschicht 5 der Zwischenschichtseite enthalten ist, ist kleiner als ein Volumenprozentsatz (Vol-%) des Kathodenmaterials, das in der Übergangsschicht 5 der Kathoden enthalten ist. Insbesondere kann in der vorliegenden Ausführungsform das Volumenverhältnis des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials in der Übergangsschicht 5 der Zwischenschichtseite 50:50 sein. Das Volumenverhältnis des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials in der Übergangsschicht 5 der Kathodenseite kann 30:70 sein. Ein anderer Aufbau ist ähnlich der ersten Ausführungsform.
Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 kann zum Beispiel auf die folgende Weise hergestellt werden. Es sollte bemerkt werden, dass die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 auf eine andere Weise hergestellt werden kann.
Zunächst wird gemäß dem vorstehenden Verfahren der ersten Ausführungsform ein Keramiksubstrat mit der Übergansschicht hergestellt.
Anschließend wird durch ein Siebdruckverfahren eine andere Übergangsschicht-Ausbildungspaste auf die Oberfläche der Übergangsschicht 5 in dem hergestellten Keramiksubstrat mit der Übergangsschicht in Schichten aufgebracht und wird gebrannt. Die andere Übergangsschicht-Ausbildungspaste kann durch Zusetzen des Bindemittels nach dem Mischen des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials zum Beispiel in dem Volumenverhältnis 30:70 pastös gemacht werden. Hier ist das Zwischenschichtmaterial Ceriumoxid, das mit Gd dotiert ist, und das Kathodenmaterial ist La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃-basiertes Oxid (x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1). Insbesondere kann die Brenntemperatur zum Beispiel 1180 Grad Celsius betragen. Im Übrigen ist die Brenntemperatur im Vergleich zu der Temperatur, zu der die früher hergestellte Übergangsschicht (auf die auch als eine erste Übergangsschicht Bezug genommen wird) erzeugt wird, verringert, da der Einfluss auf die Mikrostruktur der früher hergestellten Übergangsschicht verringert wird. Folglich wird eine zweite Übergangsschicht 5 (die einer anderen Übergangsschicht entspricht) hergestellt.
Anschließend wird ähnlich der ersten Ausführungsform die Kathode 6 auf der Oberfläche der zweiten Übergangsschicht 5 ausgebildet. Folglich kann die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 mit mehreren Übergangsschichten 5 erhalten werden. Die mehreren Übergangsschichten 5 haben verschiedene Hohlraumanteile.
Die Brennstoffzelleneinheitszelle 1 der vorliegenden Ausführungsform hat mehrere Übergangsschichten 5. Wenn zum Beispiel der Volumenprozentsatz des Zwischenschichtmaterials und des Kathodenmaterials, die in jeder Übergangsschicht enthalten sind, geändert werden, kann es möglich sein, die Freiheit in der Einstellung des Hohlraumanteils jeder Übergangsschicht zu verbessern.
Daher kann es durch Festlegen des Hohlraumanteils der Übergangsschicht 5 der Kathodenseite, der größer als der der Übergangsschicht 5 der Zwischenschichtseite ist, möglich sein, das Drei-Phasen-Grenzflächenfeld der Übergangsschicht 5 der Kathode 6 in der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 zu vergrößern. Folglich kann es möglich sein, die Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht 4 und der Kathode 6 zu verbessern und die Reaktionsaktivität zu verbessern. Es sollte bemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung ähnliche Wirkungen wie die erste Ausführungsform hat.
(Beispiel)
(Materialherstellung)
NiO-Pulver (mittlere Partikelgröße 1,0 Mikrometer), 8YSZ-Pulver (mittlere Partikelgröße: 0,8 Mikrometer), Kohlenstoff (ein Hohlraumbildungsmittel), Polyvinylbutyral (organisches Material) und Isoamylacetat, 2-Butanol und Ethanol (ein gemischtes Lösungsmittel) werden in einer Kugelmühle vermischt, um einen dünnen Brei herzustellen. Das Massenverhältnis von NiO-Pulver und 8YSZ-Pulver ist 60:40. Der dünne Brei wird mit einem Rakelverfahren in Schichten auf ein Kunststoffsubstrat beschichtet und getrocknet, um eine Anodenbildungslage herzustellen. Im Übrigen entspricht die mittlere Partikelgröße einer Partikelgröße (Durchmesser) d50, wenn die kumulative Frequenzverteilung in einer Volumenbasis, die durch ein Laserbeugungs-Streuverfahren gemessen wird, 50% zeigt (hier nachstehend dasselbe).
Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxidpulver (mittlere Partikelgröße 0,8 Mikrometer) mit 8 Mol-% Y₂O₃, Polyvinylbutyral (organisches Material) und Isoamylacetat, 2-Butanol und Ethanol (gemischtes Lösungsmittel) werden mit einer Kugelmühle vermischt, um einen dünnen Brei herzustellen. Der dünne Brei wird mit einem Rakelverfahren in Schichten auf ein Kunststoffsubstrat beschichtet und getrocknet, um eine Ausbildungslage für eine feste Elektrolytschicht herzustellen. Auf Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxidpulver mit 8 Mol-% Y₂O₃ kann als 8YSZ Bezug genommen werden.
Ceriumoxid-Pulver (mittlere Partikelgröße 0,8 Mikrometer), das mit 10 Mol-% Gd dotiert ist, Polyvinylbutyral (organisches Material) und Isoamylacetat, 2-Butanol und Ethanol (gemischtes Lösungsmittel) werden mit einer Kugelmühle vermischt, um einen dünnen Brei herzustellen. Der dünne Brei wird mit einem Rakelverfahren in Schichten auf ein Kunststoffsubstrat beschichtet und getrocknet, um eine Ausbildungslage für eine Zwischenschicht herzustellen. Auf Ceriumoxid-Pulver, das mit 10 Mol-% Gd dotiert ist, kann als 10GDC Bezug genommen werden.
La_0,6Sr_0,4Co_0,2Fe_0,8O₃-Pulver (mittlere Partikelgröße 0,6 Mikrometer), 10GDC-Pulver (mittlere Partikelgröße 0,8 Mikrometer), Ethylzellulose (organisches Material) und Terpineol (Lösungsmittel) werden mit einer Kugelmühle vermischt, um eine Übergangsschicht-Ausbildungspaste herzustellen. Auf La_0,6Sr_0,4Co_0,2Fe_0,8O₃ kann als LSCF Bezug genommen werden.
Das LSCF-Pulver (mittlere Partikelgröße: 0,6 Mikrometer), Ethylzellulose (organisches Material) und Terpineol (Lösungsmittel) werden mit einer Kugelmühle vermischt, um eine Kathoden-Ausbildungspaste herzustellen.
(Herstellung der Brennstoffzelleneinheitszelle)
Die Anodenausbildungslage, die Ausbildungslage für die feste Elektrolytschicht und die Zwischenschicht-Ausbildungslage werden in dieser Reihenfolge gestapelt und das geschichtete Produkt wird erhalten. Das erhaltene geschichtete Produkt wird durch Druck mit einem hydrostatischen Druckpressform-(CIP-)Verfahren pressverbunden und wird entfettet. Im Übrigen wird ein CIP-Formen unter der Bedingung einer Druckkraft von 50 MPa für eine Druckzeit von 10 Minuten bei einer Temperatur von 80 Grad Celsius durchgeführt.
Das geschichtete Produkt wird 2 Stunden lang bei 1350 Grad Celsius gebrannt. Folglich wird ein Sinterkörper, in dem die Anode (500 Mikrometer), die feste Elektrolytschicht (10 Mikrometer) und die Zwischenschicht (10 Mikrometer) in dieser Reihenfolge gestapelt sind, erhalten.
Anschließend wird die Übergangsschicht-Ausbildungspaste mittels Siebdrucken auf die Oberfläche der Zwischenschicht des Sinterkörpers aufgebracht. Die Übergangsschicht (10 Mikrometer Dicke) wird durch 30 Minuten langes Härten bei 1200 Grad Celsius ausgebildet.
Anschließend wird die Kathoden-Ausbildungspaste mittels Siebdrucken auf die Oberfläche der Übergangsschicht des Sinterkörpers aufgebracht. Die Kathode (60 Mikrometer Dicke) in Schichten wird durch 2 Stunden langes Härten bei 1000 Grad Celsius ausgebildet. Im Übrigen wird die Kathode ausgebildet, so dass sie den Ausbildungsbereich der Übergangsschicht perfekt überlappt. Auf diese Weise wird die Brennstoffzelleneinheitszelle einer Probe 1, in der die Anode, die feste Elektrolytschicht, die Zwischenschicht, die Übergangsschicht und die Kathode in dieser Reihenfolge gestapelt und wechselseitig miteinander verbunden sind, erhalten. Die Brennstoffzelleneinheitszelle hat die Anode als Basismaterial.
Wie in 5 gezeigt, umfasst die Übergangsschicht 5 in der Brennstoffzelleneinheitszelle 1 der Probe 1 den Netzwerkabschnitt 51, der aus dem Zwischenschichtmaterial hergestellt ist und die dreidimensionale Netzwerkstruktur bereitstellt, den Abdeckabschnitt 52, der aus dem Kathodenmaterial hergestellt ist und die Oberfläche des Netzwerkabschnitts 51 bedeckt, und den Hohlraum 53. Die Übergangsschicht 5 in der Brennstoffzelle der Probe 1 erfüllt den folgenden Ausdruck: Lc > 2L. Die Abdeckung des Abdeckabschnitts 52 beträgt 74%. Der Prozentsatz der gesamten Summe der Länge des Netzwerkabschnitts 51, der an der Grenzfläche gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Zwischenschicht 4 ist 32%. Der Prozentsatz der gesamten Summe der Länge des Abschnitts des Abdeckabschnitts 52 an der Grenzfläche, der gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht 5 und der Kathode 6 ist 44%.
Eine andere Brennstoffzelleneinheitszelle der Probe 1C als ein Vergleichsbeispiel wird, abgesehen von der Bildung einer Kathode auf der Oberfläche einer Zwischenschicht ohne die Bildung einer Übergangsschicht, auf eine ähnliche Herstellungsweise wie die Brennstoffzelleneinheitszelle der Probe 1 erhalten. In der Probe 1C gibt es keine Übergangsschicht. Abgesehen von diesem Punkt wird die Probe 1C durch das gleiche Verfahren wie die Probe 1 hergestellt.
(Bandabschältest)
Zellophanband (hergestellt von NICHIBAN, 24 mm Breite) wird mit einer Fingerkuppe fest auf die Kathode der Brennstoffzelleneinheitszelle jeder Probe gedrückt und geklebt und der Haftzustand wird geprüft. Dann wird das vordere Ende des Zellophanbands eingeklemmt und das Zellophanband wird in einem Moment abgezogen, während ein Winkel von 45 Grad gehalten wird. Im Übrigen wird in diesem Test die Größe jeder Übergangsschicht und der Kathode auf einen Durchmesser von 8 mm festgelegt. Gemäß diesem Test gab es für die Probe 1 kein Abziehen. Im Gegensatz dazu schält sich für die Probe 1C etwa 20% der gesamten Fläche der Kathode ab. Somit hat dies gezeigt, dass die Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht und der Kathode in der Probe 1 durch die Übergansschicht verbessert wird.
(Messung des ohmschen Widerstands)
Die Brennstoffzelleneinheitszelle jeder Probe wird in einer SOFC-Testvorrichtung (hergestellt von der CHINO Corp.) aufgenommen. Die Anode wird unter einer Reduziergasbedingung, die 4% H₂–96% N₂ bei 800 Grad Celsius ist, reduziert. Die Wechselstromimpedanz wird bei 700 Grad Celsius gemessen, und es wird ein Cole-Cole-Diagramm erzeugt. Insbesondere wird die Realkomponente der Impedanz auf die x-Achse gebracht. Die Imaginärkomponente wird auf die y-Achse gebracht. Die Wechselstromimpedanz bei der Frequenz von 1 MHz bis 10 mHz wird gezeichnet. Auf diesem Diagramm wird ein Wert in dem Abschnitt, in dem ein Spektrum die x-Achse das erste Mal schneidet, als ohmscher Widerstand gelesen. Angesichts von Messschwankungen wurden die Tests mit N = 5 wiederholt durchgeführt und der Durchschnitt wurde berechnet. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, dass die Probe 1 den ohmschen Widerstand von 0,14 Ω hat und die Probe 1C den ohmschen Widerstand von 0,21 Ω hat. Folglich wird die Verringerung des ohmschen Widerstands durch die Ausbildung der Übergangsschicht bestätigt.
Wie vorstehend beschrieben, wird bestätigt, dass die Übergangseigenschaft zwischen der Zwischenschicht und der Kathode verbessert wird, indem die Übergangsschicht ausgebildet wird, und dass der ohmsche Widerstand verringert wird, indem die Übergangseigenschaft bei hoher Temperatur gut gehalten wird.
Während die Ausführungsformen, die Aufbauten, die Aspekte der Brennstoffzelleneinheitszelle beispielhaft beschrieben wurden, sollte zu schätzen gewusst werden, dass Ausführungsformen, Aufbauten, Aspekte der vorliegenden Offenbarung nicht auf die jeweiligen Ausführungsformen, die jeweiligen Aufbauten und die jeweiligen Aspekte, die vorstehend beschrieben sind, beschränkt sind. Zum Beispiel sind Ausführungsformen, Aufbauten, Aspekte, die durch geeignetes Kombinieren technischer Teile, die in verschiedenen Ausführungsformen, Aufbauten und Aspekten offenbart sind, in einem Bereich von Ausführungsformen, Aufbauten und Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2015-88284 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS R1618 [0032]

Claims

Brennstoffzelleneinheitszelle, die umfasst: eine Anode (2); eine feste Elektrolytschicht (3); eine Zwischenschicht (4); eine Übergangsschicht (5); und eine Kathode (6), de in dieser Reihenfolge gestapelt sind, wobei: die Übergangsschicht umfasst: einen Netzwerkabschnitt (51), der aus Material der Zwischenschicht hergestellt ist und eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildet; einen Abdeckabschnitt (52), der aus Material der Kathode hergestellt ist und eine Oberfläche des Netzwerkabschnitts bedeckt, und einen Hohlraum (53); und wobei ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Zwischenschicht kleiner als ein linearer Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Kathode ist.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß Anspruch 1, wobei: Lc eine mittlere Verbindungslänge des Netzwerkabschnitts ist; L eine mittlere Dicke der Übergangsschicht ist; und in einem Querschnitt vertikal zu einer Schichtoberfläche der Übergangsschicht Lc > 2L erfüllt ist.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: eine Abdeckung des Abdeckabschnitts in einem Querschnitt vertikal zu einer Schichtoberfläche der Übergangsschicht in einem Bereich von 60% bis 90% liegt.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–3, wobei ein Prozentsatz einer gesamten Summenlänge des Netzwerkabschnitts, der in einer Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Zwischenschicht gesintert ist, in Bezug auf eine Gesamtlänge der Grenzfläche in einem Querschnitt vertikal zu einer Schichtoberfläche der Übergangsschicht in einem Bereich von 20% bis 70% liegt.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–4, wobei ein Prozentsatz einer gesamten Summenlänge des Abdeckabschnitts, der in einer Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Kathode gesintert ist, in Bezug auf eine Gesamtlänge der Grenzfläche in einem Querschnitt vertikal zu einer Schichtoberfläche der Übergangsschicht in einem Bereich von 20% bis 70% liegt.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–5, wobei: ein Volumenverhältnis des Materials der Zwischenschicht zu dem Material der Kathode in der Übergangsschicht in einem Bereich von 25:75 bis 75:25 liegt.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–6, wobei: die Übergangsschicht durch eine einzelne Schicht bereitgestellt ist.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1–6, die ferner umfasst: eine andere Übergangsschicht, die auf die Übergangsschicht gestapelt ist.
Brennstoffzelleneinheitszelle gemäß Anspruch 5, wobei: in dem Querschnitt vertikal zu der Schichtoberfläche der Übergangsschicht: die Abdeckung des Abdeckabschnitts 70% beträgt; der Prozentsatz der gesamten Summenlänge des Netzwerkabschnitts, der in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Zwischenschicht gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Zwischenschicht 35% beträgt; und der Prozentsatz der gesamten Summenlänge des Abdeckabschnitts, der in der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Kathode gesintert ist, in Bezug auf die Gesamtlänge der Grenzfläche zwischen der Übergangsschicht und der Kathode 35% beträgt.