DE112015002517T5 - Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) umfasst eine Anode (20), eine Kathode (50) und eine Festelektrolytschicht (30), die zwischen der Anode (20) und der Kathode (50) angeordnet ist. Die Anode (20) enthält ein sauerstoffionenleitendes Material und Nickel. Die Festelektrolytschicht (30) enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material als eine Hauptkomponente und enthält ein auf Cerdioxid basierendes Material und Nickel als Sekundärkomponenten. Die Festelektrolytschicht (30) enthält ein erstes Gebiet (31), das an der Anode (20) angeordnet ist, und ein zweites Gebiet (32), das zwischen dem ersten Gebiet (31) und der Kathode (50) angeordnet ist. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet (31) ist kleiner als oder gleich 0,5%. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet (31) ist größer als oder gleich 3,0 At.-%. Das Verhältnis der Atommasse des Nickels zum Zirkonoxid in dem ersten Gebiet (31) ist kleiner als oder gleich 3,0%. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet (32) ist größer als oder gleich 1,0%. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet (32) ist kleiner als oder gleich 0,1%.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, dass eine typische Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode und eine Festelektrolytschicht, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, enthält (es wird z. B. auf die Patentliteratur 1 verwiesen). In der Patentliteratur 1 wird YSZ (mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) als die Hauptkomponente der Festelektrolytschicht verwendet.
  • Es ist bekannt, dass es bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle einen Phasenübergang des in der Festelektrolytschicht enthaltenen Zirkonoxids von kubischen Kristallen zu tetragonalen Kristallen gibt (es wird z. B. auf die Nicht-Patentliteratur 1 verwiesen). Dieser Phasenübergang des Zirkonoxids zeigt eine Tendenz, von der Anodenseite zur Kathodenseite fortzuschreiten.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • [Patentliteratur 1] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2009-228430
  • [Nicht-Patentliteratur]
    • [Nicht-Patentliteratur 1] Haruo KISHIMOTO (neun andere), ”Netsurikigakuteki Kaiseki in yoru Taikyusei Kojo no tame no Kiban Gijutsu Kaihatsu”, 17. bis 18. Dezember 2012, 21. SOFC-Postersitzung
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wenn jedoch der Phasenübergang des Zirkonoxids fortschreitet, gibt es das Problem, dass es eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht gibt. Folglich gibt es eine Notwendigkeit, eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht zu unterdrücken und die Verbindung der Anode und der Festelektrolytschicht aufrechtzuerhalten.
  • Die vorliegende Erfindung wird in Anbetracht der obigen Umstände vorgeschlagen und hat die Aufgabe des Bereitstellens einer Brennstoffzelle, die eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht unterdrücken und die Verbindbarkeit der Anode und der Festelektrolytschicht aufrechterhalten kann.
  • Die Lösung des Problems
  • Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anode, eine Kathode und eine Festelektrolytschicht, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Die Anode 20 enthält ein sauerstoffionenleitendes Material und Nickel. Die Festelektrolytschicht enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material als eine Hauptkomponente und enthält ein auf Cerdioxid basierendes Material und Nickel als Sekundärkomponenten. Die Festelektrolytschicht enthält ein erstes Gebiet, das an der Anode angeordnet ist, und ein zweites Gebiet, das zwischen dem ersten Gebiet und der Kathode angeordnet ist. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet ist kleiner als oder gleich 0,5%. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet ist größer als oder gleich 3,0%. Das Verhältnis der Atommasse des Nickels zum Zirkonoxid in dem ersten Gebiet ist kleiner als oder gleich 3,0 At.-%. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet ist größer als oder gleich 1,0%. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet ist kleiner als oder gleich 0,1%.
  • Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Brennstoffzelle, die eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht unterdrücken und die Verbindbarkeit der Anode und der Festelektrolytschicht aufrechterhalten kann.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Konfiguration einer Brennstoffzelle.
  • 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Konfiguration einer Brennstoffzelle.
  • 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Konfiguration einer Brennstoffzelle.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich der Figuren beschrieben. Jene Aspekte der Konfiguration in der folgenden Beschreibung der Figuren, die dieselben oder ähnlich sind, sind durch dieselben oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren sind jedoch lediglich veranschaulichend, wobei sich die tatsächlichen Verhältnisse oder dergleichen der jeweiligen Abmessungen unterscheiden können. Deshalb sollten die spezifischen Abmessungen oder dergleichen unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung bestimmt werden. Alternativ ist es natürlich der Fall, dass Abschnitte enthalten sind, die in den jeweiligen Figuren ein anderes Verhältnis oder eine andere Beziehung zwischen den Abmessungen zeigen.
  • Die Konfiguration der Brennstoffzelle 10
  • Eine Konfiguration einer Brennstoffzelle 10 wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. 1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Konfiguration einer Brennstoffzelle 10.
  • Die Brennstoffzelle 10 ist als eine sogenannte Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) konfiguriert. Die möglichen Konfigurationen der Brennstoffzelle 10 enthalten einen flachen röhrenförmigen Typ, einen in Reihe segmentierten Typ, einen anodengestützten Typ, einen Elektrolyt-Flachplattentyp, einen zylindrischen Typ oder dergleichen. Wie in 1 veranschaulicht ist, enthält die Brennstoffzelle 10 eine Anode 20, eine Festelektrolytschicht 30, eine Barrierenschicht 40 und eine Kathode 50.
  • Die Anode 20 arbeitet als die Anode für die Brennstoffzelle 10. Die Anode 20 ist ein poröser tafelförmiger gebrannter Körper. Wie in 1 veranschaulicht ist, enthält die Anode 20 eine Anodenstromsammelschicht 21 und eine aktive Anodenschicht 22.
  • Die Anodenstromsammelschicht 21 ist als ein poröser Körper konfiguriert, der eine hohe Gasdurchlässigkeit zeigt. Das Aufbaumaterial für die Anodenstromsammelschicht 21 enthält die Verwendung eines Materials, das in der Anodenstromsammelschicht einer herkömmlichen SOFC verwendet wird, und enthält z. B. Ni-O-8YSZ (Nickeloxid- mit 8 Mol-% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) oder NiO-Y2O3 (Nickeloxid-Yttriumoxid). Wenn in der Anodenstromsammelschicht 21 NiO enthalten ist, kann wenigstens ein Teil des NiO zu Ni reduziert werden. Die Dicke der Anodenstromsammelschicht 21 kann als 0,2 mm bis 5,0 mm konfiguriert sein.
  • Die aktive Anodenschicht 22 ist auf der Anodenstromsammelschicht 21 angeordnet. Die aktive Anodenschicht 22 ist ein poröser Körper, der dichter als die Anodenstromsammelschicht 21 ist. Das Aufbaumaterial für die aktive Anodenschicht 22 enthält die Verwendung eines Materials, das in einer aktiven Anodenschicht einer herkömmlichen SOFC verwendet ist, und enthält z. B. Ni und ein sauerstoffionenleitendes Material. Das sauerstoffionenleitende Material enthält z. B. ein auf Zirkonoxid basierendes Material, wie z. B. 8YSZ, 10YSZ (mit 10 Mol.-% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) und ScSZ (mit Scandiumoxid stabilisiertes Zirkonoxid) oder ein auf Cerdioxid basierendes Material. wie z. B. CeO2 (Cerdioxid), GDC (mit Gadolinium dotiertes Cerdioxid) und SDC (mit Samarium dotiertes Cerdioxid). Die aktive Anodenschicht 22 kann Ni in der Form von NiO enthalten. Wenigstens ein Teil des in der aktiven Anodenschicht 22 enthaltenen NiO kann zu Ni reduziert sein. Die Dicke der aktiven Anodenschicht 22 kann als 5,0 Mikrometer bis 30 Mikrometer konfiguriert sein.
  • Die Festelektrolytschicht 30 ist auf der Anode 20 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 30 enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material als eine Hauptkomponente und enthält ein auf Cerdioxid basierendes Material als eine Sekundärkomponente. Das auf Zirkonoxid basierende Material enthält 8YSZ, 10YSZ, ScSZ oder dergleichen. Das auf Cerdioxid basierende Material enthält CeO2, GDC, SDC oder dergleichen.
  • Die Festelektrolytschicht 30 enthält Ni. Die Festelektrolytschicht 30 kann Ni als NiO enthalten. Wenigstens ein Teil des in der Festelektrolytschicht 30 enthaltenen NiO kann zu Ni reduziert sein.
  • Die Festelektrolytschicht 30 bildet eine Grenzfläche P bezüglich der Anode 20. Die Grenzfläche P kann basierend auf einer Linie einer schnellen Änderung der Konzentrationsverteilung, wenn die Komponentenkonzentration der Festelektrolytschicht 30 und der Anode 20 abgebildet wird, oder einer Linie einer schnellen Änderung der Porosität zwischen der Festelektrolytschicht 30 und der Anode 20 bestimmt werden. Die Konfiguration der Festelektrolytschicht 30 wird im Folgenden beschrieben.
  • In der vorliegenden Ausführungsform bedeutet der Ausdruck, dass die Zusammensetzung X die Zusammensetzung Y ”als eine Hauptkomponente enthält”, dass die Zusammensetzung Y vorzugsweise wenigstens 60 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung X belegt, bevorzugter wenigstens 70 Gew.-% belegt und noch bevorzugter wenigstens 90 Gew.-% belegt. Der Ausdruck, dass die Zusammensetzung X die Zusammensetzung Z ”als eine Sekundärkomponente enthält”, bedeutet, dass die Zusammensetzung Z vorzugsweise höchstens 40 Gew.-% der Gesamtzusammensetzung X belegt, bevorzugter höchstens 30 Gew.-% belegt und noch bevorzugter höchstens 10 Gew.-% belegt.
  • Zwischen der Festelektrolytschicht 30 und der Kathode 50 ist die Sperrschicht 40 angeordnet. Die Sperrschicht 40 verhindert die Bildung einer Schicht mit hohem spezifischem Widerstand zwischen der Festelektrolytschicht 30 und der Kathode 50. Die Sperrschicht 40 ist vorzugsweise als ein dichter gebrannter Körper konfiguriert. Das in der Sperrschicht 40 verwendete Material enthält die Verwendung von CeO2, GDC, SDC oder dergleichen. Die Dicke der Sperrschicht 40 kann z. B. als 3 Mikrometer bis 20 Mikrometer konfiguriert sein. Die Brennstoffzelle 10 kann die Einbeziehung der Sperrschicht 40 weglassen.
  • Die Kathode 50 ist auf der Sperrschicht 40 angeordnet. Die Kathode 50 arbeitet als eine Kathode für die Brennstoffzelle 10. Die Kathode 50 ist ein poröser gebrannter Körper. Die Hauptkomponente der Kathode 50 ist ein Perowskitverbundoxid, das an der A-Stelle La und/oder Sr enthält und das durch die allgemeine Formel ABO3 ausgedrückt ist. Dieser Typ des Perowskitverbundoxids enthält (La, Sr)(Co, Fe)O3, (La, Sr)FeO3, (La, Sr)CoO3, LaSrMnO3 oder dergleichen. Die Dicke der Kathode 50 ist als 5 Mikrometer bis 50 Mikrometer konfiguriert. Wenn die Sperrschicht 40 aus der Brennstoffzelle 10 weggelassen ist, ist die Kathode 50 auf der Festelektrolytschicht 30 angeordnet.
  • Die Konfiguration der Festelektrolytschicht 30
  • Die Festelektrolytschicht, wie sie in 1 veranschaulicht ist, enthält ein erstes Gebiet 31 und ein zweites Gebiet 32. Das erste Gebiet 31 ist auf der Anode 20 angeordnet. Das zweite Gebiet 32 ist auf dem ersten Gebiet 31 angeordnet.
  • Das erste Gebiet 31 enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material. Das auf Zirkonoxid basierende Material enthält 8YSZ, 10YSZ, ScSZ oder dergleichen. Das erste Gebiet 31 enthält kubische Zirkonoxidkristalle und tetragonale Zirkonoxidkristalle. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet 31 ist größer als oder gleich 3,0%.
  • Das erste Gebiet 31 kann ein auf Cerdioxid basierendes Material enthalten. Obwohl das auf Cerdioxid basierende Material die Verwendung von GDC, SDC oder dergleichen enthält, gibt es keine Einschränkung in dieser Hinsicht. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet 31 ist kleiner als oder gleich 0,5%. Das erste Gebiet 31 kann die Einbeziehung des auf Cerdioxid basierenden Materials weglassen. Selbst in einer Konfiguration, in der eine winzige Menge eines auf Cerdioxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet 31 enthalten ist, kann jedoch dargelegt werden, dass das erste Gebiet 31 im Wesentlichen kein auf Cerdioxid basierendes Material enthält, wenn das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet 31 kleiner als oder gleich 0,1% ist. In dieser Weise ist es möglich, eine übermäßige Ausdehnung des ersten Gebiets 31 während der Reduktionsreaktionen nach dem Brennen durch das Begrenzen des Cerdioxidanteils in dem ersten Gebiet 31 zu verhindern.
  • Das erste Gebiet 31 enthält Ni. Das erste Gebiet 31 kann Ni als NiO enthalten. Das in dem ersten Gebiet 31 enthaltene Ni und/oder NiO kann als eine feste Lösung des auf Zirkonoxid basierenden Materials (der kubischen Zirkonoxidkristalle und/oder der tetragonalen Zirkonoxidkristalle) konfiguriert sein. In dieser Konfiguration kann das in dem ersten Gebiet 31 enthaltene Ni und/oder NiO in den Teilchen des auf Zirkonoxid basierenden Materials positioniert sein. Das Verhältnis der Atommasse des Ni zum Zr in dem ersten Gebiet 31 ist größer als 0,0 At.-% und kleiner als oder gleich 3,0 At.-%.
  • Das zweite Gebiet 32 enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material. Das auf Zirkonoxid basierende Material enthält 8YSZ, 10YSZ, ScSZ oder dergleichen. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet 32 ist kleiner als oder gleich 0,1%. Das zweite Gebiet 32 kann die Einbeziehung der tetragonalen Zirkonoxidkristalle weglassen. Selbst in einer Konfiguration, in die eine winzige Menge tetragonaler Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet 32 enthalten ist, kann jedoch dargelegt werden, dass das zweite Gebiet 32 im Wesentlichen keine tetragonalen Zirkonoxidkristalle enthält, wenn das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet 32 kleiner als oder gleich 0,1% ist. Eine Seitenfläche 32S zum ersten Gebiet des zweiten Gebiets 32 kann bezüglich einer Linie definiert sein, an der das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle einen Wert von 0,1% annimmt.
  • Das zweite Gebiet 32 kann ein auf Cerdioxid basierendes Material enthalten. Obwohl das auf Cerdioxid basierende Material die Verwendung von GDC, SDC oder dergleichen enthält, gibt es keine Einschränkung in dieser Hinsicht. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zur Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet 32 ist größer als oder gleich 1,0%. In dieser Weise ist es möglich, den Anteil der tetragonalen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet 32 durch das Aufrechterhalten des Anteils des auf Cerdioxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet 32 zu unterdrücken.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist das Merkmal ”das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle” ein allgemeines Konzept eines Intensitätsverhältnisses eines Raman-Spektrums, das basierend auf der Analyse des Raman-Spektrums bezüglich eines Querschnitts berechnet wird. Obwohl das Merkmal ”das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle” basierend auf dem Intensitätsverhältnis des Raman-Spektrums direkt berechnet werden kann, gibt es in der vorliegenden Ausführungsform eine einfache Bezugnahme auf ”%”. Das Intensitätsverhältnis des Raman-Spektrums kann z. B. unter Verwendung des eindeutigen Raman-Spektrums (der bekannten Daten des Spektrums) jedes Materials berechnet werden, um das durch die Raman-Spektroskopie erhaltene Raman-Spektrum der Festelektrolytschicht 30 zu analysieren. In diesem Kontext ist es bevorzugt, einen Durchschnittswert des in jedem Material entstehenden Verhältnisses durch das Analysieren des an 10 beliebigen Positionen jeweils für das erste Gebiet 31 und das zweite Gebiet 32 erhaltenen Raman-Spektrums zu berechnen.
  • Das Raman-Spektrum kann unter Verwendung einer von Horiba Ltd. hergestellten Mikrolaser-Raman-Spektroskopievorrichtung (Modell: LabRAM ARAMIS) erhalten werden. Das Verfahren zum Analysieren des erfassten Raman-Spektrums basierend auf den bekannten Daten des Spektrums enthält die Verwendung eines CLS-Verfahrens, das ein bekanntes Verfahren zum Folgern eines chemischen Typs basierend auf mehreren Raman-Spektren ist.
  • Das Merkmal ”das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle” kann durch das Einstellen der verwendeten Menge des Pulvers des auf Cerdioxid basierenden Materials in dem Vorbereitungsschritt gesteuert werden.
  • Das Merkmal ”das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials” in der vorliegenden Ausführungsform ist ein allgemeines Konzept des auf einer Komponentenanalyse eines Querschnitts basierend berechneten Inhaltsanteils. Die in Bezug auf ”das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials” verwendeten Einheiten sind ”Mol-%”. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch außerdem eine einfache Bezeichnung als ”%” vorhanden. Die Komponentenanalyse ist unter Verwendung einer Elementanalyse möglich, die ein durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) erhaltenes EDX-Spektrum verwendet.
  • Das Merkmal ”das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials” kann durch das Einstellen der verwendeten Menge des Pulvers des auf Cerdioxid basierenden Materials und des Pulvers des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem Vorbereitungsschritt gesteuert werden.
  • Die Dicke des ersten Gebiets 31 kann als 1 Mikrometer bis 10 Mikrometer konfiguriert sein. Die Dicke des zweiten Gebiets 32 kann als 3 Mikrometer bis 20 Mikrometer konfiguriert sein. Der Abstand L von der Grenzfläche P mit der Anode 20 bis zu der Seitenfläche 32S zum ersten Gebiet des zweiten Gebiets 32 kann als 1 Mikrometer bis 20 Mikrometer konfiguriert sein und ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 10 Mikrometer. Der Abstand L ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 1/2 der Gesamtdicke der Festelektrolytschicht 30, bevorzugter kleiner als oder gleich 1/3 und noch bevorzugter kleiner als oder gleich 1/4.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzelle 10
  • Als Nächstes wird ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens für die Brennstoffzelle 10 beschrieben.
  • Zuerst wird ein Rohling für die Anodenstromsammelschicht 21 durch Formen des Anodenstromsammelschichtpulvers unter Verwendung eines Matrizenpressverfahrens gebildet.
  • Als Nächstes wird durch Hinzufügen von Polyvinylalkohol (PVA) als ein Bindemittel zu einer Mischung aus einem Porenbildungsmittel (z. B. PMMA) und dem Pulver der aktiven Anodenschicht ein Brei für die aktive Anodenschicht vorbereitet. Dann wird der Rohling für die aktive Anodenschicht 22 durch das Drucken des Breis für die aktive Anodenschicht unter Verwendung eines Druckverfahrens oder dergleichen auf den Rohling für die Anodenstromsammelschicht 21 gebildet. In dieser Weise wird der Rohling für die Anode 20 geformt.
  • Als Nächstes wird ein Brei für das erste Gebiet durch Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem NiO-Pulver (oder einem Ni-Pulver) und einem Pulver eines auf Zirkonoxid basierenden Materials, das kubische Zirkonoxidkristalle enthält, vorbereitet. Obwohl zu diesem Zeitpunkt ein auf Cerdioxid basierendes Material zusätzlich zu dem Pulver des auf Zirkonoxid basierenden Materials gemischt werden kann, wird das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials gesteuert, so dass es einen Wert von kleiner als oder gleich 0,5% annimmt. In dieser Weise kann das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet 31 konfiguriert werden, so dass es größer als oder gleich 3,0% ist. Die Menge des NiO-Pulvers wird so eingestellt, dass das Verhältnis der Atommasse des Nickels zum Zirkonoxid einen Wert von kleiner als oder gleich 3,0 At.-% annimmt.
  • Dann wird der Rohling für das erste Gebiet 31 der Festelektrolytschicht 30 durch das Drucken des Breis für das erste Gebiet unter Verwendung eines Druckverfahrens oder dergleichen auf den Rohling für die Anode 20 gebildet.
  • Als Nächstes wird ein Brei für das zweite Gebiet durch das Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem Pulver eines auf Cerdioxid basierenden Materials und einem Pulver eines auf Zirkonoxid basierenden Materials, das kubische Zirkonoxidkristalle enthält, vorbereitet. Zu diesem Zeitpunkt wird jedes Material so abgewogen, dass das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials einen Wert von größer als oder gleich 1,0% annimmt. In dieser Weise kann das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet 32 so konfiguriert werden, dass es größer als oder gleich 0,1% ist.
  • Dann wird der Rohling für das zweite Gebiet 32 der Festelektrolytschicht 30 durch das Drucken des Breis für das zweite Gebiet unter Verwendung eines Druckverfahrens oder dergleichen auf den Rohling für das erste Gebiet 31 gebildet. In dieser Weise wird ein Rohling für die Festelektrolytschicht 30 gebildet.
  • Als Nächstes wird ein Brei durch das Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem Pulver für die Sperrschicht vorbereitet. Dann wird der Rohling für die Sperrschicht 40 durch das Auftragen des Breis unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen auf den Rohling für die Festelektrolytschicht 30 gebildet.
  • Der Schichtkörper der Rohlinge, der vorbereitet worden ist, wie oben beschrieben worden ist, wird gemeinsam gebrannt (1300 bis 1600 Grad C, 2 bis 20 Stunden), um einen gemeinsam gebrannten Körper zu bilden, der durch die Anode 20, die Festelektrolytschicht 30 und die Sperrschicht 40 konfiguriert ist.
  • Als Nächstes wird ein Brei durch das Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem Pulver für die Kathode vorbereitet. Dann wird der Rohling für die aktive Kathodenschicht 52 durch das Auftragen des Breis unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen auf die Sperrschicht 40 gebildet. Dann wird der Rohling für die Kathode 50 gebrannt (1000 bis 1100 Grad C, 1 bis 10 Stunden).
  • Andere Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform eingeschränkt, wobei verschiedene Änderungen oder Modifikationen innerhalb eines Schutzumfangs, der nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweicht, hinzugefügt werden können.
    • (A) Obwohl in der obigen Ausführungsform die Brennstoffzelle 10 eine Sperrschicht 40 enthält, kann die Sperrschicht 40 aus der Brennstoffzelle 10 weggelassen sein. In dieser Konfiguration kann das zweite Gebiet 32 der Festelektrolytschicht 30 mit der Kathode 50 verbunden sein.
    • (B) Obwohl in der obigen Ausführungsform die Festelektrolytschicht 30 konfiguriert ist, so dass sie das erste Gebiet 31 und das zweite Gebiet 32 enthält, gibt es in dieser Hinsicht keine Einschränkung. Das zweite Gebiet 32 kann zwischen dem ersten Gebiet 31 und der Kathode 50 angeordnet sein, oder, wie in 2 veranschaulicht ist, die Festelektrodenschicht 30 kann ein drittes Gebiet 33 enthalten, das zwischen dem ersten Gebiet 31 und dem zweiten Gebiet 32 angeordnet ist.
  • Das dritte Gebiet 33 enthält ein auf Zirkonoxid basierendes Material. Das dritte Gebiet 33 enthält kubische Zirkonoxidkristalle und tetragonale Zirkonoxidkristalle. Das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle im dritten Gebiet 33 ist größer als 0,1% und kleiner als 3,0%. Weiterhin kann das dritte Gebiet 33 ein auf Cerdioxid basierendes Material enthalten. Das auf Cerdioxid basierende Material enthält die Verwendung von GDC, SDC oder dergleichen, wobei es aber keine Einschränkung in dieser Hinsicht gibt. Das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials im dritten Gebiet 33 ist größer als 0,5% und kleiner als 1,0%. Das dritte Gebiet 33 kann konfiguriert sein, so dass es im Wesentlichen kein auf Cerdioxid basierendes Material enthält.
    • (C) Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Festelektrolytschicht 30 das erste Gebiet 31 und das zweite Gebiet 32 enthält, gibt es keine Einschränkung in dieser Hinsicht. Das zweite Gebiet 32 kann zwischen dem ersten Gebiet 31 und der Kathode 50 angeordnet sein, oder, wie in 3 veranschaulicht ist, die Festelektrodenschicht 30 kann ein viertes Gebiet 34, das auf dem zweiten Gebiet 32 angeordnet ist, enthalten.
  • Beispiele
  • Die Vorbereitung der Proben Nr. 1 bis Nr. 15
    Die Proben Nr. 1 bis Nr. 15 werden vorbereitet, wie im Folgenden beschrieben wird.
  • Zuerst wird durch das Trocknen eines Breis aus einer Mischung aus IPA und einem Mischungspulver eines Porenbildungsmittels (PMMA), einem 8YSZ-Pulver und einem NiO-Pulver in einer Stickstoffatmosphäre ein gemischtes Pulver vorbereitet.
  • Als Nächstes wird auf das gemischte Pulver ein einachsiger Druck (Pressdruck 50 MPa) ausgeübt, um eine Platte mit 30 mm Länge × 30 mm Breite und einer Dicke von 3 mm zu bilden. Durch das weitere Verfestigen der Platte unter Verwendung eines CIP (Pressdruck: 100 MPa) wird ein Rohling für die Anodenstromsammelschicht vorbereitet.
  • Als Nächstes wird der aus einer Mischung aus IPA und einem Verbindungspulver aus PMMA und einem sauerstoffionenleitenden Material (einem auf Zirkonoxid basierenden Material oder einem auf Cerdioxid basierenden Material), wie in Tabelle 1 gezeigt ist, und einem NiO-Pulver gebildete Brei auf den Rohling für die Anodenstromsammelschicht gedruckt.
  • Als Nächstes wird ein Brei für das erste Gebiet durch Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem NiO-Pulver und einem Pulver eines auf Zirkonoxid basierenden Materials (8YSZ oder 10YSZ), wie in Tabelle 1 gezeigt ist, vorbereitet. Zu diesem Zeitpunkt wird die verwendete Menge des Pulvers des auf Cerdioxid basierenden Materials (GDC oder SCC), wie in Tabelle 1 gezeigt ist, in dem Brei für das erste Gebiet eingestellt, um dadurch den Anteil des auf Cerdioxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet einzustellen. Es gibt jedoch keine Zugabe eines auf Cerdioxid basierenden Materials zu dem Brei für das erste Gebiet in den Proben Nr. 5 bis Nr. 10 und Nr. 14 und Nr. 15. Als Nächstes wird ein Rohling für das erste Gebiet der Festelektrolytschicht durch das Drucken des Breis für das erste Gebiet auf den Rohling für die Anode gebildet. Weiterhin wird die gemischte Menge des NiO-Pulvers eingestellt, so dass das Verhältnis der Atommassen von Ni zu Zr kleiner als oder gleich 3,0 At.-% ist.
  • Als Nächstes wird ein Brei für das zweite Gebiet durch Mischen von einem Terpineol und einem Bindemittel mit einem Pulver eines auf Cerdioxid basierenden Materials und einem Pulver eines auf Zirkonoxid basierenden Materials, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, vorbereitet. Zu diesem Zeitpunkt wird die verwendete Menge des auf Cerdioxid basierenden Materials, wie in Tabelle 1 gezeigt ist, in dem Brei für das zweite Gebiet eingestellt, um dadurch den Anteil des auf Cerdioxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet einzustellen. Als Nächstes wird ein Rohling für das zweite Gebiet der Festelektrolytschicht durch das Drucken des Breis für das zweite Gebiet auf den Rohling für das erste Gebiet gebildet.
  • Als Nächstes wird ein GDC-Brei vorbereitet, wobei ein Rohling für die Sperrschicht durch das Auftragen des GDC-Breis auf den Rohling für die Festelektrolytschicht vorbereitet wird.
  • Als Nächstes wird der Rohling für die Anode, die Elektrolytschicht und die Sperrschicht während 2 Stunden bei 1400 Grad C gebrannt.
  • Als Nächstes wird ein LSCF-Brei vorbereitet und wird ein Rohling für die Kathode durch das Auftragen des LSCF-Breis auf den gemeinsam gebrannten Körper vorbereitet. Der Rohling für die Kathode wird während 1 Stunde bei 1100 Grad C gebrannt.
  • Die Messung des Intensitätsverhältnisses des Raman-Spektrums der kubischen Zirkonoxidkristalle und der tetragonalen Zirkonoxidkristalle durch Raman-Spektroskopie
  • Die Kristallphasenanalyse wird unter Verwendung der Raman-Spektroskopie in Bezug auf den Querschnitt der Festelektrolytschicht der Proben Nr. 1 bis Nr. 15 ausgeführt. Spezifischer wird auf die jeweiligen eindeutigen Raman-Spektren der kubischen Zirkonoxidkristalle und der tetragonalen Zirkonoxidkristalle Bezug genommen, um dadurch die in Bezug auf den Querschnitt der Festelektrolytschicht erhaltenen Raman-Spektren zu analysieren. Die Festelektrolytschicht ist bezüglich einer Grenzflächenlinie, die durch die kontinuierliche Ausführung der Raman-Spektroskopie-Analyse in einer Dickenrichtung als eine Linie bestimmt wird, an der das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der kubischen Zirkonoxidkristalle und der tetragonalen Zirkonoxidkristalle einen Wert von 0,1% annimmt, in ein erstes Gebiet und ein zweites Gebiet aufgeteilt. Die jeweiligen Dicken des ersten Gebiets und des zweiten Gebiets sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Als Nächstes wird ein Durchschnittswert des Anteils der tetragonalen Zirkonoxidkristalle basierend auf dem Intensitätsverhältnis der Raman-Spektren, die jeweils in den kubischen Zirkonoxidkristallen und den tetragonalen Zirkonoxidkristallen entstehen, durch das Analysieren der Daten der Raman-Spektren an mehreren Positionen (n = 10) in der Ebenenrichtung und der Dickenrichtung in dem ersten Gebiet erhalten. Die Durchschnittswerte des Anteils der tetragonalen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Als Nächstes wird ein Durchschnittswert des Anteils der tetragonalen Zirkonoxidkristalle basierend auf dem Intensitätsverhältnis der Raman-Spektren, die jeweils in den kubischen Zirkonoxidkristallen und den tetragonalen Zirkonoxidkristallen entstehen, durch das Analysieren der Daten der Raman-Spektren an mehreren Positionen (n = 10) in der Ebenenrichtung und der Dickenrichtung in dem zweiten Gebiet erhalten. Die Durchschnittswerte des Anteils der tetragonalen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Die Messung des Inhaltsanteils des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials durch EDX
  • Die EDX wird verwendet, um ein EDX-Spektrum an mehreren Positionen (n = 10) eines Querschnitts der Festelektrolytschicht in den Proben Nr. 1 bis Nr. 15 zu erfassen. Ein Durchschnittswert des Verhältnisses (Mol.-%) des auf Cerdioxid basierenden Material im ersten Gebiet bzw. im zweiten Gebiet der Festelektrolytschicht wird durch eine Elementanalyse basierend auf dem EDX-Spektrum erfasst. Die Durchschnittswerte des Anteils (Mol-%) des auf Cerdioxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet bzw. dem zweiten Gebiet sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Die Rissbeobachtung nach der Reduktionsbehandlung
  • Als Nächstes wird jede Probe einer Reduktionsbehandlung unterworfen. Spezifischer wird nach dem Erhöhen der Temperatur von der Umgebungstemperatur auf 750 Grad C bei 400 Grad C/h in einem Zustand, in dem die Anodenseite jeder Probe einer 4-%-Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt ist, ein Wechsel von der 4-%-Wasserstoffatmosphäre zu einer 100-%-Wasserstoffatmosphäre ausgeführt. Als Nächstes wird die Temperatur während 100 Stunden bei 750 Grad C in einem Zustand aufrechterhalten, in dem Wasserstoffgas der Anode zugeführt wird, wobei dann die Temperatur während 12 Stunden in einem Zustand, in dem die Reduktionsatmosphäre durch das Zuführen von Ar-Gas und Wasserstoffgas (4% bezüglich des Ar) aufrechterhalten wird, bis zur Umgebungstemperatur verringert wird.
  • Dann wird durch mikroskopische Beobachtung der Grenzfläche unmittelbar an dem ersten Gebiet in der Festelektrolytschicht und der Anode das Vorhandensein oder das Fehlen einer Rissbildung bestätigt. Die Beobachtungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Festelektrolytschicht
  • Nach der Ausführung der Reduktionsbehandlung an jeder Probe wird der IR-Widerstand jeder Probe unter Verwendung eines Wechselstromimpedanzverfahrens gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
  • Figure DE112015002517T5_0002
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wird in den Proben Nr. 1 und Nr. 11 in der Grenzfläche unmittelbar an dem ersten Gebiet in der Festelektrolytschicht und der Anode nach der Reduktionsbehandlung eine Rissbildung beobachtet. Dieses Ergebnis ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Cerdioxidanteil in dem ersten Gebiet in der Festelektrolytschicht jeweils in den Proben Nr. 1 und Nr. 11 hoch ist und deshalb der Ausdehnungsbetrag in dem ersten Gebiet während der Reduktionsbehandlung im Vergleich zu der Anode groß war. Weil bekannt ist, dass die Festigkeit der tetragonalen Zirkonoxidkristalle größer als die Festigkeit der kubischen Zirkonoxidkristalle ist, ist ein weiterer Grund das Fehlen einer ausreichenden Verbindbarkeit in der Grenzfläche der Anode und des ersten Gebiets aufgrund des geringen Anteils der tetragonalen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet.
  • Deshalb ist gezeigt, dass ein Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu der Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet 31 vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,5% ist und dass das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet vorzugsweise größer als oder gleich 3,0% ist.
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, zeigen die Proben Nr. 1 und Nr. 11 eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit der Zelle. Dieses Ergebnis ist auf das übermäßig hohe Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet der Festelektrolytschicht jeweils in den Proben Nr. 1 und Nr. 11 zurückzuführen.
  • Deshalb kann gesehen werden, dass das Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zur Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierende Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet 32 vorzugsweise größer als oder gleich 1,0% ist und dass das Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu der Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle vorzugsweise kleiner als oder gleich 0,1% ist.
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist bestätigt worden, dass die Proben Nr. 1 bis Nr. 10 und die Proben Nr. 12 bis Nr. 15 die obigen Ergebnisse ungeachtet des Typs des sauerstoffionenleitenden Materials, das in der Anode enthalten ist, zeigen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    20
    Anode
    30
    Festelektrolytschicht
    31
    erstes Gebiet
    32
    zweites Gebiet
    40
    Sperrschicht
    50
    Kathode

Claims (1)

  1. Brennstoffzelle, die umfasst: eine Anode, die ein sauerstoffionenleitendes Material und Nickel enthält, eine Kathode und eine Festelektrolytschicht, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei die Festelektrolytschicht ein auf Zirkonoxid basierendes Material als eine Hauptkomponente enthält und ein auf Cerdioxid basierendes Material und Nickel als Sekundärkomponenten enthält, die Festelektrolytschicht ein erstes Gebiet, das an der Anode angeordnet ist, und ein zweites Gebiet, das zwischen dem ersten Gebiet und der Kathode angeordnet ist, enthält, ein Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu einer Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem ersten Gebiet kleiner als oder gleich 0,5% ist, ein Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu einer Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem ersten Gebiet größer als oder gleich 3,0% ist, ein Verhältnis der Atommasse des Nickels zum Zirkonoxid in dem ersten Gebiet kleiner als oder gleich 3,0 At.-% ist, ein Verhältnis des auf Cerdioxid basierenden Materials zu einer Gesamtmenge des auf Cerdioxid basierenden Materials und des auf Zirkonoxid basierenden Materials in dem zweiten Gebiet größer als oder gleich 1,0% ist und ein Verhältnis der tetragonalen Zirkonoxidkristalle zu einer Gesamtmenge der tetragonalen Zirkonoxidkristalle und der kubischen Zirkonoxidkristalle in dem zweiten Gebiet kleiner als oder gleich 0,1% ist.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112016000055T5 (de) * 2015-07-07 2017-07-20 Ngk Insulators, Ltd. Brennstoffzellenstack
JP6348644B2 (ja) * 2016-07-27 2018-06-27 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
DE112017003794T5 (de) * 2016-07-27 2019-04-25 Ngk Insulators, Ltd. Stack elektrochemischer zellen
JP6349445B1 (ja) 2017-07-26 2018-06-27 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
JP6349446B1 (ja) * 2017-07-26 2018-06-27 日本碍子株式会社 電気化学セルスタック
JP6936273B2 (ja) * 2019-04-11 2021-09-15 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応セルスタック
JP6951383B2 (ja) * 2019-07-05 2021-10-20 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応セルスタック
JP7301768B2 (ja) * 2020-03-18 2023-07-03 東芝エネルギーシステムズ株式会社 電気化学セル、電気化学セルスタックおよび電気化学セル用電解質
AU2022203575A1 (en) * 2021-06-08 2022-12-22 Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation Electrochemical cell and electrochemical cell stack

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4771579B2 (ja) * 2000-10-23 2011-09-14 東邦瓦斯株式会社 固体電解質型燃料電池
JP4039618B2 (ja) * 2002-08-09 2008-01-30 東邦瓦斯株式会社 固体酸化物形燃料電池
CN101228099B (zh) * 2005-07-27 2013-01-16 株式会社日本触媒 固态电解质薄片的制造方法以及固态电解质薄片
US7820332B2 (en) * 2006-09-27 2010-10-26 Corning Incorporated Electrolyte sheet with regions of different compositions and fuel cell device including such
US8067129B2 (en) * 2007-11-13 2011-11-29 Bloom Energy Corporation Electrolyte supported cell designed for longer life and higher power
JP5198108B2 (ja) 2008-03-26 2013-05-15 京セラ株式会社 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
JP5323269B2 (ja) * 2010-01-26 2013-10-23 ブルーム エナジー コーポレーション 燃料電池の構成物、特に固形酸化物型燃料電池の電解質材料
EP2672555B1 (de) * 2011-01-31 2019-01-09 Toto Ltd. Festoxid-brennstoffzelle
JP6339582B2 (ja) * 2012-11-20 2018-06-06 ブルーム エナジー コーポレーション ドープされたスカンジア安定化ジルコニア電解質組成物

Also Published As

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DE112015002517B4 (de) 2023-07-06
US10033059B2 (en) 2018-07-24
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