DE112006000220T5 - Zelle für Festoxid-Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzelle - Google Patents

Zelle für Festoxid-Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen enthaltend einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, indem eine für die Ausbildung einer Elektrolytschicht bestimmte Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver und einen Porenbildner enthält, auf die Oberfläche eines Elektrolytsubstrats aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat gebrannt wird, und einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht ausgebildet werden, indem eine für die Ausbildung einer Elektrode bestimmte Suspension, die ein Elektrodensubstanzpulver, ein Gemisch aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz enthält, auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats, auf welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, gebrannt wird.

Description

  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen und ein Verfahren zur Herstellung dieser Zelle.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Zelle einer Festoxid-Brennstoffzelle besitzt einen Elektrolyten, der zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode angeordnet ist. Der Elektrolyt, die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode werden aus einem Metalloxid bzw. einem Metall gebildet. Damit ist die Zelle vollständig ein Feststoff.
  • In der Festoxid-Brennstoffzelle findet eine Zellreaktion in einer Dreiphasengrenze statt, in welcher sämtliche Gase, die Ionen und die Elektronen reaktionsfähig sind. Zur Förderung der Zellenleistung muss aus diesem Grund die Dreiphasengrenzfläche vergrößert werden.
  • Herkömmlich wurde ein Verfahren zur Vergrößerung der Dreiphasengrenzfläche durch Vermischung einer Elektrolytsubstanz mit einer Elektrodensubstanz sowie ferner Ausbildung einer Elektrode mit porösem Gefüge eingesetzt. In diesem Verfahren wird die Dreiphasengrenze vergrößert, indem nicht nur die Kontaktfläche der Elektrolytsubstanz mit der Elektrodensubstanz vergrößert wird, sondern die Dreiphasengrenze auch in der Elektrode ausgebildet wird. Insbesondere wurde eine Elektrode mit einer porösen Struktur, in der eine Elektrolytsubstanz mit einer Elektrodensubstanz gemischt ist, aus pulverförmigen Verbundteilchen, in denen Mutterteilchen und Tochterteilchen enthalten und von denen letztere an die ersteren fixiert sind, hergestellt, indem etweder die Mutterteilchen oder die Tochterteilchen als Elektrolytsubstanz und die jeweils anderen als Brennstoffelektrodensubstanz bzw. Luftelektrodensubstanz verwendet wurden. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich Brennstoffelektrodensubstanz auf eine Substanz, die Wasser und Elektronen aus einem Wasserstoffbrennstoff und Oxidionen herstellen sowie Elektronen leiten kann, und Luftelektrodensubstanz bezieht sich auf eine Substanz, die Oxidionen aus Sauerstoff und Elektronen herstellen sowie Elektronen leiten kann, und Elektrolytsubstanz bezieht sich auf eine Substanz, die in einer Luftelektrode erzeugte Oxidionen zu einer Brennstoffelektrode leiten kann.
  • Als solche Verbundteilchen und als eine aus den Verbundteilchen ausgebildete Elektrode offenbart beispielsweise JP-A-10-144337 (Patentdokument 1) Verbundteilchen, die ein Metall mit Elektrodenaktivität (beispielsweise Nickeloxid), welches auf der Oberfläche eines Oxids mit Sauerstoffionenleitfähigkeit (beispielsweise Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid) aufliegt, und eine aus diesen Verbundteilchen hergestellte Brennstoffelektrode für Festelektrolyt-Brennstoffzellen enthalten.
  • Es gibt jedoch eine natürliche Grenze für die Vergrößerung der Dreiphasengrenze durch Verminderung der Teilchengröße von Mutterteilchen und Tochterteilchen.
  • Deshalb wurde ein Verfahren eingesetzt, bei dem die Ausweitung der Dreiphasengrenze dadurch erreicht wurde, dass eine Dreiphasengrenze auch in einer Elektrolytschicht ausgebildet wurde, indem die Elektrolytschicht aus einem porösen Material hergestellt wurde und die Poren mit einer Elektrodensubstanz gefüllt wurden. Beispielsweise offenbart JP-A-3-147264 eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle, die eine poröse Schicht von Zirkoniumoxid, welche zuvor an der Grenzfläche einer Brennstoffelektrode befestigt wurde, und eine Festelektrolytplatte, welche sich zwischen der Brennstoffelektrode und einer Oxidationselektrode befindet, enthält und die Brennstoffelektrode aus Nickel bzw. einem Nickel-Zirkoniumoxid-Gemisch ausbildet, womit die poröse Schicht und die Poren gefüllt werden.
    • Patentdokument 1: JP-A-10-144337 (Beispiel 1)
    • Patentdokument 2: JP-A-3-147264 (Patentansprüche und Beispiele)
  • Im Verfahren nach JP-A-3-147264 erfolgt die Ausbildung der Poren dadurch, dass eine Suspension, in welcher eine pulverförmige Elektrolytsubstanz in einem Lösungsmittel wie Ethanol dispergiert bzw. eine ein Bindemittel wie Polyvinylbutyral enthaltende Flüssigkomponente im Lösungsmittel aufgelöst wurde, auf die Oberfläche einer Elektrolytplatte aufgebracht und die Beschichtung gebrannt wird. Die Poren werden durch das Abbrennen der Flüssigkomponente ausgebildet. Dabei befindet sich die Flüssigkomponente jedoch in der Suspension, die den Zwischenraum zwischen kugligen Elektrolytsubstanzen ausfüllt. Die Form der Flüssigkomponente in der Suspension, d.h. die Form der Poren nach dem Brennen, ließ sich aufgrund der Flüssigkeitseigenschaften schwer steuern. Unter den in der porösen Elektrolytschicht ausgebildeten Poren gibt es deshalb einige Poren, deren Größe (Durchmesser) nicht ausreicht, um sie mit einer Elektrodensubstanz wie Nickel auszufüllen. Um viele Poren mit einer für das Einfüllen einer Elektrodensubstanz wie Nickel ausreichenden Größe (Durchmesser) auszubilden, war es in dem in JP-A-3-147264 offenbarten Verfahren deshalb notwendig, das Verhältnis der Menge der Flüssigkomponente zur Menge des Elektrolytsubstanzpulvers in der Suspension so zu erhöhen, dass die Möglichkeit der Herstellung von Poren mit einem für das Einfüllen einer Elektrodensubstanz ausreichend großen Durchmesser verbessert werden kann. Jedoch wird durch einen hohen Anteil der Flüssigkomponente in der Suspension das Porenvolumen der Elektrolytschicht erhöht und die Menge an Elektrolytsubstanzpulver in der Elektrolytschicht verringert, was zu einer Verminderung der Bahnwege führt, in denen sich Elektronen bewegen, was wiederum die Leitfähigkeit der Elektrolytschicht reduziert. Eine verminderte Leitfähigkeit führt zu einer geringen Leistung der Brennstoffzelle. Aus diesem Grund war es bei Einsatz des Verfahrens nach JP-A-3-147264 schwierig, die Dreiphasengrenze auszudehnen, ohne dabei die Leitfähigkeit zu reduzieren.
  • Deshalb besteht ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen bereitzustellen, welches die Dreiphasengrenze der porösen Elektrolytschicht vergrößern kann und nur eine geringe Reduzierung der Leitfähigkeit der Elektrolytschicht aufweist.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Nach umfangreicher Forschungstätigkeit zur Erreichung des oben genannten Gegenstandes haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, (1) dass es möglich ist, wenn ein fester Porenbildner zu einer Suspension für die Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht gegeben wird, die Form der Poren in der porösen Elektrolytschicht zu kontrollieren, speziell dass der Zwischenraum zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers, d.h. der Porendurchmesser nach dem Brennen, größer sein kann als der Durchmesser des Porenbildners, da der Porenbildner im Zwischenraum zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers in der Suspension vorliegt und deshalb die Größe des Zwischenraums die Teilchengröße des Porenbildners nicht unterschreitet. Aus diesem Grunde lassen sich Poren mit einem für die Einfüllung einer Elektrodensubstanz ausreichend großen Durchmesser sicher ausbilden, wodurch eine lediglich geringe Verminderung der Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht und eine Vergrößerung der Dreiphasengrenze gesichert wird. Die Erfinder haben ferner festgestellt, (2) dass, wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers kleiner ist als der durchschnittliche Teilchendurchmesser des besagten Porenbildners, die Kontaktfläche des Elektrolytsubstanzpulvers vergrößert werden kann und sich die Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers leichter miteinander versintern lassen, was eine Erhöhung der Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht bewirkt.
  • Insbesondere besteht ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung (1) in der Bereitstellung eines Prozesses zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen, beinhaltend einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht dadurch ausgebildet wird, dass eine für die Ausbildung einer Elektrolytschicht bestimmte Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver und einen Porenbildner enthält, auf die Oberfläche eines Elektrolytsubstrats aufgetragen und das Elektrolytsubstrat gebrannt wird, und einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht, die mit einer Elektrodensubstanz gefüllt ist (Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht), und eine Elektrodenschicht ausgebildet werden, indem eine für die Ausbildung einer Elektrode bestimmte Suspension, die ein Elektrodensubstanzpulver, ein Gemisch von Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz enthält, auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, gebrannt wird.
  • Die vorliegende Erfindung (2) stellt eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit einer Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht zur Verfügung, die sich durch Füllung der Poren einer porösen Elektrolytschicht erhalten lasst, welche aus einer Elektrolytsubstanz mit einer Porosität von 30 bis 70 % ausgebildet wurde, und einem Elektrodensubstanzpulver, einem Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. einem Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz.
  • Die vorliegende Erfindung (3) stellt eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit einer Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht zur Verfügung, die eine poröse Elektrolytschicht beinhaltet, die aus einer Elektrolytsubstanz und einem Elektrodensubstanzpulver, einem Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. einem Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz ausgebildet wird, womit die Poren der porösen Elektrolytschicht gefüllt werden, wobei das Porenvolumenverhältnis der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 30 bis 70 % beträgt.
  • Erfindungsgemäß kann ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen erhalten werden, das die Dreiphasengrenze der porösen Elektrolytschicht vergrößern kann und nur eine geringe Reduzierung der Leitfähigkeit der Elektrolytschicht aufweist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht im erfindungsgemäßen Produktionsprozess. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur Ausbildung einer Elektrodenschicht im erfindungsgemäßen Produktionsprozess. 3 ist eine schematische Darstellung eines Verbundteilchenpulvers und eines Aggregatpulvers aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine vergrößerte schematische Darstellung einer Stirnseite einer Elektrodensubstanzgepackten porösen Elektrolytschicht der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen. 5 ist eine Zeichnung ähnlich 4, worin eine poröse Elektrolytschicht 46, die eine Elektrodensubstanz-gepackte poröse Elektrolytschicht 42 aus 4 bildet, schattiert dargestellt ist. 6 ist eine Zeichnung ähnlich 4, worin die Fläche eines Hohlraums 47 in der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 aus 4 schraffiert ist. 7 ist eine schematische Darstellung einer porösen Elektrolytschicht 56. 8 ist eine Zeichnung ähnlich 7, worin Poren 57 in der porösen Elektrolytschicht 56 schraffiert sind. 9 ist eine Seitenansicht einer Messprobe konstanter Polarisation. 10 zeigt ein Diagramm, in dem die Messergebnisse für die Energieerzeugungseigenschaften der Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen dargestellt sind. 11 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrensschritts zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht in einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit poröser Elektrolytschicht. 12 ist eine schematische Darstellung eines Elektrolytsubstrats, auf dem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht in einem herkömmlichen Verfahren ausgebildet werden.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Der Prozess zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen (nachfolgend gelegentlich als „erfindungsgemäßer Produktionsprozess" bezeichnet) umfasst einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht und einen Verfahrensschritt zur Ausbildung einer Elektrodenschicht. Der erfindungsgemäße Produktionsprozess wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung des zum erfindungsgemäßen Produktionsprozess gehörenden Verfahrensschritts der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht, dargestellt als Seitenansicht mit Schnittebene senkrecht zur Oberflächenausrichtung des Elektrolytsubstrats. 2 ist eine schematische Darstellung des zum erfindungsgemäßen Produktionsprozess gehörenden Verfahrensschritts der Ausbildung einer Elektrodenschicht, dargestellt als Seitenansicht mit Schnittebene senkrecht zur Oberflächenausrichtung des Elektrolytsubstrats.
  • Ein Elektrolytsubstrat 10, auf das eine zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 14 bestimmte Suspension aufgetragen wird, kann dadurch erhalten werden, dass eine (zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 9 bestimmte) Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver (a) 12 und einen Porenbildner 13 (Festkomponente) in einer Flüssigkeit dispergiert enthält, auf eine der Oberflächen des Elektrolytsubstrats 11 ((I) in 1) aufgetragen wird. Die Flüssigkomponente der zur Ausbildung der Elektrolytschicht 14 aufgetragenen Schicht besteht hauptsächlich aus einem Lösungsmittel und einer im Lösungsmittel aufgelösten Bindemittelkomponente. In (I) von 1 füllt die zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 14 aufgetragene Schicht die Leerstellen zwischen dem Elektrolytsubstanzpulver (a) 12 und dem Porenbildner 13 aus. Um ein Elektrolytsubstanzpulver, das in der Suspension zur Ausbildung von Elektrolytschichten enthalten ist, von einem Elektrolytsubstanzpulver zu unterscheiden, das in der Suspension zur Ausbildung von weiter unten erwähnten Elektrodenschichten enthalten ist, wird in der vorliegenden Erfindung das in der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschichten enthaltene Elektrolytsubstanzpulver als Elektrolytsubstanzpulver (a) und das in der Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschichten enthaltene Elektrolytsubstanzpulver als Elektrolytsubstanzpulver (b) bezeichnet.
  • Ein Elektrolytsubstrat 20 mit einer darin ausgebildeten porösen Elektrolytschicht 22 lässt sich erhalten, indem das Elektrolytsubstrat 10, das mit einer zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 14 bestimmten Suspension beschichtet wurde, gebrannt wird. Im Zuge des Ausbrennen des Porenbildners 13 und der Flüssigkomponente in der zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 14 aufgetragenen Schicht werden Ausbrandwege dieser Stoffe zu Poren 21 ((II) in 1) und Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12 versintern in den Bereichen, in denen die Teilchen einander berühren.
  • Danach erfolgt der Auftrag einer Suspension, in welcher ein Elektrodensubstanzpulver 28 (Festkomponente) und eine Flüssigkomponente 26 dispergiert sind (Suspension zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 34), auf eine Oberfläche 24 der porösen Elektrolytschicht (die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht, die der mit dem Elektrolytsubstrat 11 in Berührung stehenden Oberfläche gegenüberliegt) des Elektrolytsubstrats 20, auf dem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, wobei die Poren 21 der porösen Elektrolytschicht 22 mit der zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 34 bestimmten Suspension imprägniert werden, und es lässt sich eine poröse Elektrolytschicht 27 erhalten, in welcher die eingefüllte Suspension zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 34 enthalten ist. Gleichzeitig wird eine Oberfläche 33 der porösen Elektrolytschicht auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolytsubstrats 11 der porösen Elektrolytschicht 27 ((III) in 2) mit einer Suspension zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 29 beschichtet. Auf diese Weise lässt sich das Elektrolytsubstrat 25 erhalten, welches die zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 29 aufgetragene Suspension und die innen ausgebildete poröse Elektrolytschicht enthält. Das Elektrodensubstanzpulver 28 ist ein Brennstoffelektrodensubstanzpulver, wenn die auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht 22 augebildete Elektrodenschicht eine Brennstoffelektrodenschicht ist, und ist ein Luftelektrodensubstanzpulver, wenn die Elektrodenschicht eine Luftelektrodenschicht ist.
  • Danach lassen sich eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 31, die mit dem Elektrodensubstanzpulver 28 gepackt wird, und ein Elektrolytsubstrat 30, in dem eine Elektrodenschicht 32 ausgebildet wird, dadurch erhalten, dass das Elektrolytsubstrat 25, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird ((IV) in 2), gebrannt wird. Hierbei wird die Flüssigkomponente 26 der für die Ausbildung einer Elektrodenschicht 34 verwendeten Suspension ausgebrannt und Teilchen des Elektrodensubstanzpulvers 28 sowie Teilchen des Elektrodensubstanzpulvers 28 und des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12 versintern in den Bereichen, in denen diese Teilchen miteinander in Berührung stehen.
  • Durch Ausführung des Verfahrensschrittes der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht und des Verfahrensschrittes der Ausbildung einer Elektrodenschicht werden auf diese Art und Weise auf einer der Oberflächen des Elektrolytsubstrats eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht, die mit dem Elektrodensubstanzpulver verfüllt wird, und eine Elektrodenschicht (entweder eine Brennstoffelektrodenschicht oder eine Luftelektrodenschicht) ausgebildet. Als nächstes wird eine weitere Elektrodenschicht (entweder eine Luftelektrodenschicht oder eine Brennstoffelektrodenschicht) ausgebildet, indem der Verfahrensschritt der Ausbildung der porösen Elektrolytschicht und der Verfahrensschritt der Ausbildung der Elektrodenschicht durchgeführt bzw. auf der anderen Oberfläche des Elektrolytsubstrats ein bekanntes Verfahren eingesetzt wird, wodurch eine Zelle zur Bildung von Festoxid-Brennstoffzellen erhalten wird. Es ist auch möglich, erst eine Elektrodenschicht (entweder eine Brennstoffelektrodenschicht oder eine Luftelektrodenschicht) auf einer der Oberflächen des Elektrolytsubstrats auszubilden und dann eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht, in welche das Elektrodensubstanzpulver gefüllt wird, und eine weitere Elektrodenschicht auf der anderen Oberfläche des Elektrolytsubstrats (entweder eine Luftelektrodenschicht oder eine Brennstoffelektrodenschicht) auszubilden, indem der Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht und der Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht ausgeführt wird, um eine Zelle zur Bildung von Festoxid-Brennstoffzellen zu erhalten. Es ist auch möglich, erst eine Elektrodenschicht (entweder eine Brennstoffelektrodenschicht oder eine Luftelektrodenschicht) und dann eine dichte Elektrolytschicht auf der Elektrodenschicht auszubilden, gefolgt vom Ausbilden einer Elektrodensubstanzgefüllten porösen Elektrolytschicht, in welche das Elektrodensubstanzpulver gefüllt wird, und eine weitere Elektrodenschicht (entweder eine Luftelektrodenschicht oder eine Brennstoffelektrodenschicht) auszubilden, indem der Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht und der Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht ausgeführt wird, um eine Zelle zur Bildung von Festoxid-Brennstoffzellen zu erhalten.
  • Insbesondere beinhaltet der erfindungsgemäße Produktionsprozess einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht dadurch ausgebildet wird, dass eine für die Ausbildung einer Elektrolytschicht bestimmte Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver und einen Porenbildner enthält, auf die Oberfläche eines Elektrolytsubstrats aufgetragen und das Elektrolytsubstrat gebrannt wird, und einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht ausgebildet werden, indem eine für die Ausbildung einer Elektrode bestimmte Suspension, die ein Elektrodensubstanzpulver, ein Gemisch von Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz enthält, auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats, auf welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, gebrannt wird.
  • Es gibt keinerlei Begrenzungen bei der Elektrolytsubstanz für das im erfindungsgemäßen Produktionsprozess eingesetzte Elektrolytsubstanzpulver (a), soweit es sich bei der Elektrolytsubstanz um eine Substanz handelt, die üblicherweise bei der Herstellung einer Elektrolytschicht einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen verwendet wird. Als Beispiele können Oxide eines oder mehrerer Metalle genannt werden, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Yttrium (Y), Zirkonium (Zr), Scandium (Sc), Cer (Ce), Samarium (Sm), Aluminium (Al), Titan (Ti), Magnesium (Mg), Lanthan (La), Gallium (Ga), Niob (Nb), Tantal (Ta), Silizium (Si), Gadolinium (Gd), Strontium (Sr), Ytterbium (Yb), Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) besteht. Unter den die Elektrolytsubstanz bildenden Metalloxiden, wie Oxide, die zwei oder mehr Metalle enthalten, können als Beispiele Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (ScSZ; Sc2O3-ZrO2), Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ;(10Sc2O3·CeO2)-ZrO2), Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ; Y2O3-ZrO2), Lanthangallat wie Lanthan-Strontium-Magnesium-Gallat (LSGM; La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3), Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkonium (Gd2O3-ZrO2), Samariumoxid-dotiertes Ceroxid (Sm2O3-CeO2), Gadoliniumoxid-dotiertes Ceroxid (Gd2O3-CeO2) und Yttriumoxid-dispergiertes Wismutoxid (Y2O3-Bi2O3) genannt werden. Von diesen sind Scandiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Scandiumoxid/Ceroxidstabilisiertes Zirkoniumoxid, Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Lanthangallate wie Lanthan-Strontrium-Magnesium-Gallat infolge ihrer bei Betriebstemperaturen ausgezeichneten Sauferstoffionenleitfähigkeit und Thermostabilität vorzugsweise einzusetzen. Samariumoxid-dotiertes Ceroxid und Gadoliniumoxid-dotiertes Ceroxid, die sowohl ionenleitfähig als auch elektronenleitfähig sind, können nicht nur als Metalloxid einer Elektrolytsubstanz, sondern auch als Metalloxid einer Brennstoffelektrodensubstanz eingesetzt werden, indem sie mit Nickeloxid gemischt werden, wie weiter unten noch beschrieben wird.
  • Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 3 Mikrometer, besonders vorzugsweise zwischen 0,05 Mikrometer und 1 Mikrometer, und insbesondere vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,7 Mikrometer. Je kleiner der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) ist, desto größer ist die Anzahl von Kontaktstellen zwischen Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) und desto einfacher ist die Versinterung der Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a), was zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht führt. Wenn jedoch der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) unter 0,01 Mikrometer liegt, ist die Schrumpfung der Elektrolytschicht bei Versinterung größer, wodurch die poröse Elektrolytschicht leicht beschädigt werden kann. Bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) von mehr als 3 Mikrometer hat die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht eine abnehmende Tendenz.
  • Beim Porenbildner gibt es keine spezifischen Begrenzungen. Als Porenbildner können jegliche Verbindungen eingesetzt werden, die sich in dem für die Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht eingesetzten Lösungsmittel nicht auflösen, als Feststoff in der Suspension vorhanden sind und beim Brennen zerstört werden. Als Beispiele für Porenbildner lassen sich Kohlepulver, Thermoplastpulver, Thermoplastfaser, Duroplastpulver, Duroplastfaser, Naturfaser und Naturfaserderivate nennen. Als Beispiele für Kohlepulver können Ruß (Carbon Black), Aktivkohle, Graphit und amorpher Kohlenstoff genannt werden. Der Gehalt der Metallkomponente im Kohlepulver beträgt vorzugsweise maximal 100 mg/kg. Kohlepulver ohne eine enthaltene Metallkomponente ist besonders vorzuziehen. Als Beispiele für Thermoplastpulver, Thermoplastfaser, Duroplastpulver und Duroplastfaser lassen sich Kohlenwasserstoffverbindungen wie Polystyrol nennen, oder Verbindungen, die andere Atome als Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, wie sauerstoffhaltige organische Verbindungen wie Polymethylmethacrylat, Phenolharz und Epoxidharz, stickstoffhaltige Verbindungen wie Polyamid, Melaminharz, Harnstoffharz und Polyurethan sowie schwefelhaltige Verbindungen wie Polysulfon. Von diesen sind Kohlenwasserstoffverbindungen und sauerstoffhaltige organische Verbindungen, die beim Brennen außer Kohlendioxid keine weiteren Gase erzeugen, vorzuziehen. Als Beispiele für Naturfasern lassen sich Cellulosefasern und Proteinfasern nennen. Die Cellulosefasern umfassen auch halbsynthetisches Acetat und Chemiefaser (Rayon). Als Beispiele für Naturfaserderivate lassen sich Ethylester von Naturfasern wie Ethylcellulose nennen.
  • Der Porenbildner kann in Form von Teilchen, Fasern oder Flocken vorliegen. Zu den Teilchen gehören auch solche mit kreisrundem Querschnitt, elliptischem Querschnitt, polygonalem Querschnitt und infinitem Querschnitt. Zu den Fasern gehören auch nadelförmige Fasern und zylindrische Fasern. In der vorliegenden Erfindung werden eine Konfiguration mit etwa gleichem Durchmesser in Längs-, Quer- und Tiefenrichtung als Pulver, eine Konfiguration mit einem extrem großen Quermaß gegenüber Längsmaß und Tiefe als Faser und eine Konfiguration mit einem extrem kleinen Längsmaß gegenüber Quermaß und Tiefe als Flocke bezeichnet. Diese werden jedoch nicht zwingend streng voneinander unterschieden, auch sind ihre Grenzen nicht zwingend streng definiert.
  • Wenn es sich beim Porenbildner um Teilchen handelt, beträgt der durchschnittliche Teilchendurchmesser vorzugsweise 0,1 bis 20 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,5 bis 10 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 1 bis 5 Mikrometer. Wenn der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Porenbildners den Wert von 0,1 Mikrometer unterschreitet, lassen sich die Poren dadurch schwer mit der zur Ausbildung der Elektrodenschicht verwendeten Suspension imprägnieren, da der Porendurchmesser der porösen Elektrolytschicht zu klein ist, und wenn der Wert von 20 Mikrometer überschritten wird, vermindert sich fortschreitend die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht, da das Porenvolumen der porösen Elektrolytschicht zu groß ist. Im Falle von Teilchen bezieht sich der durchschnittliche Teilchendurchmesser des partikelförmigen Porenbildners auf den Durchschnitt der größten Abmessung von Längs-, Quer- und Tiefenrichtung eines jeden Teilchens.
  • Wenn der Porenbildner faserförmig ist, beträgt der durchschnittliche Faserdurchmesser des Porenbildners vorzugsweise 0,01 bis 10 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,05 bis 5 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 0,1 Mikrometer bis 1 Mikrometer. Wenn der durchschnittliche Faserdurchmesser des Porenbildners den Wert von 0,1 Mikrometer unterschreitet, lassen sich die Poren dadurch schwer mit der zur Ausbildung der Elektrodenschicht verwendeten Suspension imprägnieren, da der Porendurchmesser der porösen Elektrolytschicht zu klein ist, und wenn der Wert von 10 Mikrometer überschritten wird, vermindert sich fortschreitend die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht, da das Porenvolumen der porösen Elektrolytschicht zu groß ist. Obwohl nicht spezifisch begrenzt, liegt der druchschnittliche Faserdurchmesser des Porenbildners vorzugsweise bei 0,001 Mikrometer bis 1 Mikrometer und besonders vorzugsweise bei 0,005 Mikrometer bis 0,5 Mikrometer. Im Falle von Fasern bezieht sich die durchschnittliche Faserlänge auf den Druchschnitt der Querabmessung einer jeden Faser, und der durchschnittliche Faserdurchmesser auf einen Durchschnitt der jeweils größeren Abmessung von Längsrichtung und Tieferrichtung eines jeden Teilchens.
  • Wenn der Porenbildner flockenförmig ist, beträgt der durchschnittliche Durchmesser des Porenbildners vorzugsweise 0,1 bis 20 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,5 bis 10 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 1 Mikrometer bis 5 Mikrometer. Wenn der durchschnittliche Durchmesser des Porenbildners den Wert von 0,1 Mikrometer unterschreitet, lassen sich die Poren dadurch schwer mit der zur Ausbildung der Elektrodenschicht verwendeten Suspension imprägnieren, da der Porendurchmesser der porösen Elektrolytschicht zu klein ist, und wenn der Wert von 20 Mikrometer überschritten wird, vermindert sich fortschreitend die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht, da das Porenvolumen der porösen Elektrolytschicht zu groß ist. Im Falle von Flocken bezieht sich der durchschnittliche Teilchendurchmesser des flockigen Porenbildners auf den Durchschnitt der jeweils größeren Abmessung von Quer- und Tiefenrichtung eines jeden Teilchens.
  • Das Verhältnis des durchschnittlichen Durchmessers des Porenbildners zum durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) (durchschnittlicher Porenbildnerdurchmesser/durchschnittlicher Teilchendurchmesser Elektrolytsubstanzpulver (a)) beträgt vorzugsweise 2 bis 1.000, besonders vorzugsweise 4 bis 100 und insbesondere vorzugsweise 5 bis 20. Wenn sich das Verhältnis des durchschnittlichen Porenbildnerdurchmessers zum durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (a) im oberen Bereich befindet, liegt eine hohe Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht vor. Beim fasrigen Porenbildner wird zur Bestimmung dieses Verhältnisses als durchschittlicher Porenbildnerdurchmesser die durchschnittliche Faserlänge genommen.
  • Die Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht enthält das Elektrolytsubstanzpulver (a) und den Porenbildner und kann hergestellt werden, indem das Elektrolytsubstanzpulver (a) und der Porenbildner in der Flüssigkomponente der Suspension dispergiert werden. Die Flüssigkomponente der Suspension umfasst ein organisches Lösungsmittel, eine im organischen Lösungsmittel aufgelöste Bindemittelkomponente und dergleichen.
  • Das Volumenverhältnis des Elektrolytsubstanzpulvers (a) zum Porenbildner (Elektrolytsubstanzpulver (a)/Porenbildner) beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10, besonders vorzugsweise 0,3 bis 3 und insbesondere vorzugsweise 0,66 bis 1,5. Wenn das Volumenverhältnis des Elektrolytsubstanzpulvers (a) zum Porenbildner den Wert von 0,1 unterschreitet, nimmt die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht tendenziell ab, und bei einem Wert über 10 lässt sich die Dreiphasengrenze schwer vergrößern, da das Volumen der Poren, in die das Elektrodensubstanzpulver gefüllt wird, sinkt.
  • Die Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht kann eine Bindemittelkomponente, die bei Auflösung in einem Lösungsmittel als Bindemittel fungiert, wie Polyvinylbutyralharz und Ethylzellulose, eine Weichmacherkomponente, die bei Auflösung in einem Lösungsmittel als Weichmacher (Plastifikator) fungiert, wie n-Butylphthalat, eine Dispergatorkomponente wie ein nichtionisches Dispersionsmittel, und eine Entschäumerkomponente wie Octylphenylether. Die Bindemittelkomponente, die Weichmacherkomponente, die Dispergatorkomponente und die Entschäumerkomponente werden in der Flüssigkomponente der zur Ausbildung der Elektrolytschicht vorgesehenen Suspension aufgelöst.
  • Die Viskosität der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht beträgt vorzugsweise 1.000 bis 50.000 mPa·s, besonders vorzugsweise 3.000 bis 20.000 mPa·s und insbesondere vorzugsweise 6.000 bis 12.000 mPa·s. Die Viskosität der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht lässt sich durch Verdampfung des in der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht enthaltenen Lösungsmittels mit Hilfe eines Verdampfers oder dergleichen einstellen.
  • Das Elektrolytsubstrat weist keine spezielle Begrenzung auf, soweit das Substrat aus einer Elektrolytsubstanz mit einem dichten Gefüge erzeugt wird, die keine Gaspermeation gestattet. Das Elektrolytsubstrat kann durch ein für die Herstellung einer Elektrolytschicht bekanntes Verfahren wie ein Siebdruckverfahren erhalten werden. Zur Erzeugung des Elektrolytsubstrats kann die gleiche Art von Elektrolytsubstanzen verwendet werden, wie diese auch für das Elektrolytsubstanzpulver (a) verwendet wird. Das Elektrolytsubstrat kann eine Elektrodenschicht (entweder eine Brennstoffelektrodenschicht oder eine Luftelektrodenschicht) besitzen, ausgebildet auf der Oberfläche gegenüberliegend zu der Oberfläche, auf welcher die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und die Elektrodenschicht (entweder eine Luftelektrodenschicht oder eine Brennstoffelektrodenschicht) ausgebildet werden.
  • Das Auftragsverfahren zur Aufbringung der für die Ausbildung einer Elektrolytschicht vorgesehenen Suspension auf das Elektrolytsubstrat unterliegt keinerlei Begrenzungen. Als Beispiele können ein Siebdruckverfahren und ein Rakelstreichverfahren genannt werden. Das Elektrolytsubstrat kann nach Auftrag der zur Ausbildung einer Elektrolytschicht vorgesehenen Suspension nach Bedarf getrocknet werden.
  • Die zur Ausbildung einer Elektrolytschicht auf das Elektrolytsubstrat aufgetragene Schichtdicke (die Schichtdicke der zur Ausbildung einer Elektrolytschicht 14 aufgetragenen Suspension in 1) beträgt vorzugsweise 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, besonders vorzugsweise 5 bis 30 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 10 bis 20 Mikrometer. Wenn die Schichtdicke der zur Ausbildung einer Elektrolytschicht aufgebrachten Suspension den Wert von 1 Mikrometer unterschreitet, nimmt die Größe der in der porösen Elektrolytschicht ausgebildeten Dreiphasengrenze tendenziell ab, und mit Überschreiten von 100 Mikrometern nimmt die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht fortschreitend ab. Die Dicke der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht (Dicke der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 31 in 2) wird gemäß der Schichtdicke der zur Ausbildung einer Elektrolytschicht aufgetragenen Suspension bestimmt.
  • Die Brenntemperatur im Verfahrensschritt der Elektrolytschicht-Ausbildung beträgt gewöhnlich 1.200 °C bis 1.550 °C, vorzugsweise 1.300 °C bis 1.450 °C und besonders vorzugsweise 1.350 °C bis 1.450 °C. Die Brenndauer liegt gewöhnlich bei 1 bis 20 Stunden, vorzugsweise 3 bis 10 Stunden und besonders vorzugsweise 4 bis 8 Stunden. Durch den Brennvorgang werden der Porenbildner und die Flüssigkomponente ausgebrannt und Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) miteinander versintert, wodurch die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird.
  • Das zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht verwendete Elektrodensubstanzpulver unterscheidet sich von dem Mischpulver, das zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht verwendet wird. Bei der Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht wird ein Brennstoffelektrodensubstanzpulver verwendet und bei der Ausbildung einer Luftelektrodenschicht wird ein Luftelektrodensubstanzpulver verwendet.
  • Es gibt keinerlei Begrenzungen bei der Brennstoffelektrodensubstanz, die für das im erfindungsgemäßen Produktionsprozess eingesetzte Brennstoffelektrodensubstanzpulver verwendet wird, soweit die Substanz üblicherweise bei der Herstellung einer Brennstoffelektrodenschicht einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen verwendet wird. Als Beispiele können Oxide eines oder mehrerer Metalle genannt werden, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Yttrium, Zirkonium, Scandium, Cer, Samarium, Aluminium, Titan, Magnesium, Lanthan, Gallium, Niob, Tantal, Silizium, Gadolinium, Strontium, Ytterbium, Eisen, Kobalt, Nickel und Calcium (Ca) besteht. Als Beispiele für das Metalloxid mit zwei oder mehreren enthaltenen Arten von Metallen lassen sich aus den die Brennstoffelektrodensubstanz bildenden Metalloxiden nennen: ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid (NiO) und Samariumoxid-dotiertem Ceroxid (Sm2O3-CeO2); ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid und Yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid (NiO-YSZ); ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid und Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (NiO-ScSZ); ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid und Samariumoxid-dotiertem Ceroxid; ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid, Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid und Samariumoxid-dotiertem Ceroxid; ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid, Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid und Ceroxid (CeO2); ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid, Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid und Ceroxid; ein Aggregat eines Gemisches von Kobaltoxid (Co3O4) und Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumoxid; ein Aggregat eines Gemisches von Kobaltoxid und Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid; ein Aggregat eines Gemisches von Rutheniumoxid (RuO2) und Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid; ein Aggregat eines Gemisches von Rutheniumoxid und Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid; und ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid und Gadoliniumoxid-dotiertem Ceroxid (Gd2O3-CeO2). Von diesen vorzuziehen sind ein Aggregat eines Gemischs von Nickeloxid und Samariumoxid-dotiertem Ceroxid, ein Aggregat eines Gemisches von Nickeloxid und Yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid und ein Aggregat eines Gemischs von Nickeloxid und Scandiumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid, da diese nicht mit Elektrolytsubstanzen reagieren und sich aufgrund der dichten Wärmeausdehnungskoeffizienten leicht an Elektrolytsubstanzen binden lassen.
  • Es gibt keinerlei Begrenzungen bei der Luftelektrodensubstanz, die für das im erfindungsgemäßen Produktionsprozess eingesetzte Luftelektrodensubstanzpulver verwendet wird, soweit die Substanz üblicherweise bei der Herstellung einer Luftelektrodenschicht einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen verwendet wird. Als Beispiele können Oxide eines oder mehrerer Metalle genannt werden, die aus der Gruppe gewählt werden, die aus Yttrium, Zirkonium, Scandium, Cer, Samarium, Aluminium, Titan, Magnesium, Lanthan, Gallium, Niob, Tantal, Silizium, Gadolinium, Strontium, Ytterbium, Eisen, Kobalt, Nickel, Calcium und Mangan (Mn) besteht. Als Beispiele für Metalloxide mit zwei oder mehr enthaltenen Arten von Metallen können von den die Luftelektrodensubstanz bildenden Metalloxiden Lanthanstrontiummanganat (La0 . 8Sr0 . 2MnO3), Lanthancalciumcobaltat (La0.9Ca0.1CoO3), Lanthanstrontiumcobaltat (La0.9Sr0 . 1CoO3), Lanthancobaltat (LaCoO3), Lanthancalciummanganat (La0 . 9Ca0 . 1MnO3) und dergleichen genannt werden. Von diesen Oxiden ist Lanthanstrontiummanganat aufgrund seiner Eigenschaften zu bevorzugen, da es nicht mit Elektrolytsubstanzen reagiert und sich aufgrund der dichten Wärmeausdehnungskoeffizienten leicht an Elektrolytsubstanzen binden lässt.
  • Im erfindungsgemäßen Produktionsprozess ist das Mischpulver ein Gemisch aus dem Elektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (b). Das zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht verwendete Mischpulver unterscheidet sich von dem Mischpulver, das zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht verwendet wird. Wenn eine Brennstoffelektrodenschicht gebildet wird, ist das Mischpulver ein Gemisch aus dem Brennstoffelektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (b), und wenn eine Luftelektrodenschicht gebildet wird, ist das Mischpulver ein Gemisch aus dem Luftelektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (b). Die Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht ist vorzugsweise eine das Mischpulver enthaltende Suspension, um so eine hohe Leistung der Brennstoffzelle sicherzustellen. Wenn als Suspension zur Ausbildung einer Elektrodenschicht eine Suspension verwendet wird, in der ein Gemisch aus dem Elektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (b) enthalten ist, beträgt das Volumenverhältnis des Elektrolytsubstanzpulvers (b) zum Elektrodensubstanzpulver (Elektrolytsubstanzpulver (b)/Elektrodensubstanzpulver) 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 und besonders vorzugsweise 0,6 bis 1,0. Das Volumenverhältnis im obigen Wertebereich sichert eine hohe Leistung der Brennstoffzelle. Für das Elektrolytsubstanzpulver (b) kann die gleiche Art von Elektrolytsubstanzen verwendet werden, die für das Elektrolytsubstanzpulver (a) verwendet wird.
  • Das Verbundpulver aus der Elektrodensubstanz und der Elektrolytsubstanz ist ein aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz gebildetes Teilchenaggregat. Speziell wird jedes einzelne Teilchen des Verbundpulvers von Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz jeweils sowohl aus der Elektrodensubstanz als auch aus der Elektrolytsubstanz hergestellt. Als Beispiele für das Verbundstoffpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz können ein Verbundteilchenpulver, das Mutterteilchen und an den Mutterteilchen fixierte Tochterteilchen beinhaltet, und ein Aggregatpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz genannt werden. Das Verbundteilchenpulver und das Aggregatpulver aus der Elektrodensubstanz und der Elektrolytsubstanz wird nun unter Bezugnahme auf 3 erläutert. 3 ist eine schematische Darstellung eines Verbundteilchenpulvers und eines Aggregatpulvers aus der Elektrodensubstanz und der Elektrolytsubstanz gemäß vorliegender Erfindung. In 3 beinhalten Verbundteilchen 35 ein oder mehrere Tochterteilchen 37, die an der Oberfläche der Mutterteilchen 36 fixiert sind ((A) in 3). Wenn die auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenschicht eine Brennstoffelektrodenschicht ist, sind in den die Mutterteilchen 36 und die Tochterteilchen 37 beinhaltenden Verbundteilchen 35 die Mutterteilchen 36 eine Elektrolytsubstanz und die Tochterteilchen 37 eine Brennstoffelektrodensubstanz bzw. die Mutterteilchen 36 eine Brennstoffelektrodensubstanz und die Tochterteilchen 37 eine Elektrolytsubstanz. Wenn die auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenschicht eine Luftelektrodenschicht ist, sind in den die Mutterteilchen 36 und die Tochterteilchen 37 beinhaltenden Verbundteilchen 35 die Mutterteilchen 36 eine Elektrolytsubstanz und die Tochterteilchen 37 eine Luftelektrodensubstanz bzw. die Mutterteilchen 36 eine Luftelektrodensubstanz und die Tochterteilchen 37 eine Elektrolytsubstanz. Als Elektrolytsubstanz des Verbundteilchenpulvers kann die gleiche Art von Elektrolytsubstanzen eingesetzt werden, die als Elektrolytsubstanzpulver (a) verwendet wird, als Brennstoffelektrodensubstanz des Verbundteilchenpulvers kann die gleiche Art von Brennstoffelektrodensubstanzen eingesetzt werden, die als Brennstoffelektrodensubstanzpulver verwendet wird, und als Luftelektrodensubstanz des Verbundteilchenpulvers kann die gleiche Art von Luftelektrodensubstanzen eingesetzt werden, die als Luftelektrodensubstanzpulver verwendet wird. Es gibt beim Verbundteilchenpulver keine besonderen Begrenzungen, soweit ein Verbundteilchenpulver verwendet wird, wie es üblicherweise zur Herstellung einer Elektrode für Festoxid-Brennstoffzellen eingesetzt wird.
  • In 3 ist das Aggregat 39 einer Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz ein Aggregat (Sekundärteilchen), das aus der Aggregation einer Elektrodensubstanz 381 und einer Elektrolytsubstanz 382, welche die Primärpartikel sind, erzeugt wurde ((B) in 3). Die im Aggregat 39 einer Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz verwendete Elektrodensubstanz 381 ist eine Brennstoffelektrodensubstanz, wenn die auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenschicht eine Brennstoffelektrodenschicht ist, und eine Luftelektrodensubstanz, wenn die auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht ausgebildete Elektrodenschicht eine Luftelektrodenschicht ist. Als Elektrolytsubstanz des pulverförmigen Aggregats von Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz kann die gleiche Art von Elektrolytsubstanzen eingesetzt werden, die als das Elektrolytsubstanzpulver (a) verwendet wird, als Brennstoffelektrodensubstanz des pulverförmigen Aggregats von Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz kann die gleiche Art von Brennstoffelektrodensubstanzen eingesetzt werden, die als das Brennstoffelektrodensubstanzpulver verwendet wird, und als Luftelektrodensubstanz des pulverförmigen Aggregats von Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz kann die gleiche Art von Luftelektrodensubstanzen eingesetzt werden, die als das Luftelektrodensubstanzpulver verwendet wird.
  • Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrodensubstanzpulvers, des Mischpulvers aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) und des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz beträgt vorzugsweise 0,001 bis 10 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,005 Mikrometer bis 1 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 0,01 bis 0,5 Mikrometer. Je kleiner der durchschnittliche Teilchendurchmesser ist, desto leichter lassen sich das Elektrodensubstanzpulver, das Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) sowie das Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz in die poröse Elektrolytschicht einfüllen, desto größer ist die Dreiphasengrenze und desto leichter lassen sich die Teilchen miteinander versintern. Dies ermöglicht die Erhöhung der Leitfähigkeit der Elektrodenschicht. Wenn jedoch der durchschnittliche Teilchendurchmesser den Wert von 0,001 Mikrometer unterschreitet, tritt tendenziell eine übermäßige Versinterung der Teilchen auf, was eine Verminderung der Oberfläche der Elektrodenschicht bewirkt. Bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von über 10 Mikrometern kommt es dazu, dass die in die Poren der porösen Elektrolytschicht eingefüllte Menge an Elektrodensubstanzpulver, an Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) und an Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz fortschreitend abnimmt. Im Falle des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz gilt der durchschnittliche Durchmesser der Mutterteilchen als durchschnittliche Durchmesser der Teilchen des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz.
  • Wenn es sich beim Verbundpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz um die Verbundteilchen handelt, beträgt das Gehaltverhältnis des durchschnittlichen Teilchendurchmessers von Tochterteilchen zum durchschnittlichen Teilchendurchmesser von Mutterteilchen (Tochterteilchen/Mutterteilchen), obwohl nicht speziell begrenzt, vorzugsweise 0,001 bis 1,0 und besonders vorzugsweise 0,01 bis 0,1.
  • Das Verhältnis des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des in der Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht enthaltenen Elektrodensubstanzpulvers, eines Mischpulvers aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz zum durchschnittlichen Porendurchmesser des Porenbildners (durchschnittlicher Teilchendurchmesser des Elektrodensubstanzpulvers, eines Mischpulvers aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz/durchschnittlicher Teilchendurchmesser des Porenbildners) beträgt vorzugsweise 0,001 bis 1, besonders vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und insbesondere vorzugsweise 0,001 bis 0,01. Das Verhältnis des durchschnittlichen Teilchendurchmessers im obigen Wertebereich gewährleistet, dass das Elektrodensubstanzpulver und das Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. das Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz sich leicht in die poröse Elektrolytschicht einfüllen lässt, und vergrößert damit die Dreiphasengrenze.
  • Das Verbundteilchenpulver kann durch ein in der technischen Praxis bekanntes Verfahren hergestellt werden, in dem ein Mutterteilchenpulver einer Elektrolytsubstanz und ein Tochterteilchenpulver einer Brennstoffelektrodensubstanz, ein Mutterteilchenpulver einer Brennstoffelektrodensubstanz und ein Tochterteilchenpulver einer Elektrolytsubstanz, ein Mutterteilchenpulver einer Elektrolytsubstanz und ein Tochterteilchenpulver einer Luftelektrodensubstanz bzw. ein Mutterteilchenpulver einer Luftelektrodensubstanz und ein Tochterteilchenpulver einer Elektrolytsubstanz eingesetzt werden. Das Aggregatpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz kann beispielsweise durch ein gemeinhin als Sprühpyrolyse bzw. Spray-Pyrolyse bezeichnetes Verfahren hergestellt werden, bei dem Tröpfchen einer ein Metallion enthaltenden wässrigen Lösung in einen Heizkessel eingesprüht werden, um so ein Aggregatpulver eines Metalloxids zu erhalten, wobei als die einzusprühende wässrige Lösung eine solche wässrige Lösung eingesetzt wird, die sowohl ein Metallion des Metalls, das durch Oxidationsreaktion in eine Elektrodensubstanz umgewandelt wird, als auch ein Metallion des Metalls, das durch eine Oxidationsreaktion in eine Elektrolytsubstanz umgewandelt wird, enthält.
  • Die Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht enthält das Elektrodensubstanzpulver, ein Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. das Verbundpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz und kann erhalten werden, indem das Elektrodensubstanzpulver, ein Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. das Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz in der Flüssigkomponente der Suspension dispergiert wird. Die Flüssigkomponente der Suspension umfasst ein organisches Lösungsmittel, eine im organischen Lösungsmittel aufgelöste Bindemittelkomponente und dergleichen.
  • Die Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht kann eine Bindemittelkomponente, eine Weichmacherkomponente, eine Dispergatorkomponente bzw. eine Entschäumerkomponente enthalten. Die Bindemittel-, Weichmacher-, Dispergator- und Entschäumerkomponenten, die in der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension eingesetzt werden, sind die gleichen, die in der zur Ausbildung der Elektrolytschicht vorgesehenen Suspension verwendet werden.
  • Die Viskosität der Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht beträgt vorzugsweise 1.000 bis 50.000 mPa·s, besonders vorzugsweise 3.000 bis 20.000 mPa·s und insbesondere vorzugsweise 3.000 bis 12.000 mPa·s. Die Viskosität der Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht lässt sich durch Verdampfung des in der Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht enthaltenen Lösungsmittels mit Hilfe eines Verdampfers oder dergleichen einstellen. Je kleiner die Viskosität der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension ist, desto leichter lassen sich die Poren der porösen Elektrolytschicht mit der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension imprägnieren. Wenn die Viskosität der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension einen Wert von 1.000 mPa·s unterschreitet, kann die Suspension zur Ausbildung der Elektrodenschicht 29 ihre Form nach erfolgtem Auftrag schwer halten, und wenn die Viskosität einen Wert von 50.000 mPa·s übersteigt, lassen sich die Poren der porösen Elektrolytschicht schwer mit der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension imprägnieren.
  • Es gibt keine besonderen Begrenzungen für das Verfahren zum Auftragen der zur Ausbildung einer Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht eines Elektrolytsubstrats, auf welchem die Elektrolytschicht ausgebildet wird (die Oberfläche, die der mit dem Elektrolytsubstrat in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt). Als Beispiele können ein Siebdruckverfahren und ein Rakelstreichverfahren genannt werden. Das Elektrolytsubstrat, auf dem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wurde, kann nach Auftrag der zur Ausbildung einer Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension nach Bedarf getrocknet werden.
  • Die Dicke der zur Ausbildung einer Elektrodenschicht aufgetragenen Suspensionsschicht 29 beträgt vorzugsweise 5 bis 2.000 Mikrometer, besonders vorzugsweise 10 bis 500 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 10 bis 100 Mikrometer, wenn die Elektrodenschicht nach erfolgter Ausbildung als Stützglied fungiert, und vorzugsweise 3 bis 2.000 Mikrometer, besonders vorzugsweise 10 bis 100 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 10 bis 50 Mikrometer, wenn die Elektrodenschicht nach erfolgter Ausbildung nicht als Stützglied fungiert.
  • Die Brenntemperatur im Verfahrensschritt der Elektrodenschicht-Ausbildung beträgt gewöhnlich 1.100 °C bis 1.600 °C, vorzugsweise 1.100 °C bis 1.500 °C und besonders vorzugsweise 1.100 °C bis 1.400 °C. Die Brenndauer liegt gewöhnlich bei 1 bis 20 Stunden, vorzugsweise 3 bis 10 Stunden und besonders vorzugsweise 3 bis 8 Stunden. In der Verfahrensstufe des Brennens wird die Flüssigkomponente in der zur Ausbildung der Elektrodenschicht vorgesehenen Suspension ausgebrannt und werden gleichzeitig das Elektrodensubstanzpulver, das Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. das Verbundpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz versintert, so dass eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht, die mit dem Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz gefüllt ist, entsteht.
  • Da der Durchmesser von in der porösen Elektrolytschicht ausgebildeten Poren kontrollierbar ist, lassen sich Poren mit dem notwendigen Durchmesser für das Füllen mit Elektrodensubstanzpulver, Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz entsprechend dem erfindungsgemäßen Produktionsprozess sicher bilden. Deshalb enthält die poröse Elektrolytschicht der durch den erfindungsgemäßen Produktionsprozess erhaltenen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen, im Vergleich zu einer ohne Einsatz eines Porenbildners produzierbaren porösen Elektrolytschicht herkömmlicher Zellen für Festoxid-Brennstoffzellen, eine große Menge an Elektrodensubstanzpulver, an Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (b) bzw. an Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz.
  • Die Wirkung des erfindungsgemäßen Produktionsprozesses wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1, 2, 11 und 12 durch das Aufzeigen von Unterschieden zu einem herkömmlichen Produktionsprozess erläutert. 11 ist eine schematische Darstellung der Verfahrensstufe der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht eines herkömmlichen Prozesses für die Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit einer porösen Elektrolytschicht (nachfolgend gelegentlich bezeichnet als „herkömmlicher Produktionsprozess"), beispielsweise einer Verfahrensstufe der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht aus dem in JP-A-3-147264 beschriebenen Produktionsprozess, dargestellt durch eine Seitenansicht mit Schnitt entlang einer Ebene senkrecht zur Oberflächenausrichtung des Elektrolytsubstrats. 12 ist eine schematische Darstellung eines Elektrolytsubstrats, auf welchem eine Elektrodensubstanzgefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht durch einen herkömmlichen Produktionsprozess ausgebildet werden, dargestellt durch eine Seitenansicht mit Schnitt entlang einer Ebene senkrecht zur Oberflächenausrichtung des Elektrolytsubstrats. Im herkömmlichen Produktionsprozess lässt sich ein mit einer das Elektrolytsubstanzpulver enthaltenden Suspensionsschicht 74 beschichtetes Elektrolytsubstrat 70 dadurch erhalten, dass eine ein Elektrolytsubstanzpulver 72 enthaltende Suspension 79 auf ein Elektrolytsubstrat 71 aufgetragen wird ((V) in 11). Gebildet wird die Suspensionsschicht 74 aus einer Festkomponente wie das Elektrolytsubstanzpulver 72 und einer Flüssigkomponente 73, in welcher eine Bindemittelkomponente wie Polyvinylbutyral aufgelöst ist. Die Flüssigkomponente 73 wird beim Brennen des Elektrolytsubstrats 70 ausgebrannt, wodurch ein Elektrolytsubstrat 75 erhalten werden kann, auf welchem eine poröse Elektrolytschicht 77 ausgebildet wird ((VI) in 11). Als nächstes wird eine ein Elektrodensubstanzpulver 81 enthaltende Suspension auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht aufgetragen, um zu bewirken, dass sich die Poren in der porösen Elektrolytschicht 77 mit der ein Elektrodensubstanzpulver 81 enthaltenden Suspension imprägnieren, und um gleichzeitig auf der Oberfläche der porösen Elektrolytschicht 77 eine Suspensionsschicht auszubilden. Danach erfolgt das Brennen des Elektrolytsubstrats 75, auf dem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, um ein Elektrolytsubstrat 80 zu erhalten, in welchem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 82, die mit dem Elektrodensubstanzpulver 81 gefüllt ist, und eine Elektrodenschicht 83 ausgebildet werden (12).
  • Um das Porenvolumen in der porösen Elektrolytschicht 77 zu erhöhen, muss im herkömmlichen Produktionsprozess das Mengenverhältnis der Flüssigkomponente 73 (speziell Bindemittelkomponente und Lösungsmittel) zum Elektrolytsubstanzpulver 72 erhöht werden. Obwohl die Flüssigkomponente 73 den Leerraum im Elektrolytsubstanzpulver 72 in der Suspension 74 ausfüllt, ist die Form, wie in 11(V) dargestellt, nicht zwingend festgefügt und kann nicht kontrolliert werden, da die Suspension eine Flüssigkeit ist. Da die Flüssigkomponente 73 nach ihrem Ausbrennen zu Poren 76 der porösen Elektrolytschicht 77 wird, kann die Porenform, insbesondere der Durchmesser von Poren, im herkömmlichen Produktionsprozess nicht kontrolliert werden, wobei Bereiche entstehen, in denen der Porendurchmesser äußerst gering ist, wie in 11(VI) dargestellt (zum Beispiel 78a und 78b). Wenn die das Elektrodensubstanzpulver 81 enthaltende Suspension auf die poröse Elektrolytschicht 77 aufgetragen wird, falls der Durchmesser von Poren größer ist als der Teilchendurchmesser des Elektrodensubstanzpulvers 81 wie bei den Poren 76a und 76b im gesamten Bereich, werden alle Poren 76a und 76b mit der ein solches Elektrodensubstanzpulver enthaltenden Suspension imprägniert. Wenn es jedoch Bereiche wie Poren 76c und 76d gibt, in denen der Porendurchmesser kleiner ist als der Teilchendurchmesser des Elektrodensubstanzpulvers 81 (78a und 78b), erfolgt innerhalb der Poren 76c und 76d keine Imprägnierung mit der Suspension. Deshalb gibt es Poren (Poren 76c und 76d), die an der Vergrößerung der Dreiphasengrenze in der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 82, in die das Elektrodensubstanzpulver 81 gefüllt wird, in keiner Weise teilhaben. Im herkömmlichen Produktionsprozess war somit eine nachteilige Wirkung, bedingt durch eine Zunahme von Poren in der porösen Elektrolytschicht, größer als die vorteilhafte Wirkung, die durch die Vergrößerung der Dreiphasengrenze durch Erhöhung des Porenvolumens erzielt wurde. Auffälliger war dabei eine gegenteilige Wirkung infolge der Verminderung der Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht.
  • Andererseits kann im erfindungsgemäßen Produktionsprozess die Form von Poren in der porösen Elektrolytschicht 22 kontrolliert werden, indem der für die Ausbildung der Elektrolytschicht 9 bestimmten Suspension der Feststoff-Porenbildner 13 zugegeben wird. Insbesondere befindet sich der Porenbildner 13 im Raum zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12 in der zur Ausbildung der Elektrolytschicht 9 vorgesehenen Suspension und da es sich beim Porenbildner 13 um einen Feststoff handelt, sind die Abstände zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12 in dem Bereich, in dem der Porenbildner 13 sich befindet, nicht kleiner als der Durchmesser des Porenbildners 13. Da die Teilchenabstände des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12, d.h. die Porengröße nach der Versinterung, den Durchmesser des Porenbildners 13 übersteigen können, lassen sich somit Poren, die einen für das Einfüllen des Elektrodensubstanzpulvers 28 notwendigen Durchmesser aufweisen, sicher ausbilden. Dadurch ist sichergestellt, dass sämtliche Poren 21 der porösen Elektrolytschicht 22 mit der zur Ausbildung einer Elektrodenschicht 34 bestimmten Suspension imprägniert werden, wobei die Elektrodensubstanzgefüllte poröse Elektrolytschicht 31, die das eingefüllte Elektrodensubstanzpulver 28 enthält, überall im Inneren der Poren in der porösen Elektrolytschicht erhalten werden kann. Da entsprechend dem erfindungsgemäßen Produktionsprozess die meisten Poren der porösen Elektrolytschicht an der Ausbildung der Dreiphasengrenze teilnehmen können, kann im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsverfahren insbesondere die Größe der Dreiphasengrenze ausgedehnt werden. Deshalb ist in dem erfindungsgemäßen Produktionsprozess die vorteilhafte Wirkung, die durch die Vergrößerung der Dreiphasengrenze erzielt wird, größer als die nachteilige Wirkung der verminderten Leitfähigkeit durch Erhöhung des Porenvolumens.
  • Darüber hinaus ist es im erfindungsgemäßen Produktionsprozess möglich, die poröse Elektrolytschicht 22 mit einem Elektrolytsubstanzpulver (a) 12 auszubilden, dessen Teilchendurchmesser kleiner als der Porendurchmesser der porösen Elektrolytschicht 22 ist, indem ein Elektrolytsubstanzpulver (a) 12 verwendet wird, dessen durchschnittlicher Teilchendurchmesser kleiner als der durchschnittliche Porendurchmesser des Porenbildners 13 ist. Eine solche poröse Elektrolytschicht 22 hat eine höhere Zahl von Kontaktstellen zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12 pro Einheitsvolumen (ein scheinbares Volumen mit Einbeziehung des Volumens der Poren) und erleichtert die gegenseitige Versinterung der Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (a) 12. Deshalb kann die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht erhöht werden.
  • Die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen besitzt eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht, welche eine aus einer Elektrolytsubstanz gebildete poröse Elektrolytschicht umfasst, wobei das Porenvolumenverhältnis der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 30 bis 70 % beträgt, sowie ein in die Poren der porösen Elektrolytschicht gefülltes Elektrodensubstanzpulver, Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver (d) bzw. Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz. Zur Unterscheidung eines Elektrolytsubstanzpulvers, mit dem die poröse Elektrolytschicht gebildet wird, vom Elektrolytsubstanzpulver, das in die Poren der porösen Elektrolytschicht eingefüllt wird, wird in der vorliegenden Erfindung das die poröse Elektrolytschicht bildende Elektrolytsubstanzpulver als Elektrolytsubstanzpulver (c) und das in die Poren der porösen Elektrolytschicht eingebrachte Elektrolytsubstanzpulver als Elektrolytsubstanzpulver (d) bezeichnet.
  • Die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen wird unter Bezugnahme auf 4 erläutert. 4 ist eine vergrößerte schematische Darstellung einer Stirnseite einer Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen. Wie in 4 dargestellt, hat eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen 40 eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 bestehend aus einer porösen Elektrolytschicht 46 und einem in die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 gefüllten Elektrodensubstanzpulver 45. Die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 wird auf der Oberfläche eines Elektrolytsubstrats 41 ausgebildet und eine Elektrodenschicht 43 wird auf derjenigen Oberfläche der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 ausgebildet, die der in Kontakt mit dem Elektrolytsubstrat 41 stehenden Oberfläche gegenüberliegt.
  • Die poröse Elektrolytschicht 46, die die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 darstellt, wird aus einem Elektrolytsubstanzpulver (c) 44 gebildet.
  • In der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen können als Elektrolytsubstanzpulver (c) 44 die gleichen Arten von Elektrolytsubstanzen eingesetzt werden, die als Elektrolytsubstanzpulver (a) im oben erwähnten Produktionsprozess verwendet werden.
  • Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (c) 44 beträgt vorzugsweise 0,01 bis 3 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,05 Mikrometer bis 1 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 0,1 bis 0,7 Mikrometer. Je kleiner der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (c) ist, desto größer ist die Anzahl von Kontaktstellen zwischen den Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (c) und desto einfacher ist die Versinterung der Teilchen des Elektrolytsubstanzpulvers (c), was zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht führt. Wenn jedoch der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (c) unter 0,01 Mikrometer liegt, ist die Schrumpfung der porösen Elektrolytschicht bei der Versinterung groß, wodurch die Herstellung der porösen Elektrolytschicht erschwert bzw. eine Beschädigung der porösen Elektrolytschicht erleichtert wird. Bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser des Elektrolytsubstanzpulvers (c) von mehr als 3 Mikrometern hat die Leitfähigkeit der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht eine abnehmende Tendenz.
  • Die poröse Elektrolytschicht 46 ist porös und hat Poren. Das Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 beträgt 30 bis 70 %, vorzugsweise 35 bis 60 % und besonders vorzugsweise 40 bis 50 %. Bei einem Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 von weniger als 30 % ist die Leistung der Brennstoffzellen gering und bei über 70 % ist die Leistung der Brennstoffzelle gering bzw. die mechanische Festigkeit der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht niedrig. Das scheinbare Volumen der Eletrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 bezieht sich auf das Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 einschließlich eines Hohlraums 47 (4) der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42, d.h. einschließlich des Volumens der Poren der porösen Elektrolytschicht 46, die nicht mit dem Elektrodensubstanzpulver 45 gefüllt sind. Das Volumen der porösen Elektrolytschicht 46 bezieht sich auf das Volumen der in der porösen Elektrolytschicht 46 ausgebildeten Poren und ist die Summe aus dem Volumen des Elektrodensubstanzpulvers 45 und dem Volumen des Hohlraums 47.
  • Das Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 lässt sich in der vorliegenden Erfindung bestimmen, indem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 entlang der Ebene geschnitten wird, die senkrecht zur Oberfläche des Elektrolytsubstrats 41 steht, auf dem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 ausgebildet wird, und anhand eines willkürlichen Querschnitts der prozentuale Anteil der Querschnittsfläche der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 an der scheinbaren Querschnittsfläche der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 berechnet wird. Ein spezielles Verfahren zur Bestimmung des Volumenverhältnisses der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird nunmehr unter Bezugnahme auf 5 erläutert. 5 ist eine Zeichnung ähnlich 4, worin eine poröse Elektrolytschicht 46, die eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 aus 4 bildet, schattiert dargestellt ist. Zuerst wird die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 entlang einer willkürlichen Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Elektrolytsubstrats 41 geschnitten, auf dem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 ausgebildet wird. Danach wird der Schnitt der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 in einer vorgenommenen REM-Aufnahme mit einem Rahmen abgegrenzt, um die Fläche in einem eingerahmten Bereich 51 (mit durchgehender Linie umschlossener Teil in 5) zu bestimmen. Als nächstes wird die Fläche des Porenquerschnitts 52 (der schraffierte Teil im eingerahmten Bereich 51 in 5) der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 bestimmt. Das Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanzgefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird mit der folgenden Formel (1) berechnet. Volumenverhältnis von Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 (%) = (Fläche Porenquerschnitt 52)/(Fläche im gerahmten Bereich 51) × 100 (1)
  • Das Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird mindestens an drei Orten berechnet und der Durchschnitt wird als Volumenverhältnis der Poren der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen betrachtet.
  • Die Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 beträgt 20 bis 60 %, vorzugsweise 25 bis 50 % und besonders vorzugsweise 30 bis 40 %. Bei einer Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht von unter 20 % ist die Leistung der Brennstoffzelle gering und bei über 60 % wird die mechanische Festigkeit der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht zunehmend schlechter. Die Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 bezieht sich auf das Volumenverhältnis des Hohlraums 47 zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42.
  • Das Porositätsverhältnis der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 lässt sich in der vorliegenden Erfindung bestimmen, indem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 entlang der Ebene geschnitten wird, die senkrecht zur Oberfläche des Elektrolytsubstrats 41 steht, auf dem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 ausgebildet wird, und anhand eines willkürlichen Querschnitts der prozentuale Anteil der Querschnittsfläche des Hohlraums 47 an der scheinbaren Querschnittsfläche der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 berechnet wird. Ein spezifisches Verfahren zur Messung des Porositätsverhältnisses der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird nunmehr unter Bezugnahme auf 6 erläutert. 6 ist eine Zeichnung ähnlich 4, worin die Fläche von Hohlraum 47 in der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 aus 4 schraffiert ist. Zuerst wird die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 entlang einer willkürlichen Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Elektrolytsubstrats 41 geschnitten, auf dem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 ausgebildet wird. Danach wird der Schnitt der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 in einer vorgenommenen REM-Aufnahme mit einem Rahmen abgegrenzt, um die Fläche in einem eingerahmten Bereich 53 (mit durchgehender Linie umschlossener Teil in 6) zu bestimmen. Als nächstes wird die Fläche eines Querschnitts 54 (der schraffierte Teil im eingerahmten Bereich 53 in 6) des Hohlraums 47 bestimmt. Die Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird mit folgender Formel (2) berechnet. Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 (%) = (Fläche Hohlraumquerschnitt 54)/(Fläche im gerahmten Bereich 53) × 100 (2)
  • Die Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 wird mindestens an drei Orten berechnet und der Durchschnitt wird als Porosität der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen betrachtet.
  • Die Substanz, mit der die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 gefüllt werden, ist ein Elektrodensubstanzpulver 45 in 4. Das Elektrodensubstanzpulver, das für die Ausbildung der Brennstoffelektrodenschicht 43 auf der Oberfläche der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 verwendet wird, ist je nach Art der auszubildenden Elektrodenschicht 43 unterschiedlich. Bei der Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht wird ein Brennstoffelektrodensubstanzpulver verwendet und bei der Ausbildung einer Luftelektrodenschicht wird ein Luftelektrodensubstanzpulver verwendet. In der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen kann als Brennstoffelektrodensubstanz und Luftelektrodensubstanz die gleiche Arte von Brennstoffelektrodensubstanz und Luftelektrodensubstanz eingesetzt werden, die als Brennstoffelektrodensubstanz und Luftelektrodensubstanz im oben erwähnten Produktionsprozess verwendet werden.
  • Als Substanz zur Füllung der porösen Elektrolytschicht 46 kann darüber hinaus das gleiche Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (d) genannt werden. Die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen ist hierbei die gleiche Zelle, wie in 4 dargestellt, außer dass ein Teil des Substanzpulvers 45, mit dem die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 in 4 gefüllt werden, durch das Elektrolytsubstanzpulver (d) ersetzt wird. Insbesondere ist, wenn die Elektrodenschicht 43 eine Brennstoffelektrodenschicht ist, die zum Füllen der porösen Elektrolytschicht 46 verwendete Substanz ein Gemisch aus einem Brennstoffelektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (d), und wenn es sich bei der Elektrodenschicht 43 um eine Luftelektrodenschicht handelt, ist die zum Füllen der porösen Elektrolytschicht 46 verwendete Substanz ein Gemisch aus einem Luftelektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (d). Als Elektrolytsubstanzpulver (d) für die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen können die gleichen pulvrigen Stoffe eingesetzt werden, die als Elektrolytsubstanzpulver (b) im oben erwähnten Produktionsprozess verwendet werden.
  • Als Substanz zur Füllung der porösen Elektrolytschicht 46 kann darüber hinaus ein Verbundteilchenpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz genannt werden. Die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen ist hierbei die gleiche Zelle, wie in 4 dargestellt, außer dass ein Teil des Substanzpulvers 45, mit dem die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 in 4 gefüllt werden, durch das Verbundteilchenpulver aus einer Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz ersetzt wird. Als Verbundteilchenpulver für die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen kann das gleiche Verbundteilchenpulver wie im oben erwähnten Produktionsprozess verwendet werden.
  • Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Elektrodensubstanzpulvers, des Mischpulvers und des Verbundteilchenpulvers der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen beträgt vorzugsweise 0,001 bis 10 Mikrometer, besonders vorzugsweise 0,005 Mikrometer bis 1 Mikrometer und insbesondere vorzugsweise 0,01 bis 0,5 Mikrometer. Je kleiner der durchschnittliche Teilchendurchmesser ist, desto größer wird das Ausmaß der Dreiphasengrenze. Bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von unter 0,001 Mikrometer wird die Herstellung einer das Elektrodensubstanzpulver, das Mischpulver bzw. das Verbundteilchenpulver enthaltenden Suspension erschwert bzw. verschlechtert sich die Leistung der Brennstoffzelle zunehmend infolge der begünstigten Versinterung während des Betriebs der Brennstoffzelle. Bei einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von über 10 Mikrometern nimmt die Größe der Dreiphasengrenze fortschreitend ab. Im Falle des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz gilt der durchschnittliche Durchmesser der Mutterteilchen als durchschnittlicher Teilchendurchmesser des Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz.
  • Zur Sicherung einer hohen Leistung der Brennstoffzelle wird zur Füllung der porösen Elektrolytschicht 46 vorzugsweise das Mischpulver eingesetzt.
  • Das Volumenverhältnis aus der in die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 gefüllten Menge an Elektrodensubstanzpulver, Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (d) bzw. Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 beträgt 5 bis 50 %, vorzugsweise 5 bis 30 % und besonders vorzugsweise 6 bis 20 %. Das Volumenverhältnis im obigen Wertebereich sichert eine hohe Leistung der Brennstoffzelle. Die in die Poren der porösen Elektrolytschicht 46 gefüllte Menge an Elektrodensubstanzpulver, Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (d) bzw. Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz lässt sich bestimmen, indem die Differenz zwischen (A) dem nach der oben erwähnten Formel (1) bestimmten Volumenverhältnis (%) der Poren der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht und (B) der nach der oben erwähnten Formel (2) berechneten Porosität (%) der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht berechnet wird, d.h. indem gerechnet wird: [(Volumenverhältnis (%) der Poren der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht) – (Porosität (%) der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht)].
  • Wenn als Substanz zur Füllung der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 das obige Mischpulver verwendet wird, beträgt das Volumenverhältnis des Elektrolytsubstanzpulvers (d) zum Elektrodensubstanzpulver (Elektrolytsubstanzpulver (d)/Elektrodensubstanzpulver) 0,1 bis 2, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 und besonders vorzugsweise 0,6 bis 1,0. Ein Volumenverhältnis im obigen Wertebereich sichert eine hohe Leistung der Brennstoffzelle.
  • Wenn als Substanz zum Füllen der Poren der porösen Elektrolytschicht 46 das Elektrodensubstanzpulver bzw. das Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (d) verwendet wird, beträgt die Menge (das Volumen) der in die poröse Elektrolytschicht 46 gefüllten Elektrodensubstanz gegenüber dem scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 5 bis 50 %, vorzugsweise 5 bis 30 % und besonders vorzugsweise 6 bis 20 %. Eine Menge (Volumen) im obigen Wertebereich sichert eine hohe Leitfähigkeit der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht.
  • In der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen kann die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht entweder auf einer Oberfläche oder auf beiden Oberflächen des Elektrolytsubstrats ausgebildet werden. Das heißt, die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen kann entweder eine Brennstoffelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht oder eine Luftelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht oder sowohl die Brennstoffelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht als auch die Luftelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht besitzen.
  • Die in der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen verwendete Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht kann erhalten werden, indem Poren einer porösen Elektrolytschicht 56 in 7 mit einem Elektrodensubstanzpulver, einem Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und dem Elektrolytsubstanzpulver (d) bzw. einem Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz gefällt werden. Als ein Verfahren zum Füllen der porösen Elektrolytschicht 56 mit dem Elektrodensubstanzpulver 45 kann als Fallbeispiel zur Illustrierung der Herstellung der in 4 dargestellten Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 42 ein Verfahren genannt werden, bei dem eine das Elektrodensubstanzpulver 45 enthaltende Elektrodensubstanz-Suspension auf die Oberfläche der auf dem Elektrolytsubstrat 60 ausgebildeten porösen Elektrolytschicht 56 aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat 60, auf dem die poröse Elektrolytschicht 56 mit der aufgetragenen Elektrodensubstanz-Suspension ausgebildet ist, gebrannt wird. Insbesondere werden Poren 57 der porösen Elektrolytschicht 56 mit der für das Einfüllen einer Elektrodensubstanz verwendeten Suspension imprägniert, indem eine (für das Einfüllen einer Elektrodensubstanz vorgesehene) Suspension, in welcher ein Elektrodensubstanzpulver 45 (Festkomponente) in einer Flüssigkomponente dispergiert wird, auf eine Oberfläche 59 der porösen Elektrolytschicht (diejenige Oberfläche der porösen Elektrolytschicht, die der mit dem Elektrolytsubstrat 60 in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt) des Elektrolytsubstrats 60, auf dem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet ist, aufgetragen wird, um die poröse Elektrolytschicht 56 mit der für die Einfüllung einer Elektrodensubstanz vorgesehenen Suspension zu füllen, wobei gleichzeitig eine zur Einfüllung einer Elektrodensubstanz vorgesehene Suspensionsschicht auf der Oberfläche 59 der porösen Elektrolytschicht gegenüber dem Elektrolytsubstrat 60 der porösen Elektrolytschicht 56 ausgebildet wird. Das Elektrolytsubstrat 55, auf dem die poröse Elektrolytschicht 56 ausgebildet ist, welche mit der zur Einfüllung einer Elektrodensubstanz vorgesehenen Suspension beschichtet ist, wird daraufhin gebrannt, um die Flüssigkomponente in der zur Einfüllung einer Elektrodensubstanz vorgesehenen Suspension zu verbrennen und gleichzeitig zu bewirken, dass die Teilchen des Elektrodensubstanzpulvers 45 sowie die Teilchen des Elektrodensubstanzpulvers 45 und des Elektrolytsubstanzpulvers (c) 58 in den Bereichen gegenseitiger Berührung miteinander versintern. Auf diese Weise kann die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 erhalten werden.
  • Die poröse Elektrolytschicht 56 ist die gleiche wie die poröse Elektrolytschicht 46, die die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 42 darstellt. Das heißt, die poröse Elektrolytschicht 56 wird aus einer Elektrolytsubstanz gebildet, ist porös und besitzt Poren. Die Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 beträgt 30 bis 70 %, vorzugsweise 35 bis 60 % und besonders vorzugsweise 40 bis 50%. Die Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 bezieht sich auf das Volumenverhältnis der Poren 57 zum scheinbaren Volumen der porösen Elektrolytschicht 56.
  • Die Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 lässt sich in der vorliegenden Erfindung bestimmen, indem die poröse Elektrolytschicht 56 entlang der Ebene geschnitten wird, die senkrecht zur Oberfläche des Elektrolytsubstrats 60 steht, auf dem die poröse Elektrolytschicht 56 ausgebildet wird, und anhand eines willkürlichen Querschnitts der prozentuale Anteil der Querschnittsfläche der Poren an der scheinbaren Querschnittsfläche der porösen Elektrolytschicht 56 berechnet wird. Ein spezifisches Verfahren zur Messung der Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 wird nunmehr unter Bezugnahme auf 8 erläutert. 8 ist eine Zeichnung ähnlich 7, worin die Poren 57 in der porösen Elektrolytschicht 56 schraffiert sind. Zuerst wird die poröse Elektrolytschicht 56 entlang einer willkürlichen Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Elektrolytsubstrats 60 geschnitten, auf dem die poröse Elektrolytschicht 56 ausgebildet wird. Der Schnitt wird mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Danach wird der Schnitt der porösen Elektrolytschicht 56 in einer vorgenommenen REM-Aufnahme mit einem Rahmen abgegrenzt, um die Fläche in einem eingerahmten Bereich 61 (mit durchgehender Linie umschlossener Teil in 8) zu bestimmen. Als nächstes wird die Fläche eines Querschnitts 62 (der schraffierte Teil im eingerahmten Bereich 61 in 8) der Poren 57 bestimmt. Die Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 wird mit folgender Formel (3) berechnet. Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 (%) = (Fläche Porenquerschnitt 62)/(Fläche im gerahmten Bereich 61) × 100 (3)
  • Die Porosität der porösen Elektrolytschicht 56 wird mindestens an drei Orten berechnet und der Durchschnitt wird als Porosität der porösen Elektrolytschicht der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen betrachtet.
  • Die spezifische Oberfläche der porösen Elektrolytschicht 56 beträgt 0,1 bis 10 m2/g, vorzugsweise 0,2 bis 5 m2/g und besonders vorzugsweise 0,5 bis 3 m2/g. Eine spezifische Oberfläche im obigen Wertebereich sichert eine hohe Leistung der Brennstoffzelle.
  • Die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht 56 bei 1.000 °C beträgt 0,01 bis 0,2 S/cm, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 S/cm und besonders vorzugsweise 0,1 bis 0,2 S/cm.
  • Der Anteil der Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer in der porösen Elektrolytschicht 56 beträgt vorzugsweise maximal 10 %, besonders vorzugsweise maximal 5 % und insbesondere vorzugsweise maximal 3 %. Da sich die Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer schwer mit der für die Einfüllung einer Elektrodensubstanz vorgesehenen Suspension imprägnieren lassen, gilt: je kleiner der Anteil der Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer ist, desto größer ist die in die Poren eingefüllte Menge an Elektrodensubstanzpulver, an Mischpulver aus Elektrodensubstanzpulver und Elektrolytsubstanzpulver (d) und an Verbundteilchenpulver aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz. Die Menge von Poren mit einer Porenbreite von maximal 1 Mikrometer, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, bezieht sich auf den prozentualen Anteil der Querschnittsfläche der Poren mit einer Porenbreite von 1 Mikrometer an der scheinbaren Querschnittsfläche der porösen Elektrolytschicht 56 entlang einer willkürlichen Ebene senkrecht zur Oberfläche des Elektrolytsubstrats 60, auf dem die Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 56 ausgebildet wird. Diese Menge wird an mindestens drei unterschiedlichen Querschnitten ermittelt und dann wird der Durchschnitt bestimmt, um den Anteil der Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer zu ermitteln.
  • Im Wesentlichen besitzt die erfindungsgemäße Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht, die sich durch Füllung der Poren einer porösen Elektrolytschicht erhalten lässt, welche aus einer Elektrolytsubstanz mit einer Porosität von 30 bis 70 % ausgebildet wurde, und ein Elektrodensubstanzpulver, ein Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz.
  • Durchschnittlicher Teilchendurchmesser und durchschnittlicher Porendurchmesser wurden mittels „MICROTRAC-S3000" (Hersteller: Nikkiso Co., Ltd.) gemessen.
  • Die vorliegende Erfindung wird in der Folge anhand von Beispielen näher erläutert, die nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu lesen sind.
  • BEISPIELE
  • Beispiel 1
  • (Herstellung einer Brennstoffelektrodenschicht)
  • (Herstellung einer Suspension zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht)
  • 55 g Nickeloxid (NiO), 45 g Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ), 10 ml Di-n-Butylphthalat, 2 ml Octylphenylether, 2 ml eines Dispersionsmittels („Nonion OP-83RAT" des Herstellers NOF Corp.), 10 g Polyvinylbutyralharz (Hersteller: Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 80 ml Isopropanol und 80 ml Aceton wurden in eine Kugelmühle gegeben und bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gemischt. Aus der erhaltenen Suspension wurde das Lösungsmittel mit Hilfe eines Verdampfers bei reduziertem Druck verdampft, um die Viskosität der Suspension auf 10.000 mPa·s einzustellen, wodurch Suspension A zur Ausbildung einer Brennstoffelektrode erhalten wurde.
    • – Nickeloxid (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 7 Mikrometer)
    • – Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (Scandiumoxid-Gehalt im Zirkoniumoxid: 10 Mol-%, Ceroxidgehalt im Zirkoniumoxid: 1 Mol-%, durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,55 Mikrometer)
  • (Brennen der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension)
  • Aus der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrode vorgesehenen Suspension A wurde eine aufgetragene Schicht zur Ausbildung einer Brennstoffelektrode mit einer Filmdicke von 700 Mikrometern ausgebildet, getrocknet und bei 1.400 °C drei Stunden lang gebrannt, um eine Brennstoffelektrode B zu erhalten.
  • (Herstellung von Elektrolytsubstrat)
  • (Herstellung einer Suspension zur Ausbildung von Elektrolytsubstrat)
  • 55,02 g Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ) wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 10 ml Di-n-butylphthalat, 2 ml Octylphenylether, 2 ml des Dispersionsmittels, das zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet wurde, 5 g Polyvinylbutyralharz wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 80 ml Isopropanol und 80 ml Aceton wurden in eine Kugelmühle gegeben und bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gemischt. Aus der erhaltenen Suspension wurde das Lösungsmittel mit Hilfe eines Verdampfers bei reduziertem Druck verdampft, um die Viskosität der Suspension auf 10.000 mPa·s einzustellen, wodurch eine Suspension C zur Ausbildung des Elektrolytsubstrats erhalten wurde.
  • (Brennen einer Suspension zur Ausbildung von Elektrolytsubstrat)
  • Die zur Ausbildung eines Elektrolytsubstrats vorgesehene Suspension C wurde in einem Siebdruckverfahren auf eine der Oberflächen der Brennstoffelektrode B aufgetragen, um eine Beschichtung mit einer Schichtdicke von 10 Mikrometern zu erhalten. Die Beschichtung wurde getrocknet und fünf Stunden lang bei 1.400 °C gebrannt, um ein Elektrolytsubstrat D (nachfolgend einfach als „Elektrolytsubstrat D" bezeichnet) mit einer auf der Oberfläche der Brennstoffelektrodenschicht B ausgebildeten dichten Schicht der Elektrolytsubstanz zu erhalten.
  • (Ausbildung der porösen Elektrolytschicht)
  • (Herstellung einer Suspension zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht)
  • 70,8 g Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ) wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 29,2 g Kohlepulver, 10 ml Di-n- butylphthalat, 2 ml Octylphenylether, 2 ml des Dispersionsmittels, das zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet wurde, und 5 g Polyvinylbutyralharz wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 80 ml Isopropanol und 80 ml Aceton wurden in eine Kugelmühle gegeben und bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gemischt. Aus der erhaltenen Suspension wurde das Lösungsmittel mit Hilfe eines Verdampfers bei reduziertem Druck verdampft, um die Viskosität der Suspension auf 10.000 mPa·s einzustellen, wodurch Suspension E zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht erhalten wurde.
    • – Kohlepulver (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 5 Mikrometer, hergestellt von Japan Pure Chemical Co., Ltd.)
  • (Auftrag und Brennen einer Suspension zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht)
  • Die zur Ausbildung eines porösen Elektrolytschicht vorgesehene Suspension E wurde auf die Oberfläche des Elektrolytsubstrats D gegenüber der Oberfläche, auf der die Brennstoffelektrodenschicht ausgebildet wurde, in einem Siebdruckverfahren aufgetragen, um eine Beschichtung mit einer Schichtdicke von 10 Mikrometern zu erhalten. Danach wurde die Beschichtung getrocknet. Anschließend wurde das Elektrolytsubstrat D, auf das die Suspension E zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht aufgetragen wurde, drei Stunden lang bei 1.400 °C gebrannt, um ein Elektrolytsubstrat F (nachfolgend einfach als „Elektrolytsubstrat F" bezeichnet) mit einer darauf ausgebildeten porösen Elektrolytschicht zu erhalten.
  • (Analyse der porösen Elektrolytschicht)
  • 1. Messung der Porosität der porösen Elektrolytschicht
  • Das Elektrolytsubstrat F wurde entlang der senkrecht zur Oberfläche des Elektrolytsubstrats verlaufenden Ebene geschnitten, um den Querschnitt mit einem Rasterelektronenmikroskop zu untersuchen. Die Porosität der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats F wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren mit der erhaltenen REM-Aufnahme bestimmt. Die Porosität wurde an drei unterschiedlichen Messstellen gemessen und aus den Ergebnissen wurde der Durchschnitt bestimmt, woraus eine durchschnittliche Porosität von 44 % ermittelt wurde.
  • 2. Messung der spezifischen Oberfläche
  • Die spezifische Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats F wurde mit einem Kr-Gasadsorptionsverfahren unter Verwendung eines vollautomatischen Gasadsorptions-Analysegeräts „AUTOSORB-1-C/VP/TCD/MS” gemessen. Die festgestellte spezifische Oberfläche betrug im Ergebnis 0,67 m2/g.
  • 3. Messung der Leitfähigkeit
  • Ein Aluminiumoxid-Rechteckstab mit einer Breite von 5 mm, einer Länge von 30 mm und einer Höhe von 0,5 mm wurde mit einer Suspension E zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht beschichtet und danach gebrannt, um eine poröse Elektrolytschicht mit einer Breite von 5 mm, einer Länge von 30 mm und einer Höhe von 0,05 mm zu erhalten. Die Leitfähigkeit der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats F bei 1.000 °C wurde in einem Gleichstrom-Vierpolverfahren und einem Wechselstrom-Vierpolverfahren geprüft. Die gemessene Leitfähigkeit betrug 0,07 S/cm.
  • 4. Anteil von Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer
  • Der Anteil der Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer in der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats F wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung der REM-Aufnahme bestimmt, die bei der Porositätsmessung verwendet wurde. Der Anteil der Poren mit einer maximalen Porenbreite von 1 Mikrometer wurde an drei unterschiedlichen Messstellen geprüft und der Durchschnitt der Messergebnisse wurde bestimmt, wodurch ein Anteil von 5 % ermittelt wurde.
  • (Ausbildung der Luftelektrodenschicht)
  • (Herstellung einer Suspension zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht)
  • 82 g Lanthan-Strontium-Manganat (Ln0.8Sr0.2Mn1.0O3), 18 g Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ) wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 10 ml Di-n-butylphthalat, 2 ml Octylphenylether, 2 ml des Dispersionsmittels, das zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet wurde, 10 g Polyvinylbutyralharz wie zur Herstellung der zur Ausbildung einer Brennstoffelektrodenschicht vorgesehenen Suspension verwendet, 80 ml Isopropanol und 80 ml Aceton wurden in eine Kugelmühle gegeben und bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gemischt. Aus der erhaltenen Suspension wurde das Lösungsmittel mit Hilfe eines Verdampfers bei reduziertem Druck verdampft, um die Viskosität der Suspension auf 10.000 mPa·s einzustellen, wodurch eine Suspension G zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht erhalten wurde.
    • – Lanthan-Strontium-Manganat (durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,49 Mikrometer)
  • (Brennen der Suspension zur Ausbildung einer Luftelektrode)
  • Das Elektrolytsubstrat F wurde auf die gleiche Weise wie oben erhalten.
  • Die zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht vorgesehene Suspension G wurde in einem Siebdruckverfahren auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats F aufgetragen, um eine Beschichtung mit einer Schichtdicke von 20 Mikrometern zu erhalten. Danach wurde die Beschichtung getrocknet. Anschließend wurde das Elektrolytsubstrat F, auf welchem die zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht vorgesehene Suspension G aufgetragen wurde, drei Stunden lang bei 1.200 °C gebrannt, um eine Zelle H für Festoxid-Brennstoffzellen zu erhalten.
  • Die Volumenverhältnisse des Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisierten Zirkoniumoxids und des Lanthan-Strontium-Manganats zu den scheinbaren Volumina der Luftelektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht in der Luftelektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht der Zelle H für Festoxid-Brennstoffzellen betrugen 60,8 % bzw. 7,2 %.
  • Leistungsbewertung
  • Um die Unterschiede in den Energieerzeugungseigenschaften entsprechend den Unterschieden in der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht zu erkennen, wurde eine konstante Polarisation gemessen. 9 ist eine Seitenansicht einer Messprobe konstanter Polarisation für die Messung der konstanten Polarisation. Eine Messprobe konstanter Polarisation 68 besitzt ein zylindrisches Elektrolyt-Pellet 63 mit einem Durchmesser von 15 mm und eine Dicke von 2 mm, eine zylindrische Luftelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 64, die mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Dicke von 10 Mikrometern auf einer der Oberflächen des Elektrolyt-Pellets 63 mittig in konzentrischer Anordnung ausgebildet ist, eine zylindrische Luftelektrodenschicht 65, die mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Dicke von 20 Mikrometern auf der Oberfläche der Luftelektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 64 ausgebildet ist, eine Platin-Bezugselektrode 66 mit einer Breite von 1,0 mm, die rund um die Seite des zylindrischen Elektrolyt-Pellets 63 über dessen gesamten Umfang ausgebildet ist, und eine Platin-Gegenelektrode 67 mit einem Durchmesser von 6 mm, die auf einer der Oberflächen des Elektrolyt-Pellets 63 mittig in konzentrischer Anordnung ausgebildet ist.
  • In Veranschaulichung des Verfahrens der Herstellung der Messprobe konstanter Polarisation 68 wurde das Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisierte Zirkoniumoxid (10Sc1CeSZ), das zur Herstellung der zur Ausbildung der Brennstoffelektrode vorgesehenen Suspension verwendet wird, mit einer Last von 0,3183 t/cm2 gepresst und anschließend drei Stunden lang bei 1.400 °C gebrannt, um ein zylindrisches Elektrolyt-Pellet 63 mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Dicke von 2 mm zu erhalten.
  • Die Suspension E zur Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht wurde zur Erzeugung einer Beschichtung mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Dicke von 10 Mikrometern in einem Siebdruckverfahren mittig auf eine der Oberflächen des Elektrolyt-Pellets 63 aufgetragen. Danach wurde das mit der Suspension zur Ausbildung des Elektrolytsubstrats E beschichtete Elektrolyt-Pellet 63 drei Stunden lang bei 1.400 °C gebrannt, um das Elektrolyt-Pellet 63 zu erhalten, auf welchem eine poröse Elektrolytschicht ausgebildet wurde.
  • Die zur Ausbildung einer Luftelektrodenschicht vorgesehene Suspension G wurde daraufhin auf die Oberfläche des Elektrolyt-Pellets 63, auf welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wurde, zur Erzeugung einer Beschichtung mit einer Schichtdicke von 20 Mikrometern in einem Siebdruckverfahren aufgetragen, worauf die Trocknung folgte. Anschließend wurde das mit der Suspension G zur Ausbildung einer Luftelektrode beschichtete Elektrolyt-Pellet 63 drei Stunden lang bei 1.200 °C gebrannt, um das Elektrolyt-Pellet 63 zu erhalten, auf welchem die Luftelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 64 und die Luftelektrodenschicht 65 ausgebildet wurden.
  • Eine Platinpaste („TR-7905", hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd.) wurde auf die Seiten und auf die andere Oberfläche des Elektrolyt-Pellets 63 aufgetragen, auf dem die Luftelektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht 64 und die Luftelektrodenschicht 65 ausgebildet wurden, worauf ein Brennen bei 1.000 °C folgte, um eine Messprobe konstanter Polarisation 68 zu erhalten.
  • Die Stromdichte zwischen W2-C der Messprobe konstanter Polarisation 68 wurde in einer Atmosphäre von 1.000 °C bei Änderung des elektrischen Potentials zwischen W1-R (Grenzflächenüberspannung) mit einem Impedanzmessgerät (hergestellt von Solrtron Co.) gemessen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 10 dargestellt.
  • Beispiel 2
  • Die Herstellung einer Brennstoffelektrode, die Herstellung eines Elektrolytsubstrats, die Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht und die Ausbildung einer Luftelektrodenschicht erfolgte in der gleichen Weise wie in Beispiel 1, außer dass 100 g Lanthan-Strontium-Manganat statt 82 g Lanthan-Strontium-Manganat und 18 g des Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisierten Zirkoniumoxids, das bei der Herstellung der Suspension für die Brennstoffelektrodenschicht verwendet wird, eingesetzt wurde, um eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen J zu erhalten. Die Volumenverhältnisse des Scandiumoxid/Ceroxid-stabilisierten Zirkoniumoxids und des Lanthan-Strontium-Manganats zum scheinbaren Volumen der Luftelektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht in der Luftelektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht der Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen J betrugen 56% bzw. 12%.
  • Leistungsbewertung
  • Das gleiche Experiment wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt, außer dass die in Beispiel 2 verwendete Suspension zur Ausbildung einer Luftelektrode an Stelle der Suspension zur Ausbildung einer Luftelektrode G verwendet wurde. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 1 und 10 dargestellt.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Das gleiche Experiment wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt, außer dass auf die Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht verzichtet wurde, d.h. die Herstellung einer Brennstoffelektrode, die Herstellung eines Elektrolytsubstrats und die Ausbildung einer Luftelektrodenschicht erfolgten in der gleichen Weise wie in Beispiel 1, um eine Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen K zu erhalten.
  • Leistungsbewertung
  • Das gleiche Experiment wie in Beispiel 1 wurde durchgeführt, außer dass auf die Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht verzichtet wurde. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 10 dargestellt. Das heißt, die Erzeugung der im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Messprobe konstanter Polarisation erfolgte im Wesentlichen durch Herstellung eines Elektrolyt-Pellets und Ausbildung einer Luftelektrodenschicht, einer ersten Bezugselektrode und einer zweiten Bezugselektrode auf gleiche Weise wie in Beispiel 1.
  • Figure 00400001
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen lässt sich eine Festoxid-Brennstoffzelle mit ausgezeichneter Zellenleistung herstellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen enthaltend einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, indem eine für die Ausbildung einer Elektrolytschicht bestimmte Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver und einen Porenbildner enthält, auf die Oberfläche eines Elektrolytsubstrats aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat gebrannt wird, und einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht ausgebildet werden, indem eine für die Ausbildung einer Elektrode bestimmte Suspension, die ein Elektrodensubstanzpulver, ein Gemisch aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz enthält, auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats, auf welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, gebrannt wird. Erfindungsgemäß kann ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen erhalten werden, das die Dreiphasengrenze der porösen Elektrolytschicht vergrößern kann und nur eine geringe Reduzierung der Leitfähigkeit der Elektrolytschicht aufweist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen enthaltend einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer porösen Elektrolytschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, indem eine für die Ausbildung einer Elektrolytschicht bestimmte Suspension, die ein Elektrolytsubstanzpulver und einen Porenbildner enthält, auf die Oberfläche eines Elektrolytsubstrats aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat gebrannt wird, und einen Verfahrensschritt der Ausbildung einer Elektrodenschicht zum Erhalt eines Elektrolytsubstrats, in welchem eine Elektrodensubstanz-gefüllte poröse Elektrolytschicht und eine Elektrodenschicht ausgebildet werden, indem eine für die Ausbildung einer Elektrode bestimmte Suspension, die ein Elektrodensubstanzpulver, ein Gemisch aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. ein Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz enthält, auf die Oberfläche der porösen Elektrolytschicht des Elektrolytsubstrats, auf welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, aufgetragen wird und das Elektrolytsubstrat, in welchem die poröse Elektrolytschicht ausgebildet wird, gebrannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des in der Suspension für die Ausbildung der Elektrodenschicht enthaltenen Elektrodensubstanzpulvers, Mischpulvers bzw. Verbundteilchenpulvers aus Elektrodensubstanz und Elektrolytsubstanz zum durchschnittlichen Porendurchmesser des Porenbildners 0,001 bis 1 beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2, wobei das Verhältnis des durchschnittlichen Durchmessers des Porenbildners zum durchschnittlichen Teilchendurchmesser des in der Suspension für die Ausbildung der Elektrodenschicht enthaltenen Elektrodensubstanzpulvers 2 bis 1.000 beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verhältnis des Volumens des in der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht enthaltenen Elektrolytsubstanzpulvers zum Volumen des in der Suspension zur Ausbildung der Elektrolytschicht enthaltenen Porenbildners 0,1 bis 10 beträgt.
  5. Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit einer Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht, die sich erhalten lässt, indem Poren einer porösen Elektrolytschicht mit einer Porosität von 30 bis 70 % mit einem Elektrodensubstanzpulver, einem Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. einem Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz gefüllt werden.
  6. Zelle nach Anspruch 5, wobei die spezifische Oberfläche der porösen Elektrolytschicht 0,1 bis 10 m2/g beträgt.
  7. Zelle für Festoxid-Brennstoffzellen mit einer Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht enthaltend eine poröse Elektrolytschicht, die aus einer Elektrolytsubstanz und einem Elektrodensubstanzpulver, einem Mischpulver aus einem Elektrodensubstanzpulver und einem Elektrolytsubstanzpulver bzw. einem Verbundstoffpulver aus einer Elektrodensubstanz und einer Elektrolytsubstanz ausgebildet wird, die in die Poren der porösen Elektrolytschicht gefüllt werden, wobei das Porenvolumenverhältnis der porösen Elektrolytschicht zum scheinbaren Volumen der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht 30 bis 70 % beträgt.
  8. Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Volumen des in die poröse Elektrolytschicht eingefüllten Elektrodensubstanzpulvers 5 bis 50 % des scheinbaren Volumens der Elektrodensubstanz-gefüllten porösen Elektrolytschicht beträgt.
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