DE102017207560A1 - Method for producing a functional layer device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschichtvorrichtung (10), insbesondere einer Brennstoffzellenfunktionsschichtvorrichtung, welche zumindest ein Trägerelement (12), das zumindest im Wesentlichen von einem Forsterit gebildet ist, und zumindest eine an dem Trägerelement (12) angeordnete lanthanhaltige Elektrodenschicht (14), die zumindest im Wesentlichen eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst, wobei das Trägerelement (12) und die Elektrodenschicht (14) co-gesintert werden.
Es wird vorgeschlagen, dass vor einem Sintervorgang eine Schutzschicht (16) zwischen dem Trägerelement (12) und der Elektrodenschicht (14) angeordnet wird, welche dazu vorgesehen ist, während eines Sintervorgangs eine chemische Reaktion zwischen dem Trägerelement (12) und der Elektrodenschicht (14) und/oder eine Interdiffusion zwischen dem Trägerelement (12) und der Elektrodenschicht (14) zumindest weitgehend zu verhindern.
It is proposed that before a sintering process a protective layer (16) is arranged between the carrier element (12) and the electrode layer (14), which is intended to cause a chemical reaction between the carrier element (12) and the electrode layer (14) during a sintering process ) and / or an interdiffusion between the carrier element (12) and the electrode layer (14) to prevent at least substantially.
Description
Stand der TechnikState of the art
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschichtvorrichtung, welche zumindest ein Trägerelement, das zumindest im Wesentlichen von einem Forsterit gebildet ist, und zumindest eine an dem Trägerelement angeordnete lanthanhaltige Elektrodenschicht, das zumindest im Wesentlichen eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst, wobei das Trägerelement und das Elektrodenschicht co-gesintert werden, vorgeschlagen worden.It is already a method for producing a functional layer device, which comprises at least one support element, which is at least substantially formed by a forsterite, and at least one arranged on the support element lanthanum-containing electrode layer having at least substantially a perovskite structure, wherein the support member and the Electrode layer co-sintered have been proposed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschichtvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenfunktionsschichtvorrichtung, welche zumindest ein Trägerelement, das zumindest im Wesentlichen von einem Forsterit gebildet ist, und zumindest eine an dem Trägerelement angeordnete lanthanhaltige Elektrodenschicht, das zumindest im Wesentlichen eine Perowskitstruktur aufweist, umfasst, wobei das Trägerelement und die Elektrodenschicht co-gesintert werden.The invention is based on a method for producing a functional layer device, in particular a fuel cell functional layer device, which comprises at least one carrier element, which is formed at least substantially by a forsterite, and at least one lanthanum-containing electrode layer, which has at least substantially a perovskite structure, arranged on the carrier element wherein the carrier element and the electrode layer are co-sintered.
Es wird vorgeschlagen, dass vor einem Sintervorgang eine Schutzschicht zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht angeordnet wird, welche dazu vorgesehen ist, während eines Sintervorgangs eine chemische Reaktion zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht und/oder eine Interdiffusion zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht zumindest weitgehend zu verhindern.It is proposed that a protective layer is arranged between the carrier element and the electrode layer prior to a sintering process, which is intended to at least substantially increase a chemical reaction between the carrier element and the electrode layer and / or interdiffusion between the carrier element and the electrode layer during a sintering process prevent.
Unter einer „Funktionsschichtvorrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung mit zumindest einer Funktionsschicht oder einem Funktionsschichtpaket verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, Fluide, insbesondere Gase, aufzunehmen und Reaktionen der Gase, beispielsweise mit Ladungsträgern und/oder Ionen, zu fördern, beispielsweise Elektroden von Brennstoffzellen, an denen Reaktionen zwischen Gasen wie H2 und O2, und/oder Ionen wie O2- und/oder freien Elektronen ablaufen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Insbesondere ist die Funktionsschichtvorrichtung als eine Funktionsschicht einer Brennstoffzelle, vorzugsweise einer Festoxidbrennstoffzelle, einer Elektrolysezelle und/oder einer Lambdasonde ausgebildet. Insbesondere weist die Funktionsschichtvorrichtung zwei Elektrodenschichten, welche insbesondere zumindest eine Anodenschicht und zumindest eine Kathodenschicht ausbilden, sowie zumindest ein zwischen der zumindest den Elektrodenschichten, insbesondere zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht, angeordnete Elektrolytschicht auf. Die Funktionsschichtvorrichtung wird zumindest teilweise durch einen Urformprozess, insbesondere durch Drucken und/oder Sintern, hergestellt.A "functional layer device" should in particular be understood to mean a device having at least one functional layer or functional layer packet which is intended to hold fluids, in particular gases, and to promote reactions of the gases, for example with charge carriers and / or ions, for example electrodes of fuel cells in which reactions take place between gases such as H 2 and O 2 , and / or ions such as O 2- and / or free electrons. By "intended" is intended to be understood in particular specially designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. In particular, the functional layer device is designed as a functional layer of a fuel cell, preferably a solid oxide fuel cell, an electrolysis cell and / or a lambda probe. In particular, the functional layer device has two electrode layers, which in particular form at least one anode layer and at least one cathode layer, and at least one electrolyte layer arranged between the at least the electrode layers, in particular between the anode layer and the cathode layer. The functional layer device is at least partially produced by a primary molding process, in particular by printing and / or sintering.
Zumindest eine Elektrodenschicht, insbesondere die Kathodenschicht, ist auf zumindest einer Seite des Trägerelements angeordnet. Das Trägerelement ist von einem Forsterit gebildet und insbesondere inert und elektrisch und ionisch nichtleitend. Die Elektrolytschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid (YSZ), aus scandiumstabilisiertem Zirconiumoxid (ScSZ) und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceroxid (CGO). Das YSZ weist insbesondere die chemische Summenformel YxZr1-xO2 auf wobei x insbesondere einen Wert zwischen 0,03 und 0,20 oder bevorzugt zwischen 0,16 und 0,20 annimmt. Die Kathodenschicht ist vorzugsweise zumindest teilweise aus Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM) und/oder eine Mischung von Lanthanum-Strontium-Manganoxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid und/oder Lanthan-Strontium-Eisenoxid und/oder Lanthan-Strontium-Kobalt-Eisenoxid und/oder Lanthan-Nickel-Eisenoxid und/oder eine Mischung von Lanthan-Strontium-Kobalt-Eisenoxid und gadoliniumdotiertes Ceroxid gebildet. Vorzugsweise ist die Kathodenschicht aus Lanthan-Strontium-Manganoxid, welches die chemische Summenformel (La1-ySry)zMnO3 aufweist, wobei y insbesondere Werte zwischen 0,05 und 0,50 annimmt und z insbesondere Werte zwischen 0.95 und 1.05 annimmt. Die Anodenschicht besteht insbesondere zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil und besonders bevorzugt vollständig, aus einer Keramik, insbesondere aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid und/oder aus einem Verbundstoff von Nickeloxid und Ceroxid und/oder gadoliniumstabilisiertem Ceroxid. Unter dem Ausdruck „zumindest zu einem Großteil“ soll dabei insbesondere zumindest zu 55 %, vorteilhaft zumindest zu 65 %, vorzugsweise zumindest zu 75 %, besonders bevorzugt zumindest zu 85 % und besonders vorteilhaft zumindest zu 95 % einer Fläche, eines Volumens, einer Masse und/oder einer Erstreckung, insbesondere einer Haupterstreckung, eines Objekts verstanden werden.At least one electrode layer, in particular the cathode layer, is arranged on at least one side of the carrier element. The carrier element is formed by a forsterite and in particular inert and electrically and ionically non-conductive. The electrolyte layer consists in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely, of a ceramic, in particular of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), of scandium-stabilized zirconium oxide (ScSZ) and / or gadolinium-stabilized cerium oxide (CGO). The YSZ in particular has the chemical empirical formula Y x Zr 1-x O 2 , where x in particular has a value between 0.03 and 0.20 or preferably between 0.16 and 0.20. The cathode layer is preferably at least partially composed of lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) and / or a mixture of lanthanum-strontium-manganese oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide and / or lanthanum-strontium-iron oxide and / or lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide and / or Lanthanum-nickel-iron oxide and / or a mixture of lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide and gadolinium-doped cerium oxide formed. Preferably, the cathode layer of lanthanum-strontium-manganese oxide, which has the chemical empirical formula (La 1-y Sr y ) z MnO 3 , where y in particular assumes values between 0.05 and 0.50 and z in particular assumes values between 0.95 and 1.05 , The anode layer is in particular at least partially, preferably at least for the most part and particularly preferably completely, of a ceramic, in particular a composite of nickel oxide and yttrium-stabilized zirconium oxide and / or of a composite of nickel oxide and cerium oxide and / or gadolinium-stabilized cerium oxide. In particular, at least 55%, advantageously at least 65%, preferably at least 75%, particularly preferably at least 85% and particularly advantageously at least 95% of a surface, a volume, a mass is intended to mean by the term "at least to a large extent" and / or an extension, in particular a main extension, of an object.
Bei einer Herstellung einer als Kathodenschicht ausgebildeten Elektrodenschicht ist ein Rohmaterial insbesondere als zumindest ein pulverförmiges Material ausgebildet. Unter einem „pulverförmigen Material“ soll insbesondere ein körniges und/oder stückiges Gemenge eines Materials verstanden werden, welches in einer schüttfähigen Form vorliegt. Insbesondere weist das Material eine mittlere Partikelgröße von höchstens 20 µm, vorzugsweise höchstens 5 µm, bevorzugt höchstens 3 µm oder besonders bevorzugt höchstens 1 µm auf. Insbesondere ist das pulverförmige Material zumindest als ein pulverförmiges Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM) und/oder als ein pulverförmiges Lanthan-Strontium-Eisenoxid und/oder als ein pulverförmiges Lanthan-Strontium-Kobalt-Eisenoxid und/oder als ein pulverförmiges Lanthan-Nickel-Eisenoxid und/oder als eine Mischung zumindest zweier pulverförmiger Keramiken ausgebildet, welche insbesondere mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt sein kann, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise einem Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und/oder einem Entschäumer und mit zumindest einem Porenbildner. Bei der Herstellung bildet das Rohmaterial insbesondere eine/n vorzugsweise homogenisierte/n Paste und/oder Schlicker aus. Die Paste und/oder der Schlicker ist insbesondere dazu vorgesehen mittels eines Urformverfahrens, beispielsweise einem Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren verarbeitet werden zu können.When producing an electrode layer formed as a cathode layer, a raw material is in particular formed as at least one powdery material. A "powdery material" is intended in particular to mean a granular and / or lumpy mixture of a material be understood, which is present in a pourable form. In particular, the material has an average particle size of at most 20 μm, preferably at most 5 μm, preferably at most 3 μm or particularly preferably at most 1 μm. In particular, the powdery material is at least as a powdered lanthanum-strontium-manganese oxide (LSM) and / or as a powdered lanthanum-strontium-iron oxide and / or as a powdered lanthanum-strontium-cobalt-iron oxide and / or as a powdered lanthanum-nickel Iron oxide and / or formed as a mixture of at least two powdered ceramics, which in particular may be mixed with further, in particular organic constituents, such as in particular a binder, such as polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent, such as for example, an alcohol or ether, and a dispersant, a plasticizer and / or a defoamer and having at least one pore-forming agent. During production, the raw material forms in particular a preferably homogenized paste and / or slip. The paste and / or the slip is intended, in particular, to be able to be processed by means of a primary shaping method, for example a printing method, in particular a screen printing method.
Bei einer Herstellung einer als Anodenfunktionsschicht ausgebildeten Elektrodenschicht ist ein Rohmaterial insbesondere als zumindest ein pulverförmiges Material ausgebildet. Insbesondere ist das pulverförmige Material zumindest als eine pulverförmige Keramik, insbesondere als ein pulverförmiges Nickeloxid und/oder als ein pulverförmiges yttriumstabilisiertes Zirconiumoxid und/oder als ein pulverförmiges Ceroxid und/oder als ein gadoliniumstabilisiertes Ceroxid und/oder als eine Mischung zumindest zweier pulverförmiger Keramiken ausgebildet, welche insbesondere mit weiteren, insbesondere organischen Bestandteilen vermischt sein kann, wie insbesondere einem Binder, wie beispielsweise Polyvinylbutral, Acrylat, Methyl- und/oder Ethylcellulose, sowie vorzugsweise einem Lösemittel, wie beispielsweise einem Alkohol oder Ether, sowie einem Dispergator, einem Weichmacher und/oder einem Entschäumer und mit zumindest einem Porenbildner. Bei der Herstellung bildet das Rohmaterial insbesondere eine/n vorzugsweise homogenisierte/n Paste und/oder Schlicker aus. Die Paste und/oder der Schlicker ist insbesondere dazu vorgesehen mittels eines Urformverfahrens, beispielsweise einem Druckverfahren, insbesondere einem Siebdruckverfahren verarbeitet werden zu können. Bei einem Sintervorgang wird insbesondere das Gemisch auf eine hohe Temperatur erhitzt, wobei die Temperatur insbesondere höher als 1000°C, vorzugsweise höher als 1100°C und bevorzugt niedriger als 1300°C liegt. Insbesondere werden dabei die einzelnen Partikel des Gemischs miteinander versintert. Die Funktionsschichtvorrichtung wird durch gemeinsames sintern des Trägerelements und der Elektrodenschicht in einem kombinierten Sinterverfahren, vorzugsweise durch Co-Sintern hergestellt.When producing an electrode layer designed as an anode functional layer, a raw material is in particular formed as at least one powdery material. In particular, the powdery material is formed at least as a powdered ceramic, in particular as a powdered nickel oxide and / or as a powdery yttrium-stabilized zirconium oxide and / or as a powdery cerium oxide and / or as a gadolinium-stabilized cerium oxide and / or as a mixture of at least two powdered ceramics, which may in particular be mixed with further, in particular organic constituents, in particular a binder, such as, for example, polyvinylbutral, acrylate, methyl and / or ethylcellulose, and preferably a solvent, for example an alcohol or ether, and also a dispersant, a plasticizer and / or or a defoamer and with at least one pore-forming agent. During production, the raw material forms in particular a preferably homogenized paste and / or slip. The paste and / or the slip is intended, in particular, to be able to be processed by means of a primary shaping method, for example a printing method, in particular a screen printing method. In a sintering process, in particular, the mixture is heated to a high temperature, wherein the temperature is in particular higher than 1000 ° C, preferably higher than 1100 ° C and preferably lower than 1300 ° C. In particular, the individual particles of the mixture are sintered together. The functional layer device is produced by jointly sintering the carrier element and the electrode layer in a combined sintering process, preferably by co-sintering.
Bei einem Co-Sintern eines Trägerelements, das zumindest im Wesentlichen von einem Forsterit gebildet ist, und einer unmittelbar an dem Trägerelement angeordneten lanthanhaltigen Elektrodenschicht, die zumindest im Wesentlichen eine Perowskitstruktur aufweist, kommt es zur Ausbildung einer nachteiligen Reaktionsschicht zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht. Die Reaktionsschicht besteht zumindest im Wesentlichen aus einem Lanthansilikat und einem Oxid mit einer Spinelstruktur. Die Reaktionsschicht weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher wesentlich von einem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägerelements und/oder der Elektrodenschicht abweicht. Die Schutzschicht ist insbesondere dazu vorgesehen, das Trägerelement während eines Sintervorgangs physisch von der Elektrodenschicht zu trennen und während eines Sintervorgangs eine chemische Reaktion zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht und/oder eine Interdiffusion zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht zumindest weitgehend zu verhindern. Vorzugsweise weist die Schutzschicht eine Schichtdicke zwischen 2 µm und 50 µm und besonders bevorzugt zwischen 2 µm und 20 µm auf.In a co-sintering of a carrier element, which is formed at least substantially by a forsterite, and a lanthanum-containing electrode layer, which has at least substantially a perovskite structure, directly on the carrier element, an adverse reaction layer is formed between the carrier element and the electrode layer. The reaction layer consists at least essentially of a lanthanum silicate and an oxide with a spinel structure. The reaction layer has a coefficient of thermal expansion which deviates substantially from a thermal expansion coefficient of the carrier element and / or the electrode layer. The protective layer is provided, in particular, for physically separating the carrier element from the electrode layer during a sintering process and for preventing a chemical reaction between the carrier element and the electrode layer and / or interdiffusion between the carrier element and the electrode layer at least substantially during a sintering process. The protective layer preferably has a layer thickness between 2 μm and 50 μm and particularly preferably between 2 μm and 20 μm.
Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein Verfahren zur Herstellung einer Funktionsschichtvorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer reduzierten Ausbildung einer Reaktionsschicht zwischen dem Trägerelement bereitgestellt werden. Hierdurch kann insbesondere ein Auftreten von thermischen Stress innerhalb der Funktionsschichtvorrichtung während eines Betriebs und/oder ein Delaminieren des Trägerelements und der Elektrodenschicht vorteilhaft vermieden werden.Such a configuration can provide a method for producing a functional layer device with advantageous properties with regard to a reduced formation of a reaction layer between the carrier element. In this way, in particular an occurrence of thermal stress within the functional layer device during operation and / or delamination of the carrier element and the electrode layer can be advantageously avoided.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Schutzschicht zumindest teilweise von einem yttriumstabilisiertem Zirconiumoxid und/oder einem Cer-Gadoliniumoxid gebildet ist. Insbesondere kann das Cer-Gadoliniumoxid die Formel Ce0.9Gd0.1O2-δ oder Ce0.8Gd0.2O2-δ aufweisen. Hierdurch kann vorteilhaft einfach und/oder kostengünstig eine Schutzschicht zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht angeordnet werden. Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Schutzschicht Aluminiumoxid (Al2O3) enthält. Durch den Zusatz von Aluminiumoxid zur Schutzschicht können flüchtige Bestandteile, insbesondere Zink, welche während eines Sintervorgangs aus dem Forsterit des Trägerelements austreten, vorteilhaft in der Schutzschicht gebunden werden. In addition, it is proposed that the protective layer is at least partially formed by a yttrium-stabilized zirconium oxide and / or a cerium-gadolinium oxide. In particular, the cerium-gadolinium oxide may have the formula Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ or Ce 0.8 Gd 0.2 O 2-δ . As a result, a protective layer between the carrier element and the electrode layer can advantageously be arranged simply and / or inexpensively. In addition, it is proposed that the protective layer contains alumina (Al 2 O 3 ). By adding aluminum oxide to the protective layer, volatile constituents, in particular zinc, which emerge from the forsterite of the carrier element during a sintering process can advantageously be bound in the protective layer.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Schutzschicht zumindest teilweise von einem Lanthan-Silikat mit einer Oxypatitstruktur gebildet ist. Beispielsweise kann das Lanthan-Silikat die Formel La9.33+2x(SiO4)6O2+3x aufweisen. Das Lanthan-Silikat ist gegenüber dem Trägerelement und der Elektrodenschicht thermodynamisch stabil. Hierdurch kann eine Ausbildung einer Spinelstruktur in einer Reaktionsschicht zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht vorteilhaft verhindert werden. Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Schutzschicht zumindest teilweise von einem Lanthanoxid gebildet ist. Hierdurch kann die Oxypatitstruktur vorteilhaft in situ während eines Sintervorgangs ausgebildet werden.In addition, it is proposed that the protective layer is at least partially formed by a lanthanum silicate having an oxypatite structure. For example, the lanthanum silicate may have the formula La 9.33 + 2x (SiO 4 ) 6 O 2 + 3x . The lanthanum silicate is thermodynamically stable with respect to the carrier element and the electrode layer. As a result, formation of a spinel structure in a reaction layer between the carrier element and the electrode layer can be advantageously prevented. Alternatively, it is proposed that the protective layer is at least partially formed by a lanthanum oxide. As a result, the oxypatite structure can advantageously be formed in situ during a sintering process.
Ferner wird eine Funktionsschichtvorrichtung, insbesondere Brennstoffzellenfunktionsschichtvorrichtung, vorgeschlagen, mit zumindest einem Trägerelement, welches zumindest im Wesentlichen von einem Forsterit gebildet ist, und zumindest einer an dem Trägerelement angeordneten lanthanhaltigen Elektrodenschicht, welche zumindest im Wesentlichen eine Perowskitstruktur aufweist, wobei zumindest eine Schutzschicht zwischen dem Trägerelement und der Elektrodenschicht angeordnet ist, welche einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher zumindest im Wesentlichen einem Temperaturausdehnungskoeffizienten des Trägerelements und der Elektrodenschicht entspricht. Hierdurch kann insbesondere ein Auftreten von thermischen Stress innerhalb der Funktionsschichtvorrichtung während eines Betriebs und/oder ein Delaminieren des Trägerelements und der Elektrodenschicht vorteilhaft vermieden werdenFurthermore, a functional layer device, in particular a fuel cell functional layer device, is proposed, with at least one carrier element, which is formed at least essentially by a forsterite, and at least one lanthanum-containing electrode layer arranged on the carrier element, which has at least substantially a perovskite structure, wherein at least one protective layer between the carrier element and the electrode layer is arranged, which has a temperature expansion coefficient which at least substantially corresponds to a coefficient of thermal expansion of the carrier element and the electrode layer. In this way, in particular an occurrence of thermal stress within the functional layer device during operation and / or delamination of the carrier element and the electrode layer can be advantageously avoided
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Funktionsschichtvorrichtung soll/sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann/können das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Funktionsschichtvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von Verfahrensschritten, Einheiten und/oder Elementen abweichende Anzahl aufweisen.The inventive method and / or the functional layer device according to the invention should / should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the method according to the invention and / or the functional layer device according to the invention can have a number deviating from a number of method steps, units and / or elements mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein.
Figurenlistelist of figures
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.
Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer Funktionsschichtvorrichtung, insbesondere einer Brennstoffzellenfunktionsschichtvorrichtung.
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1 a schematic sectional view of a functional layer device, in particular a fuel cell functional layer device.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
Die dem Trägerelement
Ferner weist die Funktionsschichtvorrichtung
Claims (8)
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07315922A (en) * | 1994-03-31 | 1995-12-05 | Kyocera Corp | Solid electrolytic ceramic and supporting member for solid electrolyte |
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2017
- 2017-05-05 DE DE102017207560.0A patent/DE102017207560A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07315922A (en) * | 1994-03-31 | 1995-12-05 | Kyocera Corp | Solid electrolytic ceramic and supporting member for solid electrolyte |
| US20140295317A1 (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-02 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell and method for producing the same |
| EP2916378A1 (en) * | 2014-03-07 | 2015-09-09 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell device and method for manufacturing same |
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