DE102021131474A1

DE102021131474A1 - Elektrochemische Reaktionseinzelzelle und elektrochemischer Reaktionszellenstapel

Info

Publication number: DE102021131474A1
Application number: DE102021131474.7A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kakinuma; Satoru Ishida; Ono Tatsuya; Mizue Takeuchi
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-06-09
Also published as: JP7104129B2; JP2022089543A

Abstract

[Aufgabe]Die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht und der Anode wird unterdrückt.[Lösungsmittel]Eine elektrochemische Reaktionseinzelzelle ist mit einer Elektrolytschicht, die ein festes Oxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode versehen, die sich in einer ersten Richtung entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen. Die elektrochemische Reaktionseinzelzelle ist ferner mit einem Schweißteil zum Verbinden der Elektrolytschicht mit der Anode versehen. Das Schweißteil befindet sich von der ersten Richtung aus gesehen an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht und der Anode. Das Schweißteil ist ferner derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht und der Anode erstreckt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die durch die vorliegende Beschreibung offenbarte Technik bezieht sich auf eine elektrochemische Reaktionseinzelzelle.
[Technischer Hintergrund]
Festoxidbrennstoffzellen (nachstehend als „SOFCs“ bezeichnet) mit Elektrolytschichten, die ein festes Oxid enthalten, sind als eine Art der Brennstoffzelle bekannt, die unter Nutzung der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. Eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle (nachstehend einfach als „Einzelzelle“ bezeichnet), bei der es sich um ein kleinstes Konstruktionselement der SOFC handelt, ist mit einer Elektrolytschicht sowie einer Kathode und einer Anode versehen, die sich in einer vorgegebenen Richtung (nachstehend als „erste Richtung“ bezeichnet) entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen.
Herkömmlich ist eine Einzelzelle bekannt, bei der eine Elektrolytschicht zum Bedecken einer Seitenfläche einer Anode angeordnet ist (vgl. z. B. Patentdokumente 1 bis 3).
[Dokumente zum Stand der Technik]
[Patentdokumente]

[Patentdokument 1] JP 2017-174605 A
[Patentdokument 2] JP 2019-220461 A
[Patentdokument 3] JP 2016-157637 A

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Zu lösende Aufgabe der Erfindung]
Bei einer Einzelzelle tritt ggf. die Ablösung zwischen einer Elektrolytschicht und einer Anode aufgrund von einer Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen der Elektrolytschicht und der Anode auf. Auch eine herkömmliche Einzelzelle, bei der eine Elektrolytschicht zum Bedecken einer Seitenfläche einer Anode angeordnet ist, weist das Problem auf, dass an der Grenze zwischen der Elektrolytschicht und der Anode eine Spannung aufgrund von einer Wärmeausdehnungsdifferenz dazwischen entsteht und somit die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht und der Anode nicht unterdrückt werden kann.
Dieses Problem betrifft auch eine Elektrolytschicht und eine Anode, die in einer elektrolytischen Einzelzelle enthalten sind, bei der es sich um ein Konstruktionselement einer Festoxidelektrolysezelle (nachstehend als „SOEC“ bezeichnet) handelt, die unter Nutzung der Elektrolysereaktion von Wasser Wasserstoff erzeugt. In der vorliegenden Beschreibung werden die Einzelzelle einer Brennstoffzelle und die elektrolytische Einzelzelle zusammenfassend als „elektrochemische Reaktionseinzelzelle“ bezeichnet. Dieses Problem betrifft ferner nicht nur eine Elektrolytschicht und eine Anode, die in SOFCs und SOECs enthalten sind, sondern auch diejenigen, die in anderen Typen von elektrochemischen Reaktionseinzelzellen enthalten sind.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe]
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik kann z. B. in den folgenden Formen ausgeführt werden.
(1) Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte elektrochemische Reaktionseinzelzelle ist mit einer Elektrolytschicht, die ein festes Oxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode versehen, die sich in einer ersten Richtung entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen, wobei ein Schweißteil zum Verbinden der Elektrolytschicht mit der Anode vorgesehen ist, das sich von der ersten Richtung aus gesehen an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht und der Anode befindet und derart ausgebildet ist, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht und der Anode erstreckt. Bei der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle ist das Schweißteil derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht und der Anode erstreckt. Dieses Schweißteil, das die Elektrolytschicht mit der Anode verbindet, weist eine Wärmeausdehnungsrate auf, die zwischen denjenigen der Elektrolytschicht und der Anode liegt. Folglich dient das Schweißteil dazu, eine Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen der Elektrolytschicht und der Anode auszugleichen. Gemäß der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle kann hierdurch die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht und der Anode unterdrückt werden.
(2) Die oben erwähnte elektrochemische Reaktionseinzelzelle kann auch derart konstruiert werden, dass mehrere Schweißteile vorgesehen sind, wobei die mehreren Schweißteile derart angeordnet sind, dass sie sich entlang der Umfangsrichtung der Elektrolytschicht und der Anode voneinander entfernen und nebeneinander befinden. Bei der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle wird auch beim Ablösen oder Beschädigen eines Schweißteils unterdrückt, dass die weiteren Schweißteile hierdurch beeinflusst werden. Gemäß der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle kann daher im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der z. B. ein Schweißteil die Elektrolytschicht und die Anode über den gesamten Umfang umgibt, unterdrückt werden, dass das Beschädigen usw. des Schweißteils einen beträchtlichen Einfluss ausübt.
(3) Die oben erwähnte elektrochemische Reaktionseinzelzelle kann auch derart konstruiert werden, dass das Schweißteil ein herausragendes Teil aufweist, das sich von der ersten Richtung aus gesehen außerhalb der Elektrolytschicht befindet und sich an die Oberfläche der Elektrolytschicht anschließt, die der Anode abgewandt ist. Bei der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle kann im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der das Schweißteil kein herausragendes Teil aufweist, bei der Montage des elektrochemischen Reaktionszellenstapels eine größere Verbindungsfläche zwischen der elektrochemischen Reaktionseinzelzelle und anderen Bauelementen gewährleistet werden.
(4) Die oben erwähnte elektrochemische Reaktionseinzelzelle kann auch derart konstruiert werden, dass die Grenzlinie zwischen dem Schweißteil und der Anode in zumindest einem Schnitt, der parallel zur ersten Richtung verläuft, konvex und konkav ausgebildet ist. Bei der vorliegenden elektrochemischen Reaktionseinzelzelle kann im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der die Grenzlinie zwischen dem Schweißteil und der Anode linear ausgebildet ist, das Abfallen des Schweißteils um die Länge des Kontaktteils zwischen dem Schweißteil und der Anode unterdrückt werden.
(5) Der oben erwähnte elektrochemische Reaktionszellenstapel kann auch derart konstruiert werden, dass mehrere elektrochemische Reaktionseinzelzellen vorgesehen sind, wobei zumindest eine der mehreren elektrochemischen Reaktionseinzelzellen eine der oben erwähnten elektrochemischen Reaktionseinzelzellen (1) bis (4) ist. Hierdurch kann ein elektrochemischer Reaktionszellenstapel bereitgestellt werden, in dem die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht und der Anode unterdrückt wird.
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, z. B. in Form einer elektrochemischen Reaktionseinzelzelle (Einzelzelle der Brennstoffzelle oder elektrolytische Einzelzelle), eines elektrochemischen Reaktionszellstapels mit mehreren elektrochemischen Reaktionseinheiten mit elektrochemischen Reaktionseinzelzellen (Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel), eines Verfahrens zu deren Herstellung u. a.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Darstellung, die die äußere Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 100 in der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
2 ist ein Schaubild, das eine XZ-Schnittkonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position II-II in 1 zeigt.
3 ist ein Schaubild, das eine YZ-Schnittkonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position III-III in 1 zeigt.
4 ist ein Schaubild, das eine XZ-Schnittkonstruktion von zwei aneinander angrenzenden Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie die im Schnitt in 2 zeigt.
5 ist ein Schaubild, das eine YZ-Schnittkonstruktion von zwei aneinander angrenzenden Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie die im Schnitt in 3 zeigt.
6 ist ein Schaubild, das die Struktur des Verbindungsteils zwischen einer Elektrolytschicht 112 und einer Anode 116 schematisch zeigt.

[Ausführungsform der Erfindung]
A. Ausführungsform:
A-1. Konstruktion:
(Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 100)
1 ist eine perspektivische Darstellung, die die äußere Ansicht des Brennstoffzellenstapels 100 in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 ist ein Schaubild, das eine XZ-Schnittkonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position II-II in 1 zeigt. 3 ist ein Schaubild, das eine YZ-Schnittkonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position III-III in 1 zeigt. Jede Figur zeigt zueinander orthogonale XYZ-Achsen zur Identifizierung der Richtungen. Zum einfachen Verständnis wird in der vorliegenden Beschreibung die positive Z-Achsenrichtung als „Aufwärtsrichtung“ und die negative Z-Achsenrichtung als „Abwärtsrichtung“ bezeichnet. Der Brennstoffzellenstapel 100 kann jedoch in der Praxis auch in einer anderen Ausrichtung als in der besagten Ausrichtung installiert werden. Entsprechendes gilt für 4 ff. Die Auf- und Abwärtsrichtung ist ein Beispiel der ersten Richtung in den Patentansprüchen.
Der Brennstoffzellenstapel 100 ist mit mehreren (in der vorliegenden Ausführungsform sieben) Stromerzeugungseinheiten 102 und einem Paar von Endplatten 104, 106 versehen. Die sieben Stromerzeugungseinheiten 102 sind in einer vorgegebenen Anordnungsrichtung (in Auf- und Abwärtsrichtung in der vorliegenden Ausführungsform) nebeneinander angeordnet. Die paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 sind derart angeordnet, dass sie eine Baugruppe, die aus den sieben Stromerzeugungseinheiten 102 besteht, von oben und unten einklemmen.
Im Randbereich der jeweiligen Schichten (Stromerzeugungseinheiten 102 und Endplatten 104, 106), die den Brennstoffzellenstapel 100 ausbilden, sind um die Z-Achsenrichtung mehrere (in der vorliegenden Ausführungsform acht) Bohrungen ausgebildet, die in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehend sind. Die Bohrungen, die in den jeweiligen Schichten gebildet sind und einander entsprechen, stehen in Auf- und Abwärtsrichtung miteinander in Verbindung, um eine Verbindungsbohrung 108 auszubilden, die sich in Auf- und Abwärtsrichtung von einer Endplatte 104 zur anderen Endplatte 106 hin erstreckt. In der folgenden Erläuterung werden auch die Bohrungen, die zum Ausbilden der Verbindungsbohrung 108 in den jeweiligen Schichten des Brennstoffzellenstapels 100 gebildet sind, ggf. als „Verbindungsbohrung 108“ bezeichnet.
In jede Verbindungsbohrung 108 ist ein Bolzen 22 eingeführt, der sich in Auf- und Abwärtsrichtung erstreckt. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist durch den Bolzen 22 und Muttern 24 festgeschraubt, die beidseitig in den Bolzen 22 eingreifen. Wie in 2 und 3 gezeigt, befindet sich eine Isolierfolie 26 zwischen der Mutter 24, die in den Bolzen 22 auf einer Seite (auf der oberen Seite) eingreift, und der oberen Fläche der Endplatte 104, die das obere Ende des Brennstoffzellenstapels 100 bildet, sowie zwischen der Mutter 24, die in den Bolzen 22 auf der anderen Seite (auf der unteren Seite) eingreift, und der unteren Fläche der Endplatte 106, die das untere Ende des Brennstoffzellenstapels 100 bildet. An einer Stelle, an der ein Gasdurchgangselement 27, das später erläutert wird, vorgesehen ist, befinden sich jedoch das Gasdurchgangselement 27 und die Isolierfolien 26, die jeweils oberhalb und unterhalb des Gasdurchgangselements 27 angeordnet sind, zwischen der Mutter 24 und der Oberfläche der Endplatte 106. Die Isolierfolie 26 ist z. B. aus einer Glimmerfolie, einer Keramikfaserfolie, einer keramischen Presspulverfolie, einer Glasfolie, einem Glas-Keramik-Verbundmittel u. a. ausgebildet.
Der Außendurchmesser eines Schaftteils jedes Bolzens 22 ist kleiner als der Innendurchmesser jeder Verbindungsbohrung 108. Folglich ist ein Raum zwischen der Außenumfangsfläche des Schaftteils jedes Bolzens 22 und der Innenumfangsfläche jeder Verbindungsbohrung 108 gewährleistet. Wie in 1 und 2 gezeigt, fungiert ein Raum, der durch einen Bolzen 22 (Bolzen 22A), der sich in der Nähe des Mittelpunkts einer Seite (Seite auf der positiven X-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur Y-Achse verlaufenden Seiten) am Außenumfang des Brennstoffzellenstapels 100 um die Z-Achsenrichtung befindet, und eine Verbindungsbohrung 108, in die der Bolzen 22A eingeführt ist, ausgebildet ist, als ein Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas, bei dem es sich um einen Gasströmungskanal handelt, der ein Oxidationsgas OG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 einleitet, um jeder Stromerzeugungseinheit 102 dieses Oxidationsgas OG zuzuführen. Ein Raum, der durch einen Bolzen 22 (Bolzen 22B), der sich in der Nähe des Mittelpunkts der der besagten Seite entgegengesetzten Seite (Seite auf der negativen X-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur Y-Achse verlaufenden Seiten) befindet, und eine Verbindungsbohrung 108, in die der Bolzen 22B eingeführt ist, ausgebildet ist, fungiert als ein Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas, das ein Oxidationsabgas OOG, das von einer Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin ableitet. In der vorliegenden Ausführungsform wird z. B. Luft als Oxidationsgas OG verwendet.
Wie in 1 und 3 gezeigt, fungiert ferner ein Raum, der durch einen Bolzen 22 (Bolzen 22D), der sich in der Nähe des Mittelpunkts einer Seite (Seite auf der positiven Y-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur X-Achse verlaufenden Seiten) am Außenumfang des Brennstoffzellenstapels 100 um die Z-Achsenrichtung befindet, und eine Verbindungsbohrung 108, in die der Bolzen 22D eingeführt ist, ausgebildet ist, als ein Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas, das ein Brenngas FG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 einleitet, um jeder Stromerzeugungseinheit 102 dieses Brenngas FG zuzuführen. Ein Raum, der durch einen Bolzen 22 (Bolzen 22E), der sich in der Nähe des Mittelpunkts der der besagten Seite entgegengesetzten Seite (Seite auf der negativen Y-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur X-Achse verlaufenden Seiten) befindet, und eine Verbindungsbohrung 108, in die der Bolzen 22E eingeführt ist, ausgebildet ist, fungiert als ein Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas, das ein Brennabgas FOG, das von einer Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin ableitet. In der vorliegenden Ausführungsform wird z. B. ein aus Stadtgas reformiertes wasserstoffreiches Gas als Brenngas FG verwendet.
Der Brennstoffzellenstapel 100 ist mit vier Gasdurchgangselementen 27 versehen. Jedes Gasdurchgangselement 27 weist einen hohlrohrförmigen Hauptkörper 28 und einen hohlrohrförmigen Zweigabschnitt 29 auf, der von einer Seitenfläche des Hauptkörpers 28 abzweigt. Die Bohrung des Zweigabschnitts 29 steht mit der Bohrung des Hauptkörpers 28 in Verbindung. Eine Gasleitung (nicht dargestellt) wird mit dem Zweigabschnitt 29 jedes Gasdurchgangselements 27 verbunden. Wie in 2 gezeigt, steht ferner die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das an dem Bolzen 22A, durch den das Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas gebildet ist, angeordnet ist, mit dem Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas in Verbindung. Die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das an dem Bolzen 22B, durch den das Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas gebildet ist, angeordnet ist, steht mit dem Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas in Verbindung. Wie in 3 gezeigt, steht ferner die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das an dem Bolzen 22D, durch den das Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas gebildet ist, angeordnet ist, mit dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas in Verbindung. Die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das an dem Bolzen 22E, durch den das Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas gebildet ist, angeordnet ist, steht mit dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas in Verbindung.
(Konstruktion der Endplatten 104, 106)
Die paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 sind elektrisch leitfähige Elemente, die von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig und plattenförmig ausgebildet sind, und bestehen aus z. B. rostfreiem Stahl. Eine Endplatte 104 ist oberhalb der obersten Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet und die andere Endplatte 106 ist unterhalb der untersten Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet. Durch die paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 sind die mehreren Stromerzeugungseinheiten 102 im angedrückten Zustand eingeklemmt. Die obere Endplatte 104 fungiert als positiver Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100 und die untere Endplatte 106 fungiert als negativer Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100.
(Konstruktion der Stromerzeugungseinheit 102)
4 ist ein Schaubild, das eine XZ-Schnittkonstruktion von zwei aneinander angrenzenden Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie die im Schnitt in 2 zeigt. 5 ist ein Schaubild, das eine YZ-Schnittkonstruktion von zwei aneinander angrenzenden Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie die im Schnitt in 3 zeigt.
Wie in 4 und 5 gezeigt, ist jede Stromerzeugungseinheit 102 mit einer Einzelzelle 110, einem Separator 120, einem kathodenseitigen Rahmen 130, einem kathodenseitigen Stromkollektor 134, einem anodenseitigen Rahmen 140, anodenseitigen Stromkollektoren 144 und einem Paar von Interkonnektoren 150 versehen, die die oberste und unterste Schicht der Stromerzeugungseinheit 102 bilden. In den Randbereichen des Separators 120, des kathodenseitigen Rahmens 130, des anodenseitigen Rahmens 140 und der Interkonnektoren 150 sind um die Z-Achsenrichtung Bohrungen gebildet, die den Verbindungsbohrungen 108 entsprechen, in die die besagten Bolzen 22 eingeführt werden.
Der Interkonnektor 150 ist ein elektrisch leitfähiges Element, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig und plattenförmig ausgebildet ist, und besteht aus einem Material, das Cr enthält, wie z. B. rostfreiem Stahl auf Ferritbasis. Der Interkonnektor 150 gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 und verhindert, dass sich die Reaktionsgase zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 vermischen. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Interkonnektor 150 durch zwei aneinander angrenzende Stromerzeugungseinheiten 102 gemeinsam genutzt, wenn die zwei Stromerzeugungseinheiten 102 aneinander angrenzend angeordnet sind. Das heißt, beim oberen Interkonnektor 150 für eine Stromerzeugungseinheit 102 handelt es sich um dasselbe Bauelement wie beim unteren Interkonnektor 150 für eine an die Oberseite dieser Stromerzeugungseinheit 102 angrenzende andere Stromerzeugungseinheit 102. Da der Brennstoffzellenstapel 100 mit dem Paar von Endplatten 104, 106 versehen ist, weist ferner die oberste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 keinen oberen Interkonnektor 150 auf und die unterste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 weist keinen unteren Interkonnektor 150 auf (vgl. 2 und 3).
Die Einzelzelle 110 ist mit einer Elektrolytschicht 112, einer Kathode (Luftpol) 114, die oberhalb der Elektrolytschicht 112 angeordnet ist, einer Anode (Brennstoffpol) 116, die unterhalb der Elektrolytschicht 112 angeordnet ist, und einer Zwischenschicht 180 versehen, die zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Kathode 114 angeordnet ist. Bei der Einzelzelle 110 der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine anodengestützte Einzelzelle, bei der die Anode 116 die weiteren Schichten (Elektrolytschicht 112; Kathode 114; Zwischenschicht 180) stützt, die die Einzelzelle 110 bilden.
Die Elektrolytschicht 112 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist. Sie ist eine dichte Schicht (mit geringer Porosität). Die Elektrolytschicht 112 enthält ein festes Oxid (z. B.: YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid); ScSZ (Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid); CSZ (Calciumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid)). Folglich ist die Einzelzelle 110 der vorliegenden Ausführungsform eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die ein festes Oxid als Elektrolyt verwendet.
Die Kathode 114 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen kleiner als die Elektrolytschicht 112 ist und im Wesentlichen rechteckig ist. Sie ist eine poröse Schicht, deren Porosität höher als diejenige der Elektrolytschicht 112 ist. Die Kathode 114 enthält ein Oxid des Perowskit-Typs, das durch ABO₃ dargestellt wird (z. B.: Lanthan-Strontium-Kobalt-Ferrit (LSCF); Lanthan-Strontium-Ferrit (LSF); Lanthan-Strontium-Kobalt-Oxid (LSC); Lanthan-Strontium-Manganoxid (LSM); Lanthan-Nickel-Ferrit (LNF) o. Ä.).
Die Anode 116 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen genauso groß, wie die Elektrolytschicht 112 ist und im Wesentlichen rechteckig ist. Sie ist eine poröse Schicht, deren Porosität höher als diejenige der Elektrolytschicht 112 ist. Obwohl nicht dargestellt, ist die Anode 116 in der vorliegenden Ausführungsform mit einer Substratschicht, die die Oberfläche auf der unteren Seite der Anode 116 bildet, und einer Funktionsschicht versehen, die sich zwischen der Substratschicht und der Elektrolytschicht 112 befindet. Die Funktionsschicht der Anode 116 ist eine Schicht, die hauptsächlich die Funktion entwickelt, Sauerstoff-Ionen, die von der Elektrolytschicht 112 zugeführt werden, mit Wasserstoff o. Ä., der im Brenngas FG enthalten ist, reagieren zu lassen und somit Elektronen und Wasserdampf zu erzeugen. Sie enthält Ni als Elektronen-leitendes Material und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (z. B.: YSZ). Die Substratschicht der Anode 116 ist ferner eine Schicht, die hauptsächlich die Funktion entwickelt, die Funktionsschicht, die Elektrolytschicht 112 und die Kathode 114 zu stützen. Sie enthält Ni als Elektronen-leitendes Material und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (z. B.: YSZ).
Die Zwischenschicht 180 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist. Die Zwischenschicht 180 besteht aus einem Ionen-leitenden festen Oxid wie z. B. SDC (Samariumdotiertes Ceroxid), GDC (Gadolinium-dotiertes Ceroxid), LDC (Lanthan-dotiertes Ceroxid), YDC (Yttrium-dotiertes Ceroxid) o. Ä.
Der Separator 120 ist ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Bohrung 121 aufweist, und besteht z. B. aus Metall. Der Umfangsbereich der Bohrung 121 des Separators 120 liegt dem Randbereich einer Oberfläche der Elektrolytschicht 112 gegenüber, die sich auf der der Kathode 114 zugewandten Seite befindet. Der Separator 120 ist mit der Elektrolytschicht 112 (der Einzelzelle 110) durch ein Verbindungsteil 124 aus einem Lötmaterial (z. B.: Ag-Lot) verbunden, das am gegenüberliegenden Abschnitt angeordnet ist. Durch den Separator 120 werden die der Kathode 114 zugewandte Luftkammer 166 und die der Anode 116 zugewandte Brennstoffkammer 176 voneinander abgetrennt. Somit wird unterdrückt, dass Gas von einer Elektrodenseite zur anderen Elektrodenseite im Randbereich der Einzelzelle 110 austritt.
Der kathodenseitige Rahmen 130 ist ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Bohrung 131 aufweist, und besteht aus einem Isolator wie z. B. Glimmer o. A. Die Bohrung 131 des kathodenseitigen Rahmens 130 bildet die Luftkammer 166 aus, die der Kathode 114 zugewandt ist. Der kathodenseitige Rahmen 130 steht in Kontakt mit dem Randbereich einer Oberfläche des Separators 120, die der der Elektrolytschicht 112 gegenüberliegenden Seite abgewandt ist, und mit dem Randbereich einer Oberfläche des Interkonnektors 150, die der Kathode 114 gegenüberliegt. Die in der Stromerzeugungseinheit 102 enthaltenen paarweisen Interkonnektoren 150 werden ferner durch den kathodenseitigen Rahmen 130 elektrisch voneinander isoliert. Im kathodenseitigen Rahmen 130 sind ferner eine Verbindungsbohrung 132 zum Einleiten von Oxidationsgas, die das Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas mit der Luftkammer 166 verbindet, und eine Verbindungsbohrung 133 zum Ableiten von Oxidationsgas gebildet, die die Luftkammer 166 mit dem Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas verbindet.
Der anodenseitige Rahmen 140 ist ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Bohrung 141 aufweist, und besteht z. B. aus Metall. Die Bohrung 141 des anodenseitigen Rahmens 140 bildet die Brennstoffkammer 176 aus, die der Anode 116 zugewandt ist. Der anodenseitige Rahmen 140 steht in Kontakt mit dem Randbereich einer Oberfläche des Separators 120, die der Elektrolytschicht 112 gegenüberliegt, und mit dem Randbereich einer Oberfläche des Interkonnektors 150, die der Anode 116 gegenüberliegt. Im anodenseitigen Rahmen 140 sind ferner eine Verbindungsbohrung 142 zum Einleiten von Brenngas, die das Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas mit der Brennstoffkammer 176 verbindet, und eine Verbindungsbohrung 143 zum Ableiten von Brenngas gebildet, die die Brennstoffkammer 176 mit dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas verbindet.
Die anodenseitigen Stromkollektoren 144 sind in der Brennstoffkammer 176 angeordnet. Jeder anodenseitige Stromkollektor 144 ist mit einem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146, einem der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 und einem Verknüpfungsabschnitt 147 versehen, der den der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 mit dem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146 verknüpft, und besteht z. B. aus Nickel, einer Nickellegierung, rostfreiem Stahl o. A. Der der Elektrode zugewandte Abschnitt 145 steht in Kontakt mit einer Oberfläche der Anode 116, die der der Elektrolytschicht 112 gegenüberliegenden Seite abgewandt ist, und der dem Interkonnektor zugewandte Abschnitt 146 steht in Kontakt mit einer Oberfläche des Interkonnektors 150, die der Anode 116 gegenüberliegt. Allerdings ist, wie oben erwähnt, die unterste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 nicht mit dem unteren Interkonnektor 150 versehen, so dass der dem Interkonnektor zugewandte Abschnitt 146 dieser Stromerzeugungseinheit 102 mit der unteren Endplatte 106 in Kontakt steht. Der anodenseitige Stromkollektor 144 ist in der oben erläuterten Weise konstruiert, so dass er die Anode 116 elektrisch mit dem Interkonnektor 150 (oder der Endplatte 106) verbindet. Zwischen dem der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 und dem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146 ist ein Abstandshalter 149 angeordnet, der z. B. aus Glimmer besteht. Daher folgt der anodenseitige Stromkollektor 144 einer Verformung der Stromerzeugungseinheit 102, die aufgrund von Temperaturzyklen bzw. Schwankungen im Reaktionsgasdruck auftritt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Anode 116 und dem Interkonnektor 150 (oder der Endplatte 106) über den anodenseitigen Stromkollektor 144 effektiv aufrechterhalten wird.
Der kathodenseitige Stromkollektor 134 ist in der Luftkammer 166 angeordnet. Der kathodenseitige Stromkollektor 134 ist aus mehreren Stromkollektorelementen 135 gebildet, die im Wesentlichen in Form einer viereckigen Säule ausgebildet sind, und besteht aus einem Material, das Cr enthält, wie z. B. rostfreiem Stahl auf Ferritbasis. Der kathodenseitige Stromkollektor 134 steht in Kontakt mit einer Oberfläche der Kathode 114, die der der Elektrolytschicht 112 gegenüberliegenden Seite abgewandt ist, und mit einer Oberfläche des Interkonnektors 150, die der Kathode 114 gegenüberliegt. Allerdings ist, wie oben erwähnt, die oberste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 nicht mit dem oberen Interkonnektor 150 versehen, so dass der kathodenseitige Stromkollektor 134 dieser Stromerzeugungseinheit 102 mit der oberen Endplatte 104 in Kontakt steht. Der kathodenseitige Stromkollektor 134 ist in der oben erläuterten Weise konstruiert, so dass er die Kathode 114 elektrisch mit dem Interkonnektor 150 (oder der Endplatte 104) verbindet. Zwischen der Kathode 114 und dem kathodenseitigen Stromkollektor 134 kann sich eine elektrisch leitfähige Verbindungsschicht befinden, die die Kathode 114 mit dem kathodenseitigen Stromkollektor 134 verbindet. Der kathodenseitige Stromkollektor 134 und der Interkonnektor 150 können auch als einstückiges Element ausgebildet werden.
A-2. Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100:
Wird das Oxidationsgas OG, wie in 2 und 4 gezeigt, durch eine Gasleitung (nicht dargestellt), die mit dem Zweigabschnitt 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas verbunden ist, hindurch zugeführt, wird das Oxidationsgas OG durch Bohrungen des Zweigabschnitts 29 und des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27 hindurch in das Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas eingeleitet und vom Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas durch die Verbindungsbohrung 132 zum Einleiten von Oxidationsgas jeder Stromerzeugungseinheit 102 hindurch in die Luftkammer 166 eingeleitet. Wird ferner das Brenngas FG, wie in 3 und 5 gezeigt, durch eine Gasleitung (nicht dargestellt), die mit dem Zweigabschnitt 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas verbunden ist, hindurch zugeführt, wird das Brenngas FG durch Bohrungen des Zweigabschnitts 29 und des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27 hindurch in das Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas eingeleitet und vom Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas durch die Verbindungsbohrung 142 zum Einleiten von Brenngas jeder Stromerzeugungseinheit 102 hindurch in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet.
Werden das Oxidationsgas OG in die Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 und das Brenngas FG in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet, wird in der Einzelzelle 110 mittels der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Oxidationsgas OG und dem Brenngas FG Strom erzeugt. Diese Stromerzeugungsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 ist die Kathode 114 der Einzelzelle 110 über den kathodenseitigen Stromkollektor 134 elektrisch mit einem Interkonnektor 150 verbunden und die Anode 116 ist über die anodenseitigen Stromkollektoren 144 elektrisch mit dem anderen Interkonnektor 150 verbunden. Ferner sind die im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Stromerzeugungseinheiten 102 elektrisch in Reihe geschaltet. Folglich wird die in jeder Stromerzeugungseinheit 102 erzeugte elektrische Energie aus den Endplatten 104, 106 entnommen, die als Ausgangsanschlüsse des Brennstoffzellenstapels 100 fungieren. Da die SOFC bei einer relativ hohen Temperatur (z. B.: 700 °C bis 1000 °C) Strom erzeugt, kann der Brennstoffzellenstapel 100 nach dem Aktivieren mittels eines Heizgeräts (nicht dargestellt) erhitzt werden, bis ein Zustand erreicht wird, in dem eine hohe Temperatur durch die bei der Stromerzeugung entstehende Wärme beibehalten werden kann.
Wie in 2 und 4 gezeigt, wird das Oxidationsabgas OOG, das von der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, über die Verbindungsbohrung 133 zum Ableiten von Oxidationsgas in das Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas abgeleitet und anschließend durch Bohrungen des Hauptkörpers 28 und des Zweigabschnitts 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas und durch eine mit dem Zweigabschnitt 29 verbundene Gasleitung (nicht dargestellt) hindurch zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin abgeleitet. Wie in 3 und 5 gezeigt, wird das Brennabgas FOG, das von der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, ferner über die Verbindungsbohrung 143 zum Ableiten von Brenngas in das Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas abgeleitet und anschließend durch Bohrungen des Hauptkörpers 28 und des Zweigabschnitts 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas und durch eine mit dem Zweigabschnitt 29 verbundene Gasleitung (nicht dargestellt) hindurch zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin abgeleitet.
A-3. Detaillierte Konstruktion zum Verbinden der Elektrolytschicht 112 mit der Anode 116:
Darauffolgend wird die detaillierte Konstruktion zum Verbinden der Elektrolytschicht 112 mit der Anode 116 in der Einzelzelle 110 erläutert, die den Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform ausbildet. 4 zeigt ein vergrößertes Verbindungsteil (X1) zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116. 6 ist ein Schaubild, das die Struktur des Verbindungsteils zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 schematisch zeigt. In 6 ist die Kathode 114 usw. ausgelassen. 6 zeigt schematisch ein SEM Bild (z. B.: 90-fache Vergrößerung) in einem SEM (Beschleunigungsspannung: 15 kV), in dem ein Querschnitt des Verbindungsteils zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 dargestellt ist, der parallel zur Auf- und Abwärtsrichtung verläuft.
Wie in 4 und 6 gezeigt, umfasst die Einzelzelle 110 ein Schweißteil 200 zum Verbinden der Elektrolytschicht 112 mit der Anode 116. Das Schweißteil 200 ist dadurch gebildet, dass das Bildungsmaterial der Elektrolytschicht (z. B.: YSZ) und das Bildungsmaterial der Anode (z. B.: Ni) durch Schmelzschweißverfahren geschmolzen und verfestigt werden ((Y, Zr, Ni)O_x (X: bestimmt durch Bedingungen der Neutralisation der Ladungen)). Das Schweißteil 200 wird durch das folgende Verfahren identifiziert. Der Schnitt des Verbindungsteils zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 wird einer Elementanalyse unter Verwendung eines energiedispersiven Röntgen-Spektrometers (EDS) unterzogen, das zu einem Scanning-Elektronen-Mikroskop (SEM) oder einem Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM) gehört, so dass die Art der Elemente des Schweißteils 200 geprüft wird. Darauffolgend kann durch das Zusammensetzungsverhältnis des Schweißteils 200, welches auf dem geprüften Ergebnis beruht, identifiziert werden, dass das Schweißteil 200 durch Schmelzen und Verfestigen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 gebildet ist.
Von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen befindet sich das Schweißteil 200 an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116. Das Schweißteil 200 ist derart gebildet, dass es sich in Auf- und Abwärtsrichtung zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 erstreckt. Mit anderen Worten ist das Schweißteil 200 derart angeordnet, dass es sowohl mit der Seitenfläche der Elektrolytschicht 112 als auch mit der Seitenfläche der Anode 116 in Kontakt steht. Noch konkreter ist das Schweißteil 200 derart angeordnet, dass es kontinuierlich mit der Seitenfläche der Elektrolytschicht 112, der Seitenfläche der Anode 116 und der Grenze zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 in Kontakt steht und diese bedeckt.
Die Dicke D (vgl. 4) des Schweißteils 200 beträgt z. B. 10 µm oder mehr. Die Dicke D des Schweißteils 200 beträgt ferner z. B. 30 µm oder weniger. Die Länge L (vgl. 4) des Schweißteils 200 in Auf- und Abwärtsrichtung (Z-Achsenrichtung) beträgt z. B. 30 µm oder mehr. Die Länge L des Schweißteils 200 in Auf- und Abwärtsrichtung beträgt z. B. 80 µm oder weniger. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Dicke der Elektrolytschicht 112 in Auf- und Abwärtsrichtung 10 µm oder weniger, die Dicke der Funktionsschicht der Anode 116 in Auf- und Abwärtsrichtung beträgt 20 µm oder weniger und die Dicke der Substratschicht der Anode 116 in Auf- und Abwärtsrichtung beträgt 1000 µm oder weniger.
In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Einzelzelle 110 mehrere Schweißteile 200. Wie in 6 gezeigt, sind die mehreren Schweißteile 200 derart angeordnet, dass sie sich von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen entlang der Umfangsrichtung der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 voneinander entfernen und nebeneinander befinden. Die Breite W jedes Schweißteils 200 in der oben erwähnten Umfangsrichtung beträgt z. B. 50 µm oder mehr. Die Entfernung H zwischen der aneinander angrenzenden Schweißteile 200 in der oben erwähnten Umfangsrichtung ist kürzer als die Breite W des Schweißteils 200. Die Schweißteile 200 sind über den gesamten Umfang der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 angeordnet.
Zumindest eines der mehreren Schweißteile 200 weist ein herausragendes Teil 210 auf. Von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen befindet sich das herausragende Teil 210 außerhalb der Elektrolytschicht 112 und schließt sich an die Oberfläche (obere Fläche) der Elektrolytschicht 112 an, die der Anode 116 abgewandt ist. Mit anderen Worten sind die obere Fläche des herausragenden Teils 210 und die obere Fläche der Elektrolytschicht 112 miteinander bündig (vgl. 4). In der vorliegenden Ausführungsform steht die untere Fläche des Verbindungsteils 124 zwischen dem Separator 120 und der Elektrolytschicht 112 in Kontakt mit der Elektrolytschicht 112, gleichzeitig erstreckt sich zur Außenseite der Elektrolytschicht 112 hin und steht in Kontakt mit der oberen Fläche des herausragenden Teils 210. Von den mehreren Schweißteilen 200, mit denen die Einzelzelle 110 versehen ist, können 50% oder mehr der Schweißteile 200 das herausragende Teil 210 aufweisen und 80% oder mehr der Schweißteile 200 können das herausragende Teil 210 aufweisen.
Wie in 6 gezeigt, ist in zumindest einem Schnitt, der parallel zur Auf- und Abwärtsrichtung verläuft, eine Grenzlinie B zwischen dem Schweißteil 200 und der Anode 116 konvex und konkav ausgebildet. Konkret weist die Grenzlinie B zwischen einem Schweißteil 200 und der Anode 116 mehrere Paare von konvexen und konkaven Abschnitten auf.
Wie in 4 und 6 gezeigt, ist der untere Abschnitt der Seitenfläche der Anode 116 (Abschnitt, der der Elektrolytschicht 112 abgewandt ist) nicht mit dem Schweißteil 200 bedeckt. Folglich kann im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der die gesamte Seitenfläche der Anode 116 mit dem Schweißteil 200 bedeckt ist, unterdrückt werden, dass sich die Diffusion des Brenngases FG in die Anode 116 aufgrund des Vorhandenseins des Schweißteils 200 verringert. Ferner erstreckt sich das Schweißteil 200 zum oberen Ende der Seitenfläche der Elektrolytschicht 112 (zum Ende, das der Anode 116 abgewandt ist) hin. Folglich ist das Schweißteil 200 derart mit der relativ dünnen Elektrolytschicht 112 verbunden, dass das Schweißteil 200 an der Elektrolytschicht 112 festgeklemmt wird. Ferner weist das Schweißteil 200 das Verbindungsteil mit der Anode 116 auf, dessen Dicke D kleiner als die Dicke D des Verbindungsteils mit der Elektrolytschicht 112 ist. Hierdurch kann die Verbindungsstärke des Schweißteils 200 mit der relativ dünnen Elektrolytschicht 112 gewährleistet werden, und zugleich kann unterdrückt werden, dass sich die Diffusion des Brenngases FG in die Anode 116 verringert, indem das Schweißteil 200 auf der der Anode 116 näheren Seite dünn ausgebildet wird, so dass keine Behinderung entsteht.
A-4. Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 100:
Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 100 der vorliegenden Ausführungsform ist z. B. wie folgt:
(Bilden des Stapels aus der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116)
Ein YSZ-Pulver, zu dem ein Butyralharz, Dioctylphthalat (DOP) als Weichmacher, ein Dispersionsmittel und ein gemischtes Lösungsmittel aus Toluol und Äthanol hinzugefügt wurden, wird in einer Kugelmühle gemischt, so dass eine Aufschlämmung zubereitet wird. Die erhaltene Aufschlämmung wird durch ein Doktor-Rakel-Verfahren zu einem dünnen Film geformt, so dass ein Green-Sheet für die Elektrolytschicht mit einer vorbestimmten Dicke (z. B.: etwa 6 µm) erhalten wird. Ferner wird ein gemischtes Pulver aus einem NiO-Pulver und einem YSZ-Pulver, zu dem organische Kügelchen, bei denen es sich um ein Poren bildendes Mittel handelt, ein Butyralharz, DOP als Weichmacher, ein Dispersionsmittel und ein gemischtes Lösungsmittel aus Toluol und Äthanol hinzugefügt wurden, in einer Kugelmühle gemischt, so dass eine Aufschlämmung zubereitet wird. Die erhaltene Aufschlämmung wird durch ein Doktor-Rakel-Verfahren zu einem dünnen Film geformt, so dass ein Green-Sheet für die Substratschicht der Anode mit einer vorbestimmten Dicke (z. B.: etwa 400 µm) erhalten wird. Ferner wird ein gemischtes Pulver aus einem NiO-Pulver und einem YSZ-Pulver, zu dem ein Butyralharz, DOP als Weichmacher, ein Dispersionsmittel und ein gemischtes Lösungsmittel aus Toluol und Äthanol hinzugefügt wurden, in einer Kugelmühle gemischt, so dass eine Aufschlämmung zubereitet wird. Die erhaltene Aufschlämmung wird durch ein Doktor-Rakel-Verfahren zu einem dünnen Film geformt, so dass ein Green-Sheet für die Funktionsschicht der Anode mit einer vorbestimmten Dicke (z. B.: etwa 11 µm) erhalten wird. Nachdem die jeweiligen Green-Sheets miteinander gebondet und bei einer bestimmten Temperatur (z. B.: etwa 280 °C) entfettet wurden, werden sie bei einer bestimmten Temperatur (z. B.: etwa 1350 °C) für eine bestimmte Zeitdauer (z. B.: etwa eine Stunde) gebrannt. Hierdurch wird ein Stapel aus der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 erhalten.
Darauffolgend wird das oben erwähnte Schweißteil 200 an dem Stapel aus der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 gebildet. Z. B. wird der Randbereich des Stapels von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen einer Laserbearbeitung unterzogen, um den Randbereich des Stapels zu schneiden, während er geschmolzen wird. Zur Laserbearbeitung können allgemein bekannte Laser wie z. B. CO₂-Laser, YAG-Laser, Faserlaser usw. verwendet werden. Das Schweißteil 200 kann auch dadurch gebildet werden, dass der geschmolzene Abschnitt nach der Laserbearbeitung teilweise gelöst wird.
(Bilden der Zwischenschicht 180)
Ein GDC-Pulver, zu dem Polyvinylalkohol als organischer Binder und Butylcarbitol als organisches Lösungsmittel hinzugefügt wurden, wird gemischt und dessen Viskosität wird geregelt, um eine Paste für die Zwischenschicht zuzubereiten. Die erhaltene Paste für die Zwischenschicht wird auf die Oberfläche der Elektrolytschicht 112 des der oben erwähnten Laserbearbeitung unterzogenen Stapels z. B. durch Siebdruck aufgetragen und bei einer bestimmten Temperatur (z. B.: etwa 1200 °C) gebrannt. Hierdurch wird die Zwischenschicht 180 gebildet, so dass ein Stapel aus der Zwischenschicht 180, der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 erhalten wird.
(Bilden der Kathode 114)
Ein gemischtes Pulver aus dem Pulver eines Oxids des Perowskit-Typs (z. B.: LSCF) und dem Pulver des Sulfats (z. B.: SrSO₄) wird bereitgestellt. Dieses gemischte Pulver, zu dem Polyvinylalkohol als organischer Binder und Butylcarbitol als organisches Lösungsmittel hinzugefügt wurden, wird gemischt und dessen Viskosität wird geregelt, um eine Paste für die Kathode zuzubereiten. Die erhaltene Paste für die Kathode wird auf die Oberfläche der Zwischenschicht 180 des oben erwähnten Stapels, der aus der Zwischenschicht 180, der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 besteht, z. B. durch Siebdruck aufgetragen und getrocknet. Der Stapel, auf den die Paste für die Kathode aufgetragen wurde, wird bei einer bestimmten Temperatur (z. B.: etwa 1100 °C) gebrannt. Hierdurch wird die Kathode 114 gebildet, so dass die Einzelzelle 110 hergestellt wird, die mit der Anode 116, der Elektrolytschicht 112, der Zwischenschicht 180 und der Kathode 114 versehen ist.
Nach der Herstellung der mehreren Einzelzellen 110 gemäß dem oben erwähnten Verfahren erfolgen Montageschritte (z. B.: Befestigen anderer Bauelemente wie des Separators 120 usw. an den jeweiligen Einzelzellen 110; Stapeln der mehreren Einzelzellen 110; Festschrauben durch die Bolzen 22 usw.). Auf die oben genannte Weise wird die Herstellung des Brennstoffzellenstapels 100 beendet.
A-5. Vorteile der vorliegenden Ausführungsform:
Wie oben erläutert, ist die Einzelzelle 110, die den Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform ausbildet, mit der Elektrolytschicht 112 sowie der Kathode 114 und der Anode 116 versehen, die sich entlang der Elektrolytschicht 112 gegenüberliegen. Die Einzelzelle 110 umfasst das Schweißteil 200 zum Verbinden der Elektrolytschicht 112 mit der Anode 116. Das Schweißteil 200 ist dadurch gebildet, dass das Bildungsmaterial der Elektrolytschicht und das Bildungsmaterial der Anode durch Schmelzschweißverfahren geschmolzen und verfestigt werden. Von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen befindet sich das Schweißteil 200 an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116. Das Schweißteil 200 ist derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 erstreckt.
Auf diese Weise ist das Schweißteil 200 in der vorliegenden Ausführungsform derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 erstreckt. Dieses Schweißteil 200, das durch Schmelzen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 gebildet ist, weist eine intermediäre Zusammensetzung (Eigenschaft) auf, die zwischen denjenigen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 liegt. Konkret weist das Schweißteil 200 eine Wärmeausdehnungsrate auf, die zwischen denjenigen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 liegt. Folglich dient das Schweißteil 200 dazu, eine Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 auszugleichen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann hierdurch die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 (z. B.: Grenzflächenablösung oder Ablösung in Schichten) unterdrückt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die mehreren Schweißteile 200 derart angeordnet, dass sie sich entlang der Umfangsrichtung der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 voneinander entfernen und nebeneinander befinden. In der vorliegenden Ausführungsform wird daher auch beim Ablösen oder Beschädigen eines Schweißteils 200 unterdrückt, dass die weiteren Schweißteile 200 hierdurch weiter beeinflusst werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann daher im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der z. B. ein Schweißteil 200 die Elektrolytschicht 112 und die Anode 116 über den gesamten Umfang umgibt, unterdrückt werden, dass das Beschädigen usw. des Schweißteils 200 einen beträchtlichen Einfluss ausübt. Ferner kann unterdrückt werden, dass sich die Diffusion des Brenngases FG in die Anode 116 aufgrund des Vorhandenseins des Schweißteils 200 verringert.
In der vorliegenden Ausführungsform weist das Schweißteil 200 das herausragende Teil 210 auf. Von der Auf- und Abwärtsrichtung aus gesehen befindet sich das herausragende Teil 210 außerhalb der Elektrolytschicht 112 und schließt sich an die Oberfläche (obere Fläche) der Elektrolytschicht 112 an, die der Anode 116 abgewandt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann daher im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der keines der Schweißteile 200 das herausragende Teil 210 aufweist, bei der Montage des Brennstoffzellenstapels 100 eine größere Verbindungsfläche zwischen der Einzelzelle 110 und anderen Bauelementen gewährleistet werden. Konkret, wie in 4 gezeigt ist, kann das Verbindungsteil 124 nicht nur zur Elektrolytschicht 112 hin, sondern auch zum herausragenden Teil 210 des Schweißteils 200 hin angeordnet werden. Folglich kann die Verbindungsstärke z. B. dadurch verbessert werden, dass die Verbindungsfläche zwischen dem Verbindungsteil 124 und der Einzelzelle 110, (die das herausragende Teil 210 umfasst), vergrößert wird. Ferner vergrößert sich der Bereich auf der Innenumfangsseite des Verbindungsteils 124, indem das Verbindungsteil 124 derart angeordnet wird, dass es von der Elektrolytschicht 112 nach außen hervorsteht. Somit kann ein großer Stromerzeugungsbereich in der Einzelzelle 110 gewährleistet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist in zumindest einem Schnitt, der parallel zur Auf- und Abwärtsrichtung verläuft, die Grenzlinie B zwischen dem Schweißteil 200 und der Anode 116 konvex und konkav ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann daher im Vergleich zu einer Konstruktion, bei der die Grenzlinie B zwischen dem Schweißteil 200 und der Anode 116 linear ausgebildet ist, das Abfallen des Schweißteils 200 um die Länge des Kontaktteils zwischen dem Schweißteil 200 und der Anode 116 unterdrückt werden.
B. Alternative Beispiele:
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist nicht auf die oben erwähnte Ausführungsform beschränkt, sondern kann in vielfacher Form modifiziert werden, solange nicht vom Rahmen des Grundgedankens der Erfindung abgewichen wird. Z. B. sind auch die folgenden Varianten möglich.
Die Konstruktion der Einzelzelle 110 oder des Brennstoffzellenstapels 100 in der oben erwähnten Ausführungsform dient lediglich als Beispiel und kann vielfältig modifiziert werden. In der oben erwähnten Ausführungsform umfasst z. B. die Einzelzelle 110 die Zwischenschicht 180. Die Einzelzelle 110 muss jedoch nicht die Zwischenschicht 180 umfassen. In der oben erwähnten Ausführungsform ist ferner die Anode 116 aus zwei Schichten, nämlich aus einer Substratschicht und einer Funktionsschicht, gebildet. Jedoch ist auch eine Konstruktion möglich, bei der die Anode 116 aus einer Schicht gebildet ist, oder die Anode 116 aus drei oder mehr Schichten gebildet ist. In der oben erwähnten Ausführungsform dient ferner die Anzahl der Einzelzellen 110 im Brennstoffzellenstapel 100 lediglich als Beispiel. Die Anzahl der Einzelzellen 110 kann je nach der für den Brennstoffzellenstapel 100 erforderlichen Ausgangsspannung u. a. den Umständen entsprechend festgelegt werden.
In der oben erwähnten Ausführungsform wird ferner ein Raum zwischen der Außenumfangsfläche des Schaftteils jedes Bolzens 22 und der Innenumfangsfläche jeder Verbindungsbohrung 108 als jedes Manifold verwendet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, eine axiale Bohrung im Schaftteil jedes Bolzens 22 zu bilden und diese Bohrung als jedes Manifold zu verwenden. Es ist auch möglich, jedes Manifold separat von jeder Verbindungsbohrung 108 vorzusehen, in die jeder Bolzen 22 eingeführt wird.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist auch eine Konstruktion möglich, bei der die Einzelzelle 110 ein Schweißteil 200 umfasst. Es ist auch eine Konstruktion möglich, bei der das Schweißteil 200 kein herausragendes Teil 210 umfasst. Die Grenzlinie B zwischen dem Schweißteil 200 und der Anode 116 kann auch kreisbogenförmig ausgebildet sein.
Ferner dienen die Materialien für die jeweiligen Bauelemente in der oben erwähnten Ausführungsform lediglich als Beispiele. Die jeweiligen Bauelemente können auch aus anderen Materialien bestehen. In der oben erwähnten Ausführungsform wurde als Schweißteil beispielhaft (Y, Zr, Ni)O_x (X: bestimmt durch Bedingungen der Neutralisation der Ladungen) angeführt, das dadurch gebildet wird, dass YSZ als Bildungsmaterial der Elektrolytschicht und Ni als Bildungsmaterial der Anode geschmolzen und verfestigt werden. Außerdem kann das Schweißteil z. B. aus Verbindungen oder Verbundwerkstoffen aus dem Bildungsmaterial der Elektrolytschicht und dem Bildungsmaterial der Anode gebildet sein.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist ferner nicht unbedingt erforderlich, dass die Konstruktion mit dem Schweißteil 200 in allen im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Einzelzellen 110 ausgeführt wird. Wenn die Konstruktion mit dem Schweißteil 200 in zumindest einer Einzelzelle 110, die im Brennstoffzellenstapel 100 enthalten ist, ausgeführt wird, wird der Effekt erzielt, dass die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Anode 116 unterdrückt werden kann.
Die oben erwähnte Ausführungsform bezieht sich ferner auf die plattenförmige Einzelzelle 110. Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist jedoch in gleicher Weise auch auf andere Einzelzellen anwendbar, die in einer anderen Form als die plattenförmige Form ausgebildet sind.
Ferner bezieht sich die oben erwähnte Ausführungsform auf eine SOFC, die mittels der elektrochemischen Reaktion zwischen dem im Brenngas enthaltenen Wasserstoff und dem im Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff Strom erzeugt. Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist jedoch in gleicher Weise auf eine elektrolytische Einzelzelle, bei der es sich um ein Konstruktionselement einer Festoxidelektrolysezelle (SOEC) handelt, die unter Nutzung der Elektrolysereaktion von Wasser Wasserstoff erzeugt, oder auf einen Elektrolysezellenstapel anwendbar, der mit mehreren elektrolytischen Einzelzellen versehen ist. Die Konstruktion des Elektrolysezellenstapels, die wie z. B. in JP 2016-081813 A gezeigt bereits bekannt ist, wird hier nicht ausführlich beschrieben. Der Elektrolysezellenstapel ist jedoch schematisch auf die gleiche Weise wie der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben erwähnten Ausführungsform konstruiert. Und zwar kann der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben erwähnten Ausführungsform als „Elektrolysezellenstapel“ und die Stromerzeugungseinheit 102 als „Elektrolysezelleneinheit“ und die Einzelzelle 110 als „elektrolytische Einzelzelle“ gelesen werden. Allerdings wird während des Betriebs des Elektrolysezellenstapels eine Spannung an die beiden Elektroden angelegt, so dass die Kathode 114 positiv (Pluspol) und die Anode 116 negativ (Minuspol) ist. Zugleich wird Wasserdampf als Rohgas über die Verbindungsbohrung 108 zugeführt. Hierdurch tritt die Elektrolysereaktion von Wasser in jeder Elektrolysezelleneinheit auf, Wasserstoffgas entsteht in der Brennstoffkammer 176 und Wasserstoff wird über die Verbindungsbohrung 108 aus dem Elektrolysezellenstapel entnommen. Die elektrolytische Einzelzelle und der Elektrolysezellenstapel mit dieser Konstruktion weisen auch den gleichen Effekt auf, indem die Konstruktion mit dem Schweißteil 200 ausgewählt wird, die identisch mit derjenigen der oben erwähnten Ausführungsform ist.
Das Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 100 in der oben erwähnten Ausführungsform dient lediglich als Beispiel und kann vielfältig modifiziert werden. In der oben erwähnten Ausführungsform wurde z. B. eine Laserbearbeitung zum Bilden des Schweißteils 200 ausgewählt. Jedoch ist das Bearbeitungsverfahren nicht darauf beschränkt, sondern es können auch andere Schmelzschweißverfahren (z. B.: Entladung) ausgewählt werden.
Bezugszeichenliste

22: Bolzen
24: Mutter
26: Isolierfolie
27: Gasdurchgangselement
28: Hauptkörper
29: Zweigabschnitt
100: Brennstoffzellenstapel
102: Stromerzeugungseinheit
104, 106: Endplatten
108: Verbindungsbohrung
110: Einzelzelle
112: Elektrolytschicht
114: Kathode
116: Anode
120: Separator
121, 131, 141: Bohrungen
124: Verbindungsteil
130: kathodenseitiger Rahmen
132: Verbindungsbohrung zum Einleiten von Oxidationsgas
133: Verbindungsbohrung zum Ableiten von Oxidationsgas
134: kathodenseitiger Stromkollektor
135: Stromkollektorelemente
140: anodenseitiger Rahmen
142: Verbindungsbohrung zum Einleiten von Brenngas
143: Verbindungsbohrung zum Ableiten von Brenngas
144: anodenseitige Stromkollektoren
145: der Elektrode zugewandter Abschnitt
146: dem Interkonnektor zugewandter Abschnitt
147: Verknüpfungsabschnitt
149: Abstandshalter
150: Interkonnektor
161: Manifold zum Einleiten von Oxidationsgas
162: Manifold zum Ableiten von Oxidationsgas
166: Luftkammer
171: Manifold zum Einleiten von Brenngas
172: Manifold zum Ableiten von Brenngas
176: Brennstoffkammer
180: Zwischenschicht
200: Schweißteil
210: herausragendes Teil

Die Ablösung zwischen der Elektrolytschicht und der Anode wird unterdrückt.
[Lösungsmittel]
Eine elektrochemische Reaktionseinzelzelle ist mit einer Elektrolytschicht, die ein festes Oxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode versehen, die sich in einer ersten Richtung entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen. Die elektrochemische Reaktionseinzelzelle ist ferner mit einem Schweißteil zum Verbinden der Elektrolytschicht mit der Anode versehen. Das Schweißteil befindet sich von der ersten Richtung aus gesehen an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht und der Anode. Das Schweißteil ist ferner derart ausgebildet, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht und der Anode erstreckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017174605 A [0003]
JP 2019220461 A [0003]
JP 2016157637 A [0003]
JP 2016081813 A [0063]

Claims

Elektrochemische Reaktionseinzelzelle mit einer Elektrolytschicht, die ein festes Oxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode, die sich in einer ersten Richtung entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schweißteil zum Verbinden der Elektrolytschicht mit der Anode vorgesehen ist, wobei sich das Schweißteil von der ersten Richtung aus gesehen an zumindest einem Teil des Außenumfangs der Elektrolytschicht und der Anode befindet und derart ausgebildet ist, dass es sich zwischen der Elektrolytschicht und der Anode erstreckt.
Elektrochemische Reaktionseinzelzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schweißteile vorgesehen sind, wobei die mehreren Schweißteile derart angeordnet sind, dass sie sich entlang der Umfangsrichtung der Elektrolytschicht und der Anode voneinander entfernen und nebeneinander befinden.
Elektrochemische Reaktionseinzelzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißteil ein herausragendes Teil aufweist, das sich von der ersten Richtung aus gesehen außerhalb der Elektrolytschicht befindet und sich an die Oberfläche der Elektrolytschicht anschließt, die der Anode abgewandt ist.
Elektrochemische Reaktionseinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzlinie zwischen dem Schweißteil und der Anode in zumindest einem Schnitt, der parallel zur ersten Richtung verläuft, konvex und konkav ausgebildet ist.
Elektrochemischer Reaktionszellenstapel mit mehreren Elektrochemischen Reaktionseinzelzellen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der mehreren elektrochemischen Reaktionseinzelzellen die elektrochemische Reaktionseinzelzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.