DE102016119741A1

DE102016119741A1 - Brennstoffzellenelement und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016119741A1
Application number: DE102016119741.6A
Authority: DE
Inventors: Takuma Hitomi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: DE102016119741B4; JP2017107662A; JP6519460B2

Abstract

Ein Brennstoffzellenelement (1) umfasst eine Zelle (2) in einer flachen plattenförmigen Gestalt mit einer Anode (20), einer Festelektrolytschicht (21) sowie einer Kathode (22), und einen Rahmen aus Metall (3), der die Zelle lagert. Die Anode umfasst eine Diffusionsschicht (201) mit Poren, welche Brenngas (F), das der Diffusionsschicht zugeführt wird, in der Diffusionsschicht diffundiert, sowie eine aktive Schicht (202), in welcher eine Anodenreaktion auftritt, die zwischen der Diffusionsschicht und der Festelektrolytschicht angeordnet ist. Die Diffusionsschicht hat Hauptgaskanäle (201a), wobei die Hauptgaskanäle einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht, und die mit der aktiven Schicht in Kontakt stehen. Die Hauptgaskanäle verlaufen derart durch die Diffusionsschicht, dass sie eine Außenfläche der Diffusionsschicht erreichen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Brennstoffzellenelement und einen Brennstoffzellenstapel.
Ein Brennstoffzellenelement in Form einer flachen Platte mit einer Anode, einer Festelektrolytschicht und einer Kathode, sowie ein Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellenelementen über Separatoren gestapelt sind, sind bekannt.
Die JP 2005-322595 A offenbart eine Brennstoffzelle, in der eine Mehrzahl von Gaszufuhrkanälen und Gasausstoßkanälen in einem aus einem porösen Material bestehenden Separator angeordnet sind. Die JP 2005-322595 A offenbart, dass der Separator Nässe bzw. Feuchtigkeit absorbiert, die an einer Elektrode erzeugt wird, um zu verhindern, dass die Elektrode durch die Feuchtigkeit blockiert wird.
Bei der in der JP 2005-322595 A offenbarten Brennstoffzelle wird jedoch, da der Separator die Feuchtigkeit absorbiert, ein anderer Prozess benötigt, um die vom Separator absorbierte Nässe bzw. Feuchtigkeit auszustoßen bzw. auszutragen. Darüber hinaus behindert die von der Elektrode zum Gaszufuhrkanal fließende Feuchtigkeit die Zufuhr von Brenngas zur Anode. Selbst wenn die in der vorstehend genannten JP 2005-322595 A offenbarte Technologie bei einer Brennstoffzelle mit einer Festelektrolytschicht Anwendung findet, ist es schwierig, Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf, der in der Zelle erzeugt wird, effizient aus der Zelle auszutragen. Wenn eine hohe elektrische Leistung erzeugt wird, wird die Menge an Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf erhöht. In diesem Fall ist es noch schwerer, den Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf aus der Zelle auszutragen.
Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Brennstoffzellenelement sowie einen Brennstoffzellenstapel vorzuschlagen, die geeignet sind, um Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf, der in einer Zelle erzeugt wird, effizient aus der Zelle auszutragen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung hat ein Brennstoffzellenelement eine Zelle sowie einen Rahmen. Die Zelle hat eine flache plattenförmige Gestalt und umfasst eine Anode, eine Festelektrolytschicht und eine Kathode. Der Rahmen besteht aus Metall und lagert die Zelle. Die Anode umfasst eine Diffusionsschicht sowie eine aktive Schicht. Die Diffusionsschicht weist eine Mehrzahl von Poren auf und diffundiert Brenngas, das der Diffusionsschicht zugeführt wird, in der Diffusionsschicht. Die aktive Schicht ist zwischen der Diffusionsschicht und der Festelektrolytschicht angeordnet und eine Anodenreaktion tritt in der aktiven Schicht auf. Die Diffusionsschicht hat eine Mehrzahl von Hauptgaskanälen. Ein Durchmesser eines jeden der Hauptgaskanäle größer ist als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht. Die Hauptgaskanäle stehen mit der aktiven Schicht in Kontakt und verlaufen derart durch die Diffusionsschicht, dass sie eine Außenfläche der Diffusionsschicht erreichen.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung hat das Brennstoffzellenelement die Hauptkanäle, die mit der aktiven Schicht in Kontakt stehen und derart durch die Diffusionsschicht verlaufen, dass sie die Außenfläche der Diffusionsschicht erreichen. Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf, der aufgrund der Anodenreaktion in der aktiven Schicht erzeugt wird, gelangt in die Hauptgaskanäle, die mit der aktiven Schicht in Kontakt stehen, fließt in den Hauptgaskanälen und der Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf wird dann von der Außenfläche der Diffusionsschicht aus der Zelle nach außen ausgestoßen bzw. ausgetragen. Daher kann der in der Zelle erzeugte Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf in dem Brennstoffzellenelement effizient aus der Zelle nach außen ausgetragen werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung hat ein Brennstoffzellenstapel ein Brennstoffzellenelement, einen Gaszufuhrport sowie einen Gasausstoßport. Der Gaszufuhrport führt das Brenngas zu und der Gasausstoßport stößt bzw. trägt das Brenngas aus. Die Hauptgaskanäle sind mit dem Gasausstoßport verbunden und sind nicht mit dem Gaszufuhrport verbunden.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung sind die Hauptgaskanäle mit dem Gasausstoßport verbunden, sind aber nicht mit dem Gaszufuhrport verbunden. Der Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf, der in der Zelle erzeugt wird, kann somit nicht zum Gaszufuhrport zurückfließen. Dementsprechend wird in dem Brennstoffzellenstapel frisches Brenngas, das vom Gaszufuhrport zugeführt wird, kontinuierlich der Anode des Brennstoffzellenelements zugeführt, und der Wasserdampf, der von den Hauptgaskanälen aus der Zelle ausgetragen wird, wird kontinuierlich und effizient durch den Gasausstoßport ausgestoßen.
Die vorstehend erläuterte sowie weiter Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Anmeldung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung deutlicher verständlich, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
1 eine Darstellung, die schematisch einen Querschnitt eines Brennstoffzellenelements gemäß einer ersten Ausführungsform sowie eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt;
2 einen Querschnitt entlang einer Linie II-II in 1;
3 einen Querschnitt entlang einer Linie III-III in 1;
4 eine Darstellung, die schematisch einen Querschnitt eines Brennstoffzellenelements gemäß einer zweiten Ausführungsform sowie eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt;
5 einen Querschnitt entlang einer Linie V-V in 4;
6 einen Querschnitt entlang einer Linie VI-VI in 4;
7 eine Darstellung, die schematisch einen Teil eines Querschnitts eines Brennstoffzellenelements gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt; und
8 eine Darstellung, die schematisch einen Teil eines Querschnitts eines Brennstoffzellenelements gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
(Erste Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenelement gemäß einer ersten Ausführungsform wird Bezug nehmend auf die 1 bis 3 beschrieben. Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, hat das Brennstoffzellenelement 1 der ersten Ausführungsform eine Zelle 2 und einen Rahmen 3. Die Zelle 2 hat die Form einer flachen Platte. Die Zelle 2 hat eine Anode 20, eine Festelektrolytschicht 21 und eine Kathode 22. Der Rahmen 3 lagert die Zelle 2. Eine Brennstoffzelle mit einem Festoxid-Keramikmaterial als Material für das Festelektrolyt der Festelektrolytschicht 21 wird als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) bezeichnet.
Die Zelle 2 kann ferner eine Zwischenschicht 23 zwischen der Festelektrolytschicht 21 und der Kathode 22 umfassen. Die Zwischenschicht 23 unterbindet eine Reaktion zwischen einem Material der Festelektrolytschicht 21 und einem Material der Kathode 22. Insbesondere sind in der Zelle 2 der ersten Ausführungsform die Anode 20, die Festelektrolytschicht 21, die Zwischenschicht 23 und die Kathode 22 in dieser Reihenfolge gestapelt und miteinander verbunden. Beispielsweise ist die Zelle 2 eine anodengelagerte Zelle, bei welcher die Anode 20, die eine Elektrode darstellt, als Tragelement dient. In diesem Fall ist es, da die Dicke der Anode 20 ausreichend größer ist als die der anderen Schichten, leichter, Hauptgaskanäle 201a auszubilden, wie später beschrieben wird. In jeder der Zeichnungen ist ein Beispiel, bei welchem die äußere Form der Zelle 2 quadratisch ist, dargestellt. Die Zelle 2 kann eine andere Form, beispielsweise eine runde Form haben.
Der Rahmen 3 besteht aus Metall. In der vorliegenden Anmeldung umfasst das Metall ein Mischmetall. Dementsprechend umfasst das Brennstoffzellenelement 1 die Zelle 2 aus Keramik und den Rahmen 3 aus Metall. Das Brennstoffzellenelement 1 hat sowohl die Eigenschaften eines Keramikmaterials als auch eines Metallmaterials. Da das Brennstoffzellenelement 1 das Metallmaterial umfasst, kann das Brennstoffzellenelement 1 flexibler beim Herstellungsprozess gebrannt werden als ein Brennstoffzellenelement, das nur aus Keramik besteht, und ein Material, das eine bessere Strom- bzw. Leistungserzeugungseigenschaft hat, wird für das Brennstoffzellenelement 1 verwendet. Beispielsweise ist das Metall, das den Rahmen 3 bildet, ein Edelstahl wie ein Ferrit-Edelstahl oder eine ferritartige, wärmebeständige Chromlegierung. Der Rahmen 3 ist insbesondere am Umfang der Anode 20 angeordnet.
Die Anode 20 hat eine Diffusionsschicht 201 sowie eine aktive Schicht 202. Die Diffusionsschicht 201 hat mehrere Poren. Die Diffusionsschicht 201 diffundiert bzw. verteilt das zugeführte Brenngas F in der Oberfläche der Schicht. Die aktive Schicht 202 ist zwischen der Diffusionsschicht 201 und der Festelektrolytschicht 21 angeordnet. In der aktiven Schicht 202 tritt eine Anodenreaktion auf. Die Diffusionsschicht 201 und die aktive Schicht 202 sind miteinander verbunden.
In der ersten Ausführungsform dient die Diffusionsschicht 201 der Anode 20 als das Tragelement. Eine Dicke der Diffusionsschicht 201 ist größer als eine Dicke der aktiven Schicht 202. Ein Umfang der Diffusionsschicht 201 der Anode 20 wird durch den Rahmen 3 getragen. In 1 ist ein Beispiel, bei welchem Seitenflächen der Festelektrolytschicht 21 und Seitenflächen der aktiven Schicht 22 durch ein Dichtungsmaterial 4 bedeckt sind, dargestellt. Das Dichtungsmaterial 4 ist beispielsweise eine Glasdichtung. In dem Brennstoffzellenelement 1 verhindert das Dichtungsmaterial 4 eine Querleckage des Brenngases F, das der Anode 20 zugeführt wird, und des Oxidationsgases (nicht dargestellt), das der Kathode 22 zugeführt wird. Das Brenngas F umfasst beispielsweise Wasserstoff, Kohlenwasserstoff und dergleichen. Das Oxidationsgas umfasst beispielsweise Sauerstoff, Luft und dergleichen. Das Dichtungsmaterial 4 ist teilweise mit dem Rahmen 3 in Kontakt.
In den 2 und 3 sind der Rahmen 3 und das Dichtungsmaterial 4 nicht abgebildet.
Die Diffusionsschicht 201 hat eine Mehrzahl von Hauptgaskanälen 201a. Ein Durchmesser eines jeden Hauptgaskanals 201a ist größer als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht 201. Da der Durchmesser eines jeden Hauptgaskanals 201a größer als der Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht 201 ist, unterscheiden sich die Poren der porösen Diffusionsschicht 201 vom Hauptgaskanal 201a. Wenn ein Querschnitt der Anode 20 unter einen Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachtet wird, kann bestätigt werden, dass der Durchmesser eines jeden Hauptgaskanals 201a größer ist als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht 201.
Die Hauptgaskanäle 201a stehen mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt und verlaufen derart durch die Diffusionsschicht 201, dass sie eine Außenfläche der Diffusionsschicht 201 erreichen. Beispielsweise umfasst die Außenfläche der Diffusionsschicht 201 eine Eingangs- bzw. Zugangsfläche 201c sowie eine Austrag- bzw. Ausgangsfläche 201d. Brenngas F gelangt durch die Eingangsfläche 201c in die Zelle 2. Das Brenngas F wird von der Ausgangsfläche 201d aus der Zelle 2 ausgestoßen. Bei der ersten Ausführungsform werden die Öffnungen 201b der Hauptgaskanäle 201a durch die Ausgangsfläche 201d der Außenfläche der Diffusionsschicht 201 ausgebildet. In diesem Fall wird das Brenngas F, das in die Eingangsfläche 201c der Diffusionsschicht 201 gelangt, in der Diffusionsschicht 201 verteilt und der aktiven Schicht 202 zugeführt. Das in der Anodenreaktion in der aktiven Schicht 202 nicht verbrauchte Brenngas F strömt hauptsächlich entlang der Hauptgaskanäle 201a und wird von den Öffnungen 201b ausgestoßen, die in der Ausgangsfläche 201d der Diffusionsschicht 201 ausgebildet sind.
Wenn elektrische Leistung bzw. Strom in den Brennstoffzellenelement 1 erzeugt wird, strömt Brenngas F in eine Strömungsrichtung hin zu den Öffnungen 201b in den Hauptgaskanälen 201a. Wasser- bzw. Feuchtigkeitsdampf (der nicht dargestellt ist), der in der aktiven Schicht 202 durch die Anodenreaktion erzeugt wird, gelangt in die Hauptgaskanäle 201a, die mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt stehen. Der Wasserdampf strömt dann entlang der Strömungsrichtung des Brenngases F in Richtung zu den Öffnungen 201b und wird von den Öffnungen 201b, die in der Ausgangsfläche 201d der Diffusionsschicht 201 ausgebildet sind, aus der Zelle 2 ausgestoßen. In diesem Fall wird verhindert, dass der in der Zelle 2 erzeugter Wasserdampf gegen die Strömungsrichtung des Brenngases F strömt. Daher wird bei dem Brennstoffzellenelement 1 der ersten Ausführungsform der in der Zelle 2 erzeugte Wasserdampf effizient aus der Zelle 2 ausgetragen.
Die Außenfläche der Diffusionsschicht 201 umfasst Lagerflächen (EN: bedding surfaces), die einander gegenüberliegen, sowie Seitenflächen, die senkrecht zu den Lagerflächen sind. Eine der Lagerflächen der Diffusionsschicht 201, die der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegt, ist als erste Lagerfläche definiert. In der vorliegenden Anmeldung entspricht die erste Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 der Eingangsfläche 201c des Brenngases F. Ein Teil einer der Seitenflächen der Diffusionsschicht 201 entspricht der Ausgangsfläche 201d des Brenngases F. In diesem Fall steht, wenn das Brennstoffzellenelement 1 gestapelt ist, die erste Lagerfläche der Diffusionsschicht 1 mit einem Gaszufuhrport 51 in Verbindung, von welchem das Brenngas zugeführt wird, und die eine der Seitenflächen der Diffusionsschicht 201 steht mit einem Gasausstoßport 52 in Verbindung, von welchem das Brenngas F ausgestoßen bzw. ausgetragen wird. Somit ist die Erzeugung eines Differentialdrucks zwischen der ersten Lagerfläche und der Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 wahrscheinlich. Dementsprechend ermöglicht die Strömung des Brenngases F, die durch den Differentialdruck erzeugt wird, dass Wasserdampf, der in der Zelle 2 erzeugt wird, effizienter aus der Zelle 2 nach außen ausgetragen wird.
Bei der ersten Ausführungsform ist die äußere Gestalt der Zelle 2 quadratisch. Die Diffusionsschicht 201 hat vier Seitenflächen, und eine der vier Seitenflächen entspricht der Ausgangsfläche 201d des Brenngases F. Die übrigen drei Seitenflächen unterscheiden sich von der Eingangsfläche 201c und der Ausgangsfläche 201d. In der ersten Ausführungsform ist beispielsweise, wenn das Brennstoffzellenelement 1 gestapelt ist, ein Separator (nicht dargestellt) bezüglich der Diffusionsschicht 201 der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegend angeordnet. Brenngas F, das vom Gaszufuhrport 51 zugeführt wird, gelangt über einen Gaszufuhrkanal 510 zur Eingangsfläche 201c.
Die Hauptgaskanäle 201a sind beispielsweise voneinander beabstandet und entlang einer Ebene der Anode 20 angeordnet. Das bedeutet: die Hauptgaskanäle 201a sind parallel zur Ebene der Anode 20 angeordnet. In diesem Fall werden die Öffnungen 201b der Hauptgaskanäle 201a leicht in der Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 ausgebildet. Daher entspricht bei dem Brennstoffzellenelement 1 die erste Lagerfläche der Diffusionsschicht 201, die der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegt, der Eingangsfläche 201c, und der Teil der Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 entspricht der Ausgangsfläche 201d der Diffusionsschicht 201. Die Hauptgaskanäle 201a, die entlang der Fläche der Anode 20 angeordnet sind, können beispielsweise unter Verwendung einer sich auflösenden Paste, die sich beim Brennen auflöst, und durch Entfernen der sich auflösenden Paste beim Brennen der Anode 20 ausgebildet werden. Dementsprechend können bei der ersten Ausführungsform die Hauptgaskanäle 201a leicht in dem Brennstoffzellenelement 1 ausgebildet werden.
Bei der ersten Ausführungsform steht eine der Flächen der Hauptgaskanäle 201a entlang einer Längsrichtung und angrenzend an die Festelektrolytschicht 21 mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt. Der andere Endabschnitt des Hauptgaskanals 201a, der der Öffnung 201b gegenüberliegt, ist innerhalb der Diffusionsschicht 201 angeordnet.
Jeder der Hauptgaskanäle 201a ist linear ausgebildet. In diesem Fall ist der Strömungswiderstand des Wasserdampfes kleiner als der eines Hauptgaskanals, der nicht linear ausgebildet ist, und die Austragung des Wasserdampfes aus der Zelle 2 wird verbessert. Dementsprechend wird in der Zelle 2 erzeugter Wasserdampf effizient aus der Zelle 2 ausgetragen.
Bei der vorstehend beschriebenen Situation ist der durchschnittliche Krümmungsgrad des Hauptgaskanals 201a in einem Bereich von 1,0 bis 2,0. In diesem Fall wird das Austragen von Wasserdampf aus der Zelle 2 nach außen sicher verbessert. Der durchschnittliche Krümmungsgrad des Hauptgaskanals 201a ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 1,8, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 1,7, insbesondere gleich oder kleiner als 1,6 und ganz besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 1,5.
Der durchschnittliche Krümmungsgrad des Hauptgaskanals 201a wird anhand von Parametern berechnet, die durch Betrachten eines Querschnitts parallel zu der Richtung, entlang welcher der Hauptgaskanal 201 ausgebildet ist, mittels eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops (FE-REM) erhalten werden. Der durchschnittliche Krümmungsgrad ist ein Mittelwert der Krümmungsgrade eines jeden Hauptgaskanals 201a, der anhand der folgenden Gleichung ermittelt wird:
Krümmungsgrad des Hauptgaskanals 201a = (Länge einer Mittellinie, welche die Mitte des Hauptgaskanals 201a verbindet)/(Länge eines Teils der Anode 20, in welcher der Hauptgaskanal 201a ausgebildet ist, entlang der Richtung in welche der Hauptgaskanal 201a verläuft).
Die Breite des Hauptgaskanals 201a ist, hinsichtlich der Austragleistung für Wasserdampf und der Möglichkeit zur Ausbildung der Kanäle, vorzugsweise gleich oder größer als 20 μm, besonders bevorzugt gleich oder größer als 100 μm, und ganz besonders bevorzugt gleich oder größer als 400 μm. Die Breite des Hauptgaskanals 201a ist, hinsichtlich der Festigkeit der Anode 20, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1500 μm, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 800 μm und ganz besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 500 μm. Ein Abstand zwischen den Hauptgaskanälen 201a ist, hinsichtlich einer Beschränkung der Abnahme der Festigkeit, die durch kurze Abstände zwischen den Kanälen verursacht werden, und zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses, vorzugsweise gleich oder größer als 20 μm, besonders bevorzugt gleich oder größer als 100 μm und ganz besonders bevorzugt gleich oder größer als 400 μm.
Der Abstand zwischen den Hauptgaskanälen 201a ist, hinsichtlich der gleichmäßigen Austragung von Wasserdampf in der Anodenfläche, vorzugsweise gleich oder kleiner als 1000 μm, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 800 μm und ganz besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 500 μm.
Die Diffusionsschicht 201 kann einen Nebengaskanal 201e umfassen. Ein Durchmesser des Nebengaskanals 201e ist größer als der Durchmesser einer jeden Pore. Der Nebengaskanal 201e schneidet den Hauptgaskanal 201a nicht. In diesem Fall wird das Brenngas F, das der Diffusionsschicht 201 zugeführt wird, nicht nur durch die Poren der Diffusionsschicht 201 sondern auch durch den Nebengaskanal 201e in der Diffusionsschicht 201 verteilt. Dementsprechend wird das Brenngas F einheitlicher in der Diffusionsschicht 201 verteilt, und eine unausgewogene Stromerzeugungsleistung in dem Brennstoffzellenelement 1 wird verhindert. In der ersten Ausführungsform ist ein Beispiel, bei welchem der Nebengaskanal 201e nicht mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt steht und nicht derart durch die Diffusionsschicht 201 ausgestaltet ist, dass er die Außenseite erreicht, dargestellt.
Es kann nur ein Nebengaskanal 201e oder eine Mehrzahl von Nebengaskanälen 201e vorgesehen sein. Wenn mehrere Nebengaskanäle 201e angeordnet sind, wird das Brenngas F in der Diffusionsschicht 201 einheitlicher verteilt. Der Nebengaskanal 201e kann eine lineare Gestalt haben. In diesem Fall ist ein Strömungswiderstand des Brenngases kleiner als bei einem Nebengaskanal 201e der nicht linear ausgestaltet ist, und das Brenngas F wird noch einheitlicher in der Diffusionsschicht 201 verteilt.
In der vorliegenden Anmeldung hat die Diffusionsschicht 201 mehrere Nebengaskanäle 201e und die mehreren Nebengaskanäle 201e sind voneinander beabstandet. Der Nebengaskanal 201e und der Hauptgaskanal 201a schneiden einander in unterschiedlichen Ebenen. Insbesondere ist der Nebengaskanal 201e in einer anderen Ebene als der Ebene angeordnet, in welcher der Hauptgaskanal 201a angeordnet ist. Der Nebengaskanal 201e ist senkrecht zum Hauptgaskanal 201a angeordnet. Breitenbereiche und Abstände der Nebengaskanäle 201e sind ähnlich zu denen der Hauptgaskanäle 201a.
In dem Brennstoffzellenelement 1 wird hinsichtlich der Festigkeit und thermischen Beständigkeit ein Oxidprodukt aus Zirkonoxid, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid (ScSZ) und dergleichen für die Festelektrolytschicht 21 verwendet. Hinsichtlich der Ionenleitfähigkeit, mechanischen Festigkeit, Kompatibilität mit anderen Materialien, chemischen Beständigkeit in Luft und der Umgebung von Brenngas ist das Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid bevorzugt. In der ersten Ausführungsform wird beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid für die Festelektrolytschicht 21 verwendet.
Eine Dicke der Festelektrolytschicht 21 liegt hinsichtlich einer Abnahme des Ohm'schen Widerstandes vorzugsweise in einem Bereich von 3 bis 20 μm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 8 μm. Beispielsweise ist in der ersten Ausführungsform die Dicke der Festelektrolytschicht 21 4 μm.
In dem Brennstoffzellenelement 1 kann beispielsweise eine Mischung eines Katalysators wie Ni, NiO und dergleichen und eines Festelektrolyts wie das Oxidprodukt aus Zirkonoxid als Diffusionsschicht 201 und aktive Schicht 202 verwendet werden. NiO wird in einer reduzierenden Atmosphäre während der Leistungserzeugung zu Ni reduziert. In der ersten Ausführungsform wird beispielsweise eine Mischung aus Ni oder NiO und Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid für die Diffusionsschicht 201 und die aktive Schicht 202 verwendet.
Eine Dicke der Diffusionsschicht 201 ist hinsichtlich der Festigkeit als Tragelement vorzugsweise gleich oder größer als 100 μm, besonders bevorzugt gleich oder größer als 200 μm, und ganz besonders bevorzugt gleich oder größer als 300 μm. Die Dicke der Diffusionsschicht 201 ist hinsichtlich der Leistung zur Diffusion von Gas vorzugsweise gleich oder kleiner als 800 μm, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 700 μm. Eine Dicke der aktiven Schicht 202 ist hinsichtlich einer kontinuierlichen Reaktion, leichten Handhabung und leichten Bearbeitung vorzugsweise gleich oder größer als 10 μm, besonders bevorzugt gleich oder größer als 15 μm. Die Dicke der Diffusionsschicht 201 ist hinsichtlich der Verringerung des Reaktionswiderstandes der Elektrodenreaktion vorzugsweise gleich oder kleiner als 30 μm, besonders bevorzugt gleich oder kleiner als 25 μm. Beispielsweise ist die Dicke der Diffusionsschicht bei der ersten Ausführungsform 400 μm und die Dicke der aktiven Schicht 202 25 μm.
In dem Brennstoffzellenelement 1 wird ein Oxidprodukt aus Ceroxid als Zwischenschicht 23 verwendet. Das Oxidprodukt aus Ceroxid ist CeO₂ oder eine feste Lösung aus Cer, in welcher CeO₂ mit einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus der Gruppe umfassend Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca und Ho dotiert ist. Nur ein Stoff oder zwei oder mehrere Stoffe ausgewählt aus diesen Stoffen können verwendet werden. Beispielsweise wird bei der ersten Ausführungsform eine feste Lösung aus Ceroxid, bei welcher CeO₂ mit Gd dotiert ist, als Zwischenschicht 23 verwendet.
Eine Dicke der Zwischenschicht 23 ist hinsichtlich der Verringerung des Ohm'schen Widerstandes und einer Beschränkung der elementaren Diffusion von der Kathode vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 20 μm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 5 μm. Beispielsweise ist die Dicke der Zwischenschicht 23 3 μm.
In dem Brennstoffzellenelement 1 wird beispielsweise ein perowskitartiges Oxid eines Übergangsmetalls als Kathode 22 verwendet. Das perowskitartige Oxid eines Übergangsmaterials ist ein Oxid von La_xSr_1-xCoO₃, ein Oxid aus La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃ oder Sm_xSr_1-xCoO₃, (in welchem gilt: 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1). Nur ein Stoffe oder zwei oder mehr Stoffe ausgewählt aus diesen Stoffen können verwendet werden. Beispielsweise wird in der ersten Ausführungsform ein Oxid aus La_xSr_1-xCo_yFe_1-yO₃ (in welchem gilt: 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1) verwendet.
Eine Dicke der Kathode 22 ist hinsichtlich der Gasdiffusionsleistung, des Reaktionswiderstandes der Elektrodenreaktion und der Stromsammelleistung vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 100 μm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 80 μm. Beispielsweise ist in der ersten Ausführungsform die Dicke der Kathode 22 bis 50 μm.
Das Brennstoffzellenelement 1 umfasst die Hauptgaskanäle 201a, die mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt stehen und durch die Diffusionsschicht 201 verlaufen, so dass sie die Außenfläche der Diffusionsschicht 201 erreichen. Wasserdampf, der durch die Anodenreaktion in der aktiven Schicht 202 erzeugt wird, gelangt in die Hauptgaskanäle 201a, die mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt stehen, fließt in den Hauptgaskanälen 201a und dann wird der Wasserdampf von der Außenfläche der Diffusionsschicht 201 aus der Zelle 2 ausgetragen. Als Ergebnis wird bei dem Brennstoffzellenelement 1 der ersten Ausführungsform der in der Zelle 2 erzeugte Feuchtigkeits- bzw. Wasserdampf effizient aus der Zelle 2 ausgetragen.
(Zweite Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenelement gemäß einer zweiten Ausführungsform wird bezugnehmend auf die 4 bis 6 beschrieben. Sofern nicht anders angeführt, bezeichnen Bezugszeichen, die in den nachfolgenden Ausführungsformen verwendet werden und gleich denjenigen Bezugszeichen sind, die bereits in den vorstehenden Ausführungsformen verwendet wurden, gleiche Elemente wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Wie in den 4 bis 6 dargestellt ist, entspricht bei dem Brennstoffzellenelement 1 der zweiten Ausführungsform ein Teil einer der Seitenflächen der Diffusionsschicht 201 der Eingangsfläche 201c. Eine der Lagerflächen der Diffusionsschicht 201, welche der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegt (d. h. die erste Lagerfläche) entspricht der Ausgangsfläche 201d des Brenngases F. Die Öffnungen 201b der Hauptgaskanäle 201a liegen in der Ausgangsfläche 201d.
Wenn das Brennstoffzellenelement 1 gestapelt wird, ist die Seitenfläche der Gasdiffusionsschicht 201 mit dem Gaszufuhrport 51 verbunden, und die erste Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 ist mit dem Gasausstoßport 52 verbunden. Somit wird eine Konzentrationsdifferenz bzw. ein Konzentrationsgefälle des Wasserdampfes zwischen den Abschnitten der Hauptgaskanäle 201a, die mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt stehen, und den Öffnungen 201b der Hauptgaskanäle 201a erzeugt. In den Abschnitten der Hauptgaskanäle 201a, die mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt stehen, wird allmählich Wasserdampf erzeugt, und die Konzentration des Wasserdampfes nimmt zu. Im Gegensatz hierzu wird der Wasserdampf aus den Öffnungen 201b der Hauptgaskanäle 201a zum Gasausstoßport 52 ausgetragen, und die Konzentration des Wasserdampfs ist kontinuierlich niedrig.
Als Ergebnis wird der in der Zelle 2 erzeugte Wasserdampf effektiver aus der Zelle 2 ausgetragen, da das Konzentrationsgefälle des Wasserdampfes zusätzlich zur Strömung des Brenngases F vorliegt, das in eine Richtung hin zu den Öffnungen 201b fließt. Da zudem der Wasserdampf in eine Richtung entlang der Dicke der Anode 20 strömt, ist die Strecke, über welche der Wasserdampf fließt, kürzer als bei dem Fall, bei welchem der Wasserdampf in eine Richtung entlang der Fläche der Anode 20 fließt. Als Ergebnis wird der Wasserdampf effektiver aus der Zelle 2 ausgestoßen.
In der zweiten Ausführungsform ist die äußere Gestalt der Zelle 2 quadratisch. Die Diffusionsschicht 201 hat vier Seitenflächen, und eine der vier Seitenflächen entspricht der Eingangsfläche 201c des Brenngases F. Die verbleibenden drei Seitenflächen unterscheiden sich von der Seitenfläche 201c und der Ausgangsfläche 201d. In der zweiten Ausführungsform gelangt Brenngas F zur Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 durch einen Hohlraum 41, der zwischen dem Dichtungsmaterial 4 und dem Rahmen 3 liegt.
Die Hauptgaskanäle 201a sind insbesondere in die Richtung entlang der Dicke der Anode 20 und beabstandet zueinander angeordnet. Das bedeutet: die Hauptgaskanäle 201a sind senkrecht zur Ebene der Anode 20. In diesem Fall ist es einfacher, die Öffnungen 201b in der ersten Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 auszubilden. Dementsprechend ist in dem Brennstoffzellenelement 1 der Teil des Endabschnitts der Diffusionsschicht 201 als Eingangsfläche 201c definiert, und die eine Lagerfläche der Diffusionsschicht 201, die der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegt, ist als Ausgangsfläche 201d definiert.
Die Hauptgaskanäle 201a, die in die Richtung entlang der Dicke der Anode 20 angeordnet sind, werden beispielsweise durch Schichten und Brennen mehrerer Bahnen (nicht dargestellt) zum Ausbilden der Diffusionsschicht ausgebildet. Die mehreren Bahnen umfassen Öffnungen, welche durch diese Bahnen in eine Richtung senkrecht zur Dicke der Bahnen gehen. Die Öffnungen sind an Stellen angeordnet, welche den Nebengaskanälen 201e entsprechen, und die mehreren Bahnen enthalten eine sich auflösende Paste, die in die Durchgangsöffnungen gefüllt ist und nach dem Brennen verschwindet bzw. sich auflöst.
Bei der ersten Ausführungsform steht ein Endabschnitt eines jeden Hauptgaskanals 201a angrenzend an die Festelektrolytschicht 21 mit der aktiven Schicht 202 in Kontakt, und der andere Endabschnitt eines jeden Hauptgaskanals 201a, welcher der Festelektrolytschicht 21 gegenüberliegt, steht mit der ersten Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 in Kontakt.
Ähnlich zur ersten Ausführungsform kann die Diffusionsschicht 201 den Nebengaskanal 201e umfassen. Der Durchmesser des Nebengaskanals 201e ist größer als der Durchmesser der Poren. Der Nebengaskanal 201e schneidet den Hauptgaskanal 201a nicht. Der Nebengaskanal 201e ist in der Nähe der aktiven Schicht 202 in der Diffusionsschicht 201 ausgebildet. In einem derartigen Fall wird das Brenngas F, das der Diffusionsschicht 201 zugeführt wird, einheitlich in der Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 in der Nähe der aktiven Schicht 202 verteilt. Insbesondere ist eine Schicht mit Poren vorzugsweise zwischen dem Nebengaskanal 201e und der aktiven Schicht 202 angeordnet. Als Ergebnis wird das Brenngas F nicht direkt vom Nebengaskanal 201e zur aktiven Schicht 202 verteilt. Das Brenngas F wird der aktiven Schicht 202 zugeführt, nachdem das Brenngas F zuverlässig in der Schicht mit den Poren diffundiert bzw. verteilt wurde. In einem solchen Fall wird eine unausgewogene Stromerzeugungsleistung in der Zelle 2 des Brennstoffzellenelements 1 verhindert. Der übrige Aufbau sowie die Effekte der zweiten Ausführungsform sind ähnlich zu jenen der ersten Ausführungsform.
(Dritte Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenelement gemäß einer dritten Ausführungsform wird Bezug nehmend auf 7 beschrieben.
Wie in 7 gezeigt ist, hat das Brennstoffzellenelement 1 der dritten Ausführungsform eine dichte Schicht 201f an einer Wandfläche des Hauptgaskanals 201a. Die dichte Schicht 201f ist dichter als der Teil der Diffusionsschicht 201, in welchem die Poren ausgebildet sind. In einem solchen Fall wird, da Wasserdampf, der im Hauptgaskanal 201a strömt, weniger wahrscheinlich in den Poren der Diffusionsschicht 201 absorbiert wird, die Austragleitung für den Wasserdampf verbessert.
Insbesondere ist in der dritten Ausführungsform die Porosität der dichten Schicht 201f niedriger als die Porosität des Teils der Diffusionsschicht 201, in welchem die Poren ausgebildet sind. In diesem Fall werden die vorstehend beschriebenen Effekte zuverlässig erzielt. Insbesondere ist die dichte Schicht 201f an der Wandfläche des Hauptgaskanals 201a angrenzend an die Diffusionsschicht 201 ausgebildet. Die Porosität wird erhalten, indem der Querschnitt eines Abschnitts, der durch ein Ionenmahlverfahren bearbeitet und 10.000-fach vergrößert wurde, mittels eines REM betrachtet wird. Die Porosität wird durch die Formel {(Bereich der Poren)/(Bereich des Abschnitts)} × 100 berechnet.
Die dichte Schicht 201f wird ausgebildet, indem ein Sinteradditiv in die sich auflösende Paste hinzugefügt wird, die verwendet wird, um den Hauptgaskanal 201a auszubilden, und der Teil der Diffusionsschicht 201 um die Wandfläche des Hauptgaskanals 201a stärker als der übrige Teil der Diffusionsschicht 201 gesintert wird. Beispielsweise kann ein Nanopulver des Festelektrolytmaterials, das in der Diffusionsschicht 201 verwendet wird, als Sinteradditiv verwendet werden. Der übrige Aufbau sowie die Effekte der dritten Ausführungsform sind ähnlich zu denen der ersten Ausführungsform.
(Vierte Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenelement gemäß einer vierten Ausführungsform wird Bezug nehmend auf 8 beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, hat das Brennstoffzellenelement 1 der vierten Ausführungsform eine dichte Schicht 201f an einer Wandfläche des Hauptgaskanals 201a. Die dichte Schicht 201f ist dichter als der Teil der Diffusionsschicht 201, in welchem die Poren ausgebildet sind. In einem solchen Fall wird, da Wasserdampf, der im Hauptgaskanal 201a strömt, weniger wahrscheinlich in den Poren der Diffusionsschicht 201 absorbiert wird, die Austragleitung für den Wasserdampf verbessert
Insbesondere ist bei der vierten Ausführungsform die Porosität der dichten Schicht 201f niedriger als die Porosität des Teils der Diffusionsschicht 201, in welchem die Poren ausgebildet sind. In diesem Fall werden die vorstehend beschriebenen Effekte zuverlässig erzielt. Insbesondere ist die dichte Schicht 201f an der Wandfläche des Hauptgaskanals 201a angrenzend an die Diffusionsschicht 201 ausgebildet.
Die dichte Schicht 201f wird ausgebildet, indem ein Sinteradditiv in die sich auflösende Paste hinzugefügt wird, die verwendet wird, um den Hauptgaskanal 201a auszubilden, und der Teil der Diffusionsschicht 201 um die Wandfläche des Hauptgaskanals 201a stärker als der übrige Teil der Diffusionsschicht 201 gesintert wird. Beispielsweise kann ein Nanopulver des Festelektrolytmaterials, das in der Diffusionsschicht 201 verwendet wird, als Sinteradditiv verwendet werden. Der übrige Aufbau und die Effekte der vierten Ausführungsform sind ähnlich zu jenen der zweiten Ausführungsform.
(Fünfte Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenstapel gemäß einer fünften Ausführungsform wird Bezug nehmend auf 1 beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 5 ein Brennstoffzellenelement 1, den Gaszufuhrport 51, der Brenngas F zuführt, sowie den Gasausstoßport 52, der Brenngas ausstößt bzw. austrägt. Bei der fünften Ausführungsform wird das Brennstoffzellenelement 1 der ersten Ausführungsform verwendet.
Die Hauptgaskanäle 201a des Brennstoffzellenelements 1 sind mit dem Gasausstoßport 52 verbunden. Wie in 1 gezeigt ist, sind die Hauptgaskanäle 201a räumlich mit dem Gasausstoßport 52 verbunden, ohne durch die Poren der porösen Diffusionsschicht 201 zu gehen. Dagegen sind die Hauptgaskanäle 201a des Brennstoffzellenelements 1 nicht mit dem Gaszufuhrport 51 verbunden. Genauer gesagt sind, wie in 1 gezeigt ist, die Hauptgaskanäle 201a räumlich mit dem Gaszufuhrport 51 durch die Poren der porösen Diffusionsschicht 201 verbunden. Da jedoch die Verbindung nicht geeignet ist, um Wasserdampf aus der Zelle 2 auszutragen, gelten die Hauptgaskanäle 201a als nicht mit dem Gaszufuhrport 51 verbunden.
In dem Brennstoffzellenstapel 5 wird Wasserdampf bzw. Feuchtigkeitsdampf, der in der Zelle 2 erzeugt wird, daran gehindert, zum Gaszufuhrport 51 zurückzufließen. Dementsprechend wird bei dem Brennstoffzellenstapel 5 kontinuierlich frisches Brenngas F, das vom Gaszufuhrport 51 zugeführt wird, der Anode 20 des Brennstoffzellenelements 1 zugeführt, und der Wasserdampf, der von den Hauptgaskanälen 201a aus der Zelle 2 ausgetragen wird, wird kontinuierlich und effizient durch den Gasausstoßport 52 ausgestoßen. Im Ergebnis erreicht der Brennstoffzellenstapel 5 eine hohe Leistung bei der Erzeugung elektrischer Leistung, selbst wenn aufgrund der Erzeugung der hohen elektrischen Leistung eine große Menge an Wasserdampf erzeugt wird.
Beispielsweise sind im Brennstoffzellenstapel 5 mehrere Brennstoffzellenelemente 1 über Separatoren (nicht dargestellt) gestapelt. Die Separatoren bestehen aus Metall. Das Metall der Separatoren ist beispielsweise Edelstahl wie ein Ferrit-Edelstahl oder eine ferritartige, wärmebeständige Chromlegierung.
Der Gaszufuhrkanal 510 und der Gasaustragkanal 520 sind in einem Freiraum zwischen dem Rahmen 3 und dem Separator ausgebildet, der angrenzend an die Anode 20 des Brennstoffzellenelements 1 angeordnet ist. Das Brenngas F, das vom Gaszufuhrport 51 zugeführt wird, strömt durch den Gaszufuhrkanal 510. Wasserdampf und Brenngas F, das vom Hauptgaskanal 210a ausgestoßen wird, strömen durch den Gasaustragkanal 520. In der fünften Ausführungsform steht der Gaszufuhrkanal 510 mit der ersten Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 in Kontakt. Der Gasaustragkanal 520 steht mit der Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 in Kontakt, durch welche die Hauptgaskanäle 201a verlaufen. Der Brennstoffzellenstapel 5 kann in einem Freiraum zwischen dem Rahmen 3 und dem Separator, der angrenzend an die Anode 20 des Brennstoffzellenelements 1 angeordnet ist, einen anderen Kanal (nicht dargestellt) umfassen, in welchem Oxidationsgas strömt.
(Sechste Ausführungsform)
Ein Brennstoffzellenstapel gemäß der sechsten Ausführungsform wird Bezug nehmend auf 4 beschrieben. Wie in 4 gezeigt ist, unterscheidet sich der Brennstoffzellenstapel 5 der sechsten Ausführungsform vom Brennstoffzellenstapel 5 der fünften Ausführungsform darin, dass das Brennstoffzellenelement 1 der zweiten Ausführungsform im Brennstoffzellenstapel 5 der sechsten Ausführungsform verwendet wird. Zudem unterscheidet sich der Brennstoffzellenstapel 5 der sechsten Ausführungsform vom Brennstoffzellenstapel 5 der fünften Ausführungsform darin, dass der Gasaustragkanal 520 mit der ersten Lagerfläche der Diffusionsschicht 201 in Kontakt steht, und der Gaszufuhrkanal 510 mit der Seitenfläche der Diffusionsschicht 201 in Kontakt steht, durch welche die Hauptgaskanäle 201a verlaufen. Der übrige Aufbau sowie die Effekte der sechsten Ausführungsform sind ähnlich zu jenen der fünften Ausführungsform.
(Experimente)
Nachfolgend werden Experimente im Detail beschrieben.
<Brennstoffzellenelement gemäß Probe 1>
(Vorbereitung)
Ein Pulver aus NiO (durchschnittliche Partikelgröße von 1,0 μm), ein Pulver aus 8YSZ (durchschnittliche Partikelgröße von 0,5 μm), Kohlenstoff (der als Porenbildungsmittel fungiert), Polyvinylbutyral, Isoamylacetat und 1-Butanol werden in einer Kugelmühle vermischt, um einen Brei zu bilden. Das Masseverhältnis des NiO-Pulvers und des 8YSZ-Pulvers ist 65 zu 35. Der Brei wird unter Verwendung eines Rakels in einer Schicht auf eine Harzbahn aufgebracht. Nachdem der Brei getrocknet ist, wird die Harzbahn abgezogen, um eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn A zu erhalten, die quadratisch ist. Eine Dicke der Diffusionsschicht-Bildungsbahn A ist 110 μm. In der nachfolgenden Beschreibung ist die vorstehend genannte durchschnittliche Partikelgröße eine Partikelgröße d50 (d. h. ein Durchmesser) an einem Punkt einer kumulativen Häufigkeitsverteilung, die 50% entspricht. Die kumulative Häufigkeitsverteilung basiert auf einem Volumen, das durch ein Laserbeugungs- und Streuungsverfahren gemessen wird.
Acrylperlen, Ethylzellulose, Terpineol, ein Dispergiermittel, ein Verlaufmittel und ein Absetzverhütungsmittel werden in einem Planetenmischer verruhrt und in einer Dreiwalzenmühle vermischt, um eine sich auflösende Paste zu erhalten. Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn A wird auf eine Fläche einer schwach haftenden Bahn aufgebracht. Die sich auflösende Paste wird unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens in einem Muster aufgebracht. Das Druckmuster ist ein lineares Muster, das 71 Linien der Paste umfasst, die gleichmäßig beabstandet sind. Das Druckmuster ist ein Muster zum Ausbilden der Nebenkanäle. Eine Breite einer jeden Linie der Paste ist 0,1 μm, und ein Abstand zwischen den Linien ist 1,0 μm, wobei die Dicke der Linie 55 μm ist. Beide Endabschnitte einer jeden Linie der Paste stehen nicht mit der Seitenfläche der Diffusionsschicht-Bildungsbahn A in Kontakt.
Nachdem die Linien der Paste getrocknet sind, wird die schwach haftende Bahn abgezogen, um eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn B zu erhalten.
Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn A wird auf eine Fläche einer schwach haftenden Bahn aufgebracht. Die sich auflösende Paste wird unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens in einem Muster aufgebracht wird. Das Druckmuster ist ein lineares Muster das 71 Linien der Paste umfasst, die gleichmäßig beabstandet sind. Eine Breite einer jeden Linie der Paste ist 0,1 μm, und ein Abstand zwischen den Linien ist 1,0 μm, wobei die Dicke der Linie 55 μm ist. Ein Endabschnitt einer jeden Linie der Paste steht nicht mit der Seitenfläche der Diffusionsschicht-Bildungsbahn A in Kontakt. Der andere Endabschnitt einer jeden Linie der Paste steht mit der gegenüberliegenden Seitenfläche der Diffusionsschicht-Bildungsbahn A in Kontakt. Nachdem die Linien der Paste getrocknet sind, wird die schwach haftende Bahn abgezogen, um eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn C zu erhalten.
Ein Pulver aus NiO (durchschnittliche Partikelgröße 1,0 μm), ein Pulver von 8YSZ (durchschnittliche Partikelgröße von 0,2 μm), Kohlenstoff, Polyvinylbutyral, Isoamylacetat und 1-Butanol (Mischlösungsmittel) werden in einer Kugelmühle vermischt, um einen Brei zu bilden. Das Masseverhältnis des NiO-Pulvers und des 8YSZ-Pulvers ist 65 zu 35. Der Brei wird unter Verwendung eines Rakels in einer Schicht auf eine Harzbahn aufgebracht. Nachdem der Brei getrocknet ist, wird die Harzbahn abgezogen, um eine Bahn zur Ausbildung der aktiven Schicht zu erhalten, die quadratisch ist. Eine Dicke der Bahn zur Ausbildung der aktiven Schicht A ist 30 μm. Die Menge an Kohlenstoff der Bahn zur Ausbildung der aktiven Schicht ist niedriger als die Menge an Kohlenstoff der Diffusionsschicht-Bildungsbahn A.
Ein Pulver aus 8YSZ (durchschnittliche Partikelgröße von 0,5 μm), Polyvinylbutyral, Isoamylacetat und 1-Butanol werden in einer Kugelmühle gemischt, um einen Brei auszubilden. Der Brei wird unter Verwendung eines Rakels in einer Schicht auf eine Harzbahn aufgebracht. Nachdem der Brei getrocknet ist, wird die Harzbahn abgezogen, um eine Festelektrolytschicht-Bildungsbahn zu erhalten, die quadratisch ist. Eine Dicke der Festelektrolytschicht-Bildungsbahn ist 30 μm.
Ein Pulver aus CeO₂, das mit 10 Mol-% Gd dotiert ist (10GDC; durchschnittliche Partikelgröße 0,3 μm), Polyvinylbutyral, Isoamylacetat, 2-Butanol und Ethanol werden in einer Kugelmühle gemischt, um einen Brei auszubilden. Der Brei wird unter Verwendung eines Rakels in einer Schicht auf eine Harzbahn aufgebracht. Nachdem der Brei getrocknet ist, wird die Harzbahn abgezogen, um eine Zwischenschicht-Bildungsbahn zu erhalten, die quadratisch ist. Eine Dicke der Zwischenschicht-Bildungsbahn ist 4 μm.
Ein Pulver aus LSC (d. h. La_0,6Sr_0,4CoO; durchschnittliche Partikelgröße von 0,3 μm), Ethylzellulose und Terpineol wird in einer Dreiwalzenmühle gemischt, um eine Kathodenbildungspaste zu erhalten.
Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn A, die Diffusionsschicht-Bildungsbahn B, die Diffusionsschicht-Bildungsbahn C, die Bahn zur Bildung der aktiven Schicht, die Festelektrolytschicht-Bildungsbahn und die Zwischenschicht-Bildungsbahn werden in dieser Reihenfolge gestapelt und mit Druck beaufschlagt und verbunden, um ein gestapeltes Element zu erhalten. Der Endabschnitt der Linien der Paste liegt an einer der vier Seitenflächen der Diffusionsschicht-Bildungsbahn C des laminierten Elements frei. Wenn eine Richtung, in welcher die vorstehend genannten Bahnen gestapelt werden, als Stapelrichtung definiert ist, sind die Diffusionsschicht-Bildungsbahn B und die Diffusionsschicht-Bildungsbahn C derart angeordnet, dass die Linien der Paste der Diffusionsschicht-Bildungsbahn B senkrecht zu den Linien der Paste der Diffusionsschicht-Bildungsbahn C in Stapelrichtung verlaufen. Bei der Druckverbindung wird ein kaltisostatisches Pressverfahren (CIP-Verfahren) verwendet. Das CIP-Verfahren wird bei Bedingungen ausgeführt, bei welchen die Temperatur 80 Grad Celsius, der Druck 50 MPa und die Zeit der Druckbeaufschlagung 10 Minuten ist.
Nach dem Druckverbinden wird das laminierte Element entfernt. Eine Größe des laminierten Elements wird durch Beschneiden des Randabschnitts des laminierten Elements, das mit Druck beaufschlagt und verbunden wurde, eingestellt. Somit kann die Genauigkeit der Größe der erhaltenen Zelle verbessert werden. Wenn ein anderer Endabschnitt der Linien der Paste der Diffusionsschicht-Bildungsbahn C gleichzeitig mit dem Schneiden des Randabschnitts des laminierten Elements beschnitten wird, liegt der Endabschnitt der Linien der Paste zuverlässig an der Seitenfläche der Diffusionsschicht-Bildungsbahn C frei. Somit verlaufen die Hauptgaskanäle zuverlässig derart durch die Diffusionsschicht, dass sie die Seitenfläche erreichen.
Das vorstehend beschriebene laminierte Element wird bei 1350 Grad Celsius für 2 Stunden gebrannt. Als Ergebnis wird ein Sinterelement erhalten, in welchem die Diffusionsschicht (deren Dicke 350 μm ist), die aktive Schicht (deren Dicke 25 μm ist) und die Zwischenschicht (deren Dicke 4,0 μm ist) in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Während dem vorstehend beschriebenen Brennen verschwindet das lineare Muster und die Hauptgaskanäle sowie die Nebengaskanäle werden in der Diffusionsschicht entsprechend dem linearen Muster ausgebildet, wie in 1 gezeigt.
Die Kathodenbildungspaste wird unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens auf eine Fläche der Zwischenschicht des Sinterelements aufgebracht, und bei 950 Grad Celsius für 2 Stunden gebrannt, um eine Kathodenschicht auszubilden (deren Dicke 80 μm ist). Als Ergebnis wird eine Zelle mit einer flachen plattenförmigen Gestalt erhalten.
Der Außenumfang der erhaltenen Zelle wird durch den Rahmen, der aus einem Ferrit-Edelstahl besteht, gelagert. Der Umfang der Festelektrolytschicht und der aktiven Schicht wird vom Dichtungsmaterial bedeckt, das aus einer Glasdichtung besteht, so dass Brenngas nicht in Richtung zur Kathode austreten kann. Als Ergebnis wird das Brennstoffzellenelement gemäß Probe 1 erhalten.
<Brennstoffzellenelement gemäß Probe 2>
Ähnlich zur Probe 1 wird eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn A mit einer Harzbahn vorbereitet. Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn A wird unter Verwendung einer Metallform gelocht, um insgesamt 8100 Öffnungen auszubilden, die in 90 Reihen und 90 Linien angeordnet sind. Die Öffnungen bilden einen Teil der Hauptgaskanäle, die eine lineare Form haben. Ein Durchmesser der Öffnungen ist 100 μm und der Abstand zwischen den Öffnungen ist 1,0 μm.
Die Harzbahn mit den Öffnungen wird abgezogen und eine schwach haftende Bahn wird aufgebracht. Anschließend wird die sich auflösende Paste unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens in die Öffnungen eingebracht und getrocknet. Die schwach haftende Bahn wird abgezogen, um eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn D auszubilden. Eine Dicke der Diffusionsschicht-Bildungsbahn D ist 110 μm.
Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn D wird auf eine Fläche einer schwach haftenden Bahn aufgebracht. Die sich auflösende Paste wird in einem Muster unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens auf eine Fläche der Diffusionsschicht-Bildungsbahn D aufgedruckt. Das Druckmuster ist ein lineares Muster mit 71 Linien der Paste, die gleichmäßig beabstandet sind. Das Druckmuster wird verwendet, um die Nebengaskanäle auszubilden. Die Linien der Paste sind derart angeordnet, dass sie die Öffnungen nicht überlappen. Eine Breite einer jeden Linie der Paste ist 0,1 μm, ein Abstand zwischen den Linien ist 1,0 μm und eine Dicke der Linie ist 55 μm. Beide Endabschnitte einer jeden Linie der Paste stehen nicht mit den Seitenflächen der Diffusionsschicht-Bildungsbahn D in Kontakt. Die schwach haftende Bahn wird abgezogen, um eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn E zu erhalten.
In ähnlicher Weise wie die Diffusionsschicht-Bildungsbahn D wird eine Diffusionsschicht-Bildungsbahn E, deren Dicke 30 μm ist, erzeugt.
Ähnlich wie bei der Probe 1 werden die Bahn zur Ausbildung der aktiven Schicht, die Festelektrolytschicht-Bildungsbahn und die Zwischenschicht-Bildungsbahn vorbereitet.
Die Diffusionsschicht-Bildungsbahn D, die Diffusionsschicht-Bildungsbahn E, die Diffusionsschicht-Bildungsbahn F, die Bahn zur Ausbildung der aktiven Schicht, die Festelektrolytschicht-Bildungsbahn und die Zwischenschicht-Bildungsbahn werden bei Bedingungen, die ähnlich zur Probe 1 sind, in dieser Reihenfolge gestapelt und mit Druck beaufschlagt und verbunden, um ein laminiertes Element zu erhalten. Jede Diffusionsschicht-Bildungsbahn wird gemäß der Positionen der entsprechenden Öffnungen gestapelt.
Das Brennstoffzellenelement von Probe 2 wird auf ähnliche Weise wie bei Probe 1 erhalten. Wie in 4 gezeigt ist, sind in der Diffusionsschicht des Brennstoffzellenelements aus Probe 2 die Hauptgaskanäle und die Nebengaskanäle entsprechend dem Muster der Öffnungen und den linearen Muster der Paste ausgebildet.
<Brennstoffzellenelement gemäß Probe 3>
Das Brennstoffzellenelement von Probe 3 wird ähnlich wie das Brennstoffzellenelement von Probe 1 erhalten, wobei ein Sinteradditiv, d. h. ein Nanopulver aus 8YSZ (durchschnittliche Partikelgröße von 15 nm), zu der sich auflösenden Paste hinzugefügt wird, die zur Ausbildung der Diffusionsschicht-Bildungsbahn C verwendet wird, wenn das Brennstoffzellenelement gemäß Probe 1 ausgebildet wird. Wenn der Querschnitt des Brennstoffzellenelements aus Probe 3 unter dem REM betrachtet wird, kann bestätigt werden, dass die dichte Schicht, die dichter als der Abschnitt der Diffusionsschicht mit den Poren ist, an der Wandfläche des Hauptgaskanals ausgebildet wurde.
<Brennstoffzellenelement gemäß Probe 4>
Das Brennstoffzellenelement gemäß Probe 4 wird auf ähnliche Weise wie das Brennstoffzellenelement aus Probe 2 erhalten, wobei ein Sinteradditiv, d. h. ein Nanopulver aus 8YSZ (durchschnittliche Partikelgröße von 15 nm), zu der sich auflösenden Paste hinzugefügt wird, die in die Öffnungen bei der Ausbildung der Diffusionsschicht-Bildungsbahn D eingefüllt wird, wenn das Brennstoffzellenelement gemäß Probe 2 ausgebildet wird. Wenn der Querschnitt des Brennstoffzellenelements aus Probe 4 unter dem REM betrachtet wird, kann bestätigt werden, dass die dichte Schicht, die dichter ist als der Abschnitt der Diffusionsschicht mit den Poren, an der Wandfläche des Hauptgaskanals ausgebildet ist.
Die vorliegende Anmeldung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsform beschränkt sondern kann auf vielerlei Art und Weise ausgestaltet werden, ohne von der Idee der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Beispielsweise kann bei der fünften Ausführungsform das Brennstoffzellenelement der dritten Ausführungsform anstelle des Brennstoffzellenelements der ersten Ausführungsform verwendet werden. Bei der sechsten Ausführungsform kann das Brennstoffzellenelement der vierten Ausführungsform anstelle des Brennstoffzellenelements der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Obgleich nur ausgewählte beispielhafte Ausführungsformen und Beispiele gewählt wurden, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben, ist für Fachleute klar, dass ausgehend von der vorliegenden Offenbarung verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, der durch die angehängten Ansprüche definiert wird, abzuweichen. Überdies dient die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und der Beispiele der vorliegenden Erfindung nur zum Zwecke der Illustration, nicht jedoch, um die Offenbarung, die durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird, zu beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-322595 A [0003, 0003, 0004, 0004]

Claims

Brennstoffzellenelement (1), aufweisend: eine Zelle (2), die eine flache plattenförmige Gestalt hat und eine Anode (20), eine Festelektrolytschicht (21) und eine Kathode (22) umfasst; und einen Rahmen (3), der aus Metall besteht und die Zelle lagert, wobei: die Anode eine Diffusionsschicht (201) sowie eine aktive Schicht (202) umfasst; die Diffusionsschicht eine Mehrzahl von Poren aufweist und Brenngas (F), das der Diffusionsschicht zugeführt wird, in der Diffusionsschicht diffundiert; die aktive Schicht zwischen der Diffusionsschicht und der Festelektrolytschicht angeordnet ist und eine Anodenreaktion in der aktiven Schicht auftritt; die Diffusionsschicht eine Mehrzahl von Hauptgaskanälen (201a) aufweist; ein Durchmesser eines jeden der Hauptgaskanäle größer ist als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht; die Hauptgaskanäle mit der aktiven Schicht in Kontakt stehen; und die Hauptgaskanäle derart durch die Diffusionsschicht verlaufen, dass sie eine Außenfläche der Diffusionsschicht erreichen.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 1, wobei: die Außenfläche der Diffusionsschicht eine Eingangsfläche (201c) umfasst, der das Brenngas zugeführt wird, sowie eine Ausgangsfläche (201d), von der das Brenngas ausgetragen wird; und die Ausgangsfläche Öffnungen (201b) der Hauptgaskanäle aufweist.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 1, wobei: die Außenfläche der Diffusionsschicht Lagerflächen aufweist, die einander gegenüberliegen, sowie Seitenflächen, die senkrecht zu den Lagerflächen sind; eine der Lagerflächen der Diffusionsschicht, die der Festelektrolytschicht gegenüberliegt, der Eingangsfläche entspricht; und ein Teil einer der Seitenflächen der Diffusionsschicht der Ausgangsfläche entspricht.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 3, wobei: die Hauptgaskanäle separat voneinander in eine Richtung entlang einer Ebene der Anode angeordnet sind.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 3, wobei: die Hauptgaskanäle parallel zu einer Ebene der Anode angeordnet sind; und die Öffnungen der Hauptgaskanäle an einer der Seitenflächen der Diffusionsschicht liegen.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 2, wobei: die Außenfläche der Diffusionsschicht Lagerflächen umfasst, die einander gegenüberliegen, sowie Seitenflächen, die senkrecht zu den Lagerflächen sind; ein Teil einer der Seitenflächen der Diffusionsschicht der Eingangsfläche entspricht; und eine der Lagerflächen der Diffusionsschicht, die der Festelektrolytschicht gegenüberliegt, der Ausgangsfläche entspricht.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 6, wobei: die Hauptgaskanäle separat voneinander entlang einer Dickenrichtung der Anode angeordnet sind.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 6, wobei: die Hauptgaskanäle senkrecht zu einer Ebene der Anode angeordnet sind; und die Öffnungen der Hauptgaskanäle an derjenigen Lagerfläche der Diffusionsschicht liegen, die der Festelektrolytschicht gegenüberliegt.
Brennstoffzellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: jeder der Hauptgaskanäle eine lineare Gestalt hat.
Brennstoffzellenelement nach Anspruch 9, wobei ein durchschnittlicher Krümmungsgrad eines jeden der Hauptgaskanäle in einem Bereich von 1,0 bis 2,0 ist.
Brennstoffzellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Diffusionsschicht ferner Nebengaskanäle (201e) umfasst; ein Durchmesser der Nebengaskanäle größer ist als ein Durchmesser einer jeden Pore der Diffusionsschicht; und die Nebengaskanäle die Hauptgaskanäle nicht schneiden.
Brennstoffzellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei: die Diffusionsschicht ferner eine dichte Schicht (201f) an einer Wandfläche eines jeden der Hauptgaskanäle umfasst; und die dichte Schicht eine Porosität aufweist, die kleiner ist als die Porosität eines Abschnitts der Diffusionsschicht, in welcher die Poren ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel (5), aufweisend: ein Brennstoffzellenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12; einen Gaszufuhrport (51), der das Brenngas zuführt; und einen Gasausstoßport (52), der das Brenngas ausstößt, wobei: die Hauptgaskanäle mit dem Gasausstoßport verbunden sind und nicht mit dem Gaszufuhrport verbunden sind.