DE112017005905T5 - Verfahren zur Herstellung von Brennstoffzellen und Brennstoffzelle - Google Patents

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Teruyoshi Mihara
Tomihito Hashimoto
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle mit hoher Lebensdauer gegen einen wiederholten Wärmezyklus, der sich aus Start- und Stoppvorgängen ergibt, sowie eine Brennstoffzelle. Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die mit wenigstens einer Festelektrolytschicht und einer Vielzahl von Elektroden versehen ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen Stapelschritt zum Stapeln der Festelektrolytschicht und der Elektroden zum Bilden eines Schichtkörpers mit den auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht vorgesehenen Elektroden (Schritt S1); einen ersten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung mit einer ersten Polarität an die Elektroden, die einander zugewandt sind, wobei die Festelektrolytschicht dazwischen angeordnet ist (Schritt S2); und einen zweiten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung mit einer zweiten Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, an die Elektroden, die einander zugewandt sind, mit der dazwischen angeordneten Festelektrolytschicht (Schritt S3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle und betrifft eine Brennstoffzelle.
  • Hintergrund
  • Festoxid-Brennstoffzellen mit Festelektrolyt (Festoxid-Brennstoffzelle, nachfolgend auch „SOFC“ oder „Brennstoffzelle“ genannt) wurden in der Vergangenheit als Brennstoffzellen bezeichnet. Mit der SOFC weist eine Brennstoffzelle, die eine Stromerzeugungseinheit (nachfolgend auch „Einheitszelle“ genannt) ist, eine Struktur auf, bei der Elektroden auf beiden Oberflächen einer Festelektrolytschicht vorgesehen sind. Um eine gewünschte Spannung oder einen gewünschten Strom zu erhalten, wird auch ein Brennstoffzellenstapel verwendet, für den eine Vielzahl von Einheitszellen laminiert sind (nachfolgend auch „Zellenstapel“ genannt).
  • Als Verfahren zum Bilden der Festelektrolytschicht in der SOFC wird ein Nassverfahren genutzt, bei dem eine Paste aus einem Festelektrolytmaterial auf die Oberfläche einer Elektrode aufgebracht wird und nach dem Trocknen bei hoher Temperatur gebrannt wird (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
  • Stand-der-Technik-Dokumente
  • Patentdokumente
  • Patentdokument 1: Ungeprüfte Patentveröffentlichung mit der Nr. 2013-65518
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
  • Die SOFC unterliegt jedoch einer hohen thermischen Belastung durch Erwärmungszyklen in der Zeit vom Start bis zum Stopp, die von der Normaltemperatur (beispielsweise Raumtemperatur) auf die Temperatur während der Stromerzeugung (beispielsweise 750°C bis 1000°C) ansteigen und wieder auf Normaltemperatur fallen.
  • Bei der SOFC, die nach dem Nassverfahren wie im Patentdokument 1 gebildet wird, besteht jedoch ein Problem der Dauerhaftigkeit, bei der Risse in der Festelektrolytschicht oder Abblätterungen an der Schnittstelle von Festelektrolytschicht und Elektroden durch Wiederholung des Heizzyklus auftreten.
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit Fokus auf das vorstehend erwähnte Problem entwickelt, und ihr Zweck ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine hohe Lebensdauer in Bezug auf wiederholte Heizzyklen beim Starten und Stoppen aufweisen.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Um das vorstehend erwähnte Problem zu lösen, ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine oder mehrere Festelektrolytschichten und eine Vielzahl von Elektroden umfasst, wobei
    das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes umfasst:
    • einen Laminier-Schritt zum Laminieren der Festelektrolytschicht und der Elektroden, um ein Laminat herzustellen, bei dem die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind,
    • einen ersten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung mit einer ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschicht umschließt, und
    • einen zweiten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung einer zweiten Polarität, die die Umkehrung der ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden ist, die die Festelektrolytschicht umschließen.
  • Effekt der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Brennstoffzelle mit hoher Lebensdauer in Bezug auf wiederholte Heizzyklen beim Starten und Stoppen zu erhalten.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine Zeichnung zur Erläuterung des Verfahrens zum Bilden einer Einheitszelle durch Verbinden einer Festelektrolytschicht mit Elektroden unter Verwendung eines Anodenbondverfa hrens.
    • 3 ist eine Zeichnung, die eine Elektrode zeigt, die einen Träger und eine Elektrodenschicht aufweist.
    • 4A ist eine Zeichnung, die den Träger mit einem perforierten Metall zeigt.
    • 4B ist eine Zeichnung, die den Träger zeigt, der das perforierte Metall nur an dem Abschnitt aufweist, an dem die Festelektrolytschicht und die Elektrodenschicht in Kontakt sind.
    • 4C ist eine Zeichnung, die das perforierte Metall zeigt, bei dem ein poröses Material in die Öffnungen gefüllt ist.
    • 5 ist eine Zeichnung, die einen Verbundkörper (Einheitszelle) zeigt.
    • 6 ist eine Zeichnung, die ein Konfigurationsbeispiel einer Brennstoffzelle unter Verwendung des mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Verbundkörpers (Brennstoffzelle) zeigt.
    • 7A ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Anodenverbinden einer Vielzahl von Laminaten in der vorliegenden Erfindung.
    • 7B ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Anodenverbinden einer Vielzahl von Laminaten in der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels mit Elektroden, bei denen die Querschnittsform eine rechteckige Wellenform ist.
    • 9 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines weiteren Zellenstapels mit Elektroden, bei denen die Querschnittsform eine rechteckige Wellenform ist.
    • 10A ist eine Zeichnung, die einen Laminier-Modus von gegenüberliegenden Elektroden zeigt.
    • 10B ist eine Zeichnung, die eine Art der Laminierung von gegenüberliegenden Elektroden zeigt.
    • 11 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels mit Elektroden, bei denen die Querschnittsform eine dreieckige Wellenform ist.
    • 12 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines weiteren Zellenstapels mit Elektroden, bei denen die Querschnittsform eine dreieckige Wellenform ist.
    • 13A ist eine Zeichnung zur Erläuterung einer Laminierungsmethode von gegenüberliegenden Elektroden.
    • 13B ist eine Zeichnung zur Erläuterung einer Laminierungsmethode von gegenüberliegenden Elektroden.
    • 14 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels mit Elektrodenkörpern, bei denen zwei Elektroden verbunden sind.
    • 15 ist eine Zeichnung zur Erläuterung von vier in der Elektrode vorgesehenen Gas-Umwälzöffnungen.
    • 16A ist eine perspektivische Ansicht der Struktur eines Separators.
    • 16B ist eine Querschnittsansicht der Struktur des Separators.
    • 17A ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Anordnung von Separatoren zwischen zwei Elektroden.
    • 17B ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Anordnung von Separatoren zwischen zwei Elektroden.
    • 17C ist eine Querschnittsansicht von B-B in 17A.
    • 17D ist eine Querschnittsansicht von C-C in 17A.
    • 18 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Gasströmung in einem Gasströmungspfad.
    • 19A ist eine Zeichnung zur Erläuterung einer Dichtung.
    • 19B ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Anordnung der Dichtung von 19A.
    • 20A ist eine Zeichnung zur Erläuterung des Verfahrens zur Unterdrückung der Expansion der Durchgangsbohrung der Dichtung.
    • 20B ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines weiteren Verfahrens zur Unterdrückung der Expansion der Durchgangsbohrung der Dichtung.
    • 21A ist eine Zeichnung, die eine Gasversorgungsleitung zeigt.
    • 21B ist eine Zeichnung, die eine Gasversorgungsleitung zeigt.
    • 22 ist eine Zeichnung, die den Zellenstapel zeigt, in den die Gasversorgungsleitung eingesetzt ist.
    • 23 ist eine Zeichnung, die den durch Endplatten fixierten Zellenstapel zeigt.
    • 24 ist eine Zeichnung, die den Gasstrom im Zellenstapel zeigt.
    • 25 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Bilden der Einheitszelle durch Verbinden der Festelektrolytschicht und der Elektroden mit einem Kathodenbindungsverfahren.
    • 26 ist eine Zeichnung, die ein perforiertes Metall mit einer Oxidschicht auf der Oberfläche zeigt.
    • 27 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels 130, der einem in 8 dargestellten Zellenstapel 30 ähnlich ist, der nach dem Kathodenbindungsverfahren gebildet wurde.
    • 28 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels 140, der dem in 27 dargestellten Zellenstapel 130 ähnlich ist, der nach dem Kathodenbindungsverfahren gebildet wurde.
    • 29 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels 150, der einem in 11 dargestellten Zellenstapel 50 ähnlich ist, der nach dem Kathodenbindungsverfahren gebildet wurde.
    • 30 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels 160, der dem in 29 dargestellten Zellenstapel 150 ähnlich ist, der nach dem Kathodenbindungsverfahren gebildet wurde.
    • 31 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Zellenstapels 170, der einem in 14 dargestellten Zellenstapel 70 ähnlich ist, der nach dem Kathodenbindungsverfahren gebildet wurde.
    • 32 ist eine Zeichnung, die einen Elektrodenkörper zeigt, für den eine Oxidschicht auf der Oberfläche gebildet ist.
    • 33 ist eine Zeichnung, die den Zustand von Elektrodenkörpern mit einer Festelektrolytschicht und einer Oxidschicht zeigt, die mit einer eingelegten Dichtung laminiert ist.
    • 34 ist eine Zeichnung, die den Zellenstapel darstellt, der durch das Einführen der Gasversorgungsleitung in das in 33 dargestellte Laminat erhalten wird.
  • Modi zur Durchführung der Erfindung
  • (Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle)
  • Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. 1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine oder mehrere Festelektrolytschichten und eine Vielzahl von Elektroden umfasst, einschließlich: einem Laminier-Schritt (Schritt S1) zum Laminieren der Festelektrolytschicht und der Elektroden, um ein Laminat herzustellen, bei dem die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind; einem ersten Spannungsanlegeschritt (Schritt S2) zum Anlegen einer Spannung mit einer ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschicht umschließt; und einem zweiten Spannungsanlegeschritt (Schritt S3) zum Anlegen einer Spannung mit einer zweiten Polarität, die umgekehrt von der ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden ist, die die Festelektrolytschicht umschließt.
  • Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch die Herstellung einer Einzelzelle oder eines Zellenstapels durch Verbinden der Festelektrolytschicht und der Elektroden unter Verwendung eines Anodenbondverfahrens. Beim Anodenbondverfahren werden die zu verbindenden Materialien kontaktiert und beim Erwärmen wird Gleichspannung angelegt, so dass von dem Elektrodenpaar, das die Festelektrolytschicht umschließt, die Elektrode, für die eine Bindung gebildet wird, Plus (Anode) und Minus (Kathode) ist. Dabei werden in der Festelektrolytschicht Sauerstoff-Ionen zur Anode geleitet, und auch durch elektrostatische Anziehung an der anodenseitigen Materialoberfläche wird eine starke Haftkraft erzeugt. Da die Sauerstoff-Ionen, die sich zu dieser Grenzfläche bewegt haben, eine kovalente Bindung mit beiden Substanzen der Grenzfläche eingehen, ist es möglich, die Formmaterialien stark zu binden. Im Folgenden wird jeder Schritt der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels bei der Bildung von Einheitszellen erläutert.
  • Zunächst wird bei Schritt S1 ein Laminier-Schritt durchgeführt, mit dem die Festelektrolytschicht und die Elektroden laminiert werden, um ein Laminat herzustellen, bei dem die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind. Konkret werden, wie in 2 dargestellt, zwischen zwei Elektrodenplatten P, die mit einer Spannungsanlege-Vorrichtung V verbunden sind, eine Elektrode 3, eine Festelektrolytschicht 1 und eine Elektrode 2 in dieser Reihenfolge laminiert, um das Laminat herzustellen.
  • Bei dieser Spezifikation wird die Struktur, bevor die Elektroden auf beide Oberflächen der Festelektrolytschicht gelegt werden, und die Festelektrolytschicht und die Elektroden werden gebunden, als „Laminat“ bezeichnet, und die Struktur nach der Festelektrolytschicht und den Elektroden wird als „gebundener Körper“ oder „Einheitszelle“ bezeichnet.
  • Als Festelektrolytschicht 1 ist es vorzuziehen, einen Gegenstand zu verwenden, der kein Gas, sondern Sauerstoff-Ionen durchlässt. Als Material für die Festelektrolytschicht 1 kann beispielsweise ein stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) verwendet werden, bei dem Yttriumdioxid (Y2O3) oder Neodymoxid (Nd2O3), Samaria (Sm2O3), Gadolinium (Gd2O3), Skandioxid (Sc2O3) usw. in fester Lösungsform vorliegen. Es ist auch möglich, eine Ceria-Festlösung wie Samaria-dotiertes Cerium (SDC) oder Yttrium-dotiertes Cerium (YDC) oder Gadolinium-dotiertes Cerium (GDC) oder Wismutoxid (Bi2O3), Lanthan-Strontium-Magnesium-Gallat (La1-xSrxGa1-yMgyO3): LSGM) zu verwenden, usw.
  • Das Material der Festelektrolytschicht 1 ist nicht auf die oben genannten Elemente beschränkt, und es ist möglich, andere bekannte Festelektrolytmaterialien zu verwenden. Zudem ist es für diese Materialien möglich, einen Typ allein oder eine Kombination aus mehreren Typen zu verwenden.
  • Für die oben genannte Festelektrolytschicht 1 ist es typischerweise möglich, einen Gegenstand zu verwenden, der im Heißprägeverfahren erhalten wurde, bei dem ein Pulver eines Rohmaterials mit einem organischen Bindemittel vermischt wird, Druck ausgeübt wird, um dieses dünn zu verlängern, und das Drucksintern in einem Hochtemperaturofen durchgeführt wird. Es ist möglich, eine dünnere Festelektrolytschicht 1 vom Dünnschichttyp im Sol-Gel-Verfahren herzustellen.
  • Mit den Elektroden 2, 3 funktioniert eine als Luftelektrode einer Brennstoffzelle und die andere als Brennstoffelektrode. Im Zellenstapel ist es notwendig, die Einheitenzellen in dünnerer Plattenform zu haben, um die Leistung zu erhöhen, um das jedoch zu erreichen, ist es notwendig, die mechanische Festigkeit der Einheitenzellen zu erhöhen. Daher ist es, wie in 3 dargestellt, vorzuziehen, dass die Elektroden 2, 3 eine Konfiguration aufweisen, die einen Träger 4, der eine Basis ist, und eine Elektrodenschicht 5 auf dem Träger 4 aufweist.
  • Der Träger 4 muss in der Lage sein, Elektronen der Elektrodenschicht 5 zu sammeln und der Festelektrolytschicht 1 Brenngas („fuel gas“) oder Oxidationsgas zuzuführen. Als diese Art von Träger 4 ist es möglich, einen nichtgewobenen Stoff oder ein poröses Material zu verwenden, das aus einem elektrisch leitfähigen Material, einem perforierten Metall aus einem einzelnen Metall, einer Legierung usw. besteht, in dem viele Durchgangslöcher vorgesehen sind.
  • Unter diesen ist es vorzuziehen, dass der Träger 4 ein perforiertes Metall 6 aufweist, wie in 4A dargestellt. Das perforierte Metall 6 weist viele Durchgangslöcher auf, die auf einer Metallplatte mit Hilfe einer Metallform durch Pressenbearbeitung gebildet werden. Beim perforierten Metall 6 wird durch die Verkleinerung des Durchmessers der Durchgangslöcher und die zunehmende Dichte die Kontaktfläche der Elektroden mit Brenngas oder Oxidationsgas vergrößert, und es ist möglich, die Leistungsdichte der Einzelzelle oder des Zellenstapels zu verbessern.
  • Auch wenn der Träger 4 das perforierte Metall 6 aufweist, ist es vorzuziehen, dass die Elektrodenschicht 5 das perforierte Metall 6 an dem Abschnitt aufweist, der die Elektrolytschicht 1 berührt, wie in 4B dargestellt.
  • Wenn der Träger 4 das perforierte Metall 6 als Material des Trägers 4 aufweist, ist es vorzuziehen, ein Material zu verwenden, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem des Festelektrolytmaterials liegt und das einer Hochtemperatur-Oxidationsumgebung von 600°C oder mehr standhalten kann. Als Werkstoff mit solchen Eigenschaften ist derzeit Edelstahl („stainless steel“, SUS) optimal.
  • Zudem ist es als Material der Elektrodenschicht 5 möglich, ein Material zu verwenden, das mit der Festelektrolytschicht 1 im Anodenbondverfahren eine starke Bindung eingehen kann, das bei der Reaktion mit dem im Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff (beispielsweise Luft) nicht verschwindet und das die Sauerstoffleitung durch Diffusion in der Festelektrolytschicht 1 bei hohen Temperaturen nicht negativ beeinflusst. So ist es beispielsweise möglich, amorphes Silizium (a-Si), Nickel (Ni) oder ähnliches zu verwenden. Das im Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellte a-Si ist ein Material mit solchen Eigenschaften, hat eine hervorragende mechanische Festigkeit und ist auch ein geeignetes Material, weil es als Elektrode bei Anodenbindungstemperaturen (300°C bis 600°C) und bei Temperaturen im Normalbetrieb (600°C bis 800°C) eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ferner ist Nickel als stabiles Elektrodenmaterial der SOFC bekannt und ist ein geeignetes Material mit hohen Ergebnissen auch als Barrieremetall zur Unterdrückung einer Legierungsreaktion in einer Hochtemperaturumgebung zwischen mehrschichtigen Materialien.
  • Die Dicke des Trägers 4, im Falle einer 100mmΦ, Festelektrolytdicke 10 µm Zelle zum Beispiel, ist aus der Sicht der Handhabung vorzugsweise 50 µm oder größer, obwohl dies eine grobe Richtlinie ist. Zudem ist die Dicke der Elektrodenschicht 5 vorzugsweise 0,1 µm oder größer und 1 µm oder kleiner unter Berücksichtigung der Anpassung des Leitungswiderstands und des Wärmeausdehnungskoeffizienten.
  • Als Verfahren zum Bilden der Elektrodenschicht 5 auf dem Träger 4 ist es im Falle von a-Si möglich, eine Dampfabscheidung oder eine chemische Dampfabscheidung („Chemical Vapor Deposition“, CVC) und im Falle von Ni ein stromloses Plattierungsverfahren oder ein Vakuumabscheidungverfahren zu verwenden.
  • Wie in 4C dargestellt, ist es vorzuziehen, ein poröses Material 6b, 6c zu füllen, das sowohl als Luftelektrode als auch als Brennstoffelektrode in den Öffnungen 6a des perforierten Metalls 6 dient. Dadurch wird unter Beibehaltung guter Kontakteigenschaften des Oxidations- oder Brenngases mit der Festelektrolytschicht 1 die Kontaktfläche zwischen den Elektroden 2, 3 und der Festelektrolytschicht 1 vergrößert und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung verbessert.
  • Wenn die Elektrode 2 die Luftelektrode ist, ist es möglich, als poröses Material 6b, das die Öffnungen 6a füllt, ein bekanntes Material für die Luftelektrode zu verwenden, das sich aufgrund einer Oxidationsreaktion nicht zu einem Nichtleiter verschiebt. Als diese Art von Material sind beispielsweise (La, Sr)MnO3 (LSM), (La, Sr)CoO3 (LSC), (La, Sr) (Co, Fe)O3 (LSCF), oder ähnliches aufgeführt.
  • Das Füllen des porösen Materials 6b in die Öffnungen 6a kann nach dem Anodenbinden der Elektroden 2, 3 an die Festelektrolytschicht 1 in den später beschriebenen Schritten S2, S3 erfolgen, beispielsweise durch Durchführung einer Brennverarbeitung nach Aufbringen einer Paste des Füllmaterials auf die Oberfläche des perforierten Metalls 6 der Elektrode 2 und Trocknen.
  • Auch wenn die Elektrode 3 die Brennstoffelektrode ist, ist es möglich, als poröses Material 6c zum Füllen der Öffnungen 6a ein bekanntes Material für die Brennstoffelektrode zu verwenden, das durch Zersetzung aufgrund einer Reduktionsreaktion nichtleitend wird. Beispiele für diese Art von Material sind Ni/YSZ-Cermet oder Ru/YSZ-Cermet.
  • Das Füllen des porösen Materials 6c in die Öffnungen 6a kann nach der Anodenverklebung der Elektroden 2, 3 mit der Festelektrolytschicht 1 in den später beschriebenen Schritten S2, S3 erfolgen, beispielsweise die Durchführung einer Brennverarbeitung nach dem Befüllen eines Rohmaterialpulvers des Füllmaterials in die Öffnungen 6a des perforierten Metalls 6 der Elektrode 3.
  • In 4C sind die Öffnungen 6a des perforierten Metalls 6 nicht vollständig mit den porösen Materialien 6b, 6c gefüllt, aber die Füllmenge kann entsprechend der Porosität der porösen Materialien 6b, 6c usw. eingestellt werden.
  • Als nächstes wird in Schritt S2 ein erster Spannungsanlegungsschritt zum Anlegen einer Spannung mit einer ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden 2, 3 und der Festelektrolytschicht 1 durchgeführt. Durch das jeweilige Verbinden der Elektrode 2 mit der positiven Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V und der Elektrode 3 mit der negativen Elektrodenseite und das Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 unter Erwärmung der Festelektrolytschicht 1 und der Elektroden 2, 3 ist es beispielsweise möglich, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 2 zu verbinden.
  • Die zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 anliegende Spannung hat einen optimalen Bereich entsprechend der Arbeitstemperatur, so dass sie entsprechend dem Material des Festelektrolyten optimal gewählt wird. Wenn die Temperatur oder die Spannung zu niedrig ist, ist der Sauerstoff-Ionenleitstrom des Festelektrolyten niedrig und die Verbindungszeit wird lang. Andererseits wird bei hohen Temperaturen die Bindungszeit kürzer, aber die Eigenspannung nach dem Kleben ist größer, was aus Sicht der Haltbarkeit ungeeignet ist. Auch bei Spannungen, wenn sie zu hoch sind, kommt es zu einer Entladung auf andere als das Verbindungsteil, und die Verbindung wird schwierig. Typischerweise ist es vorzuziehen, einen optimalen Wert in einem Spannungsbereich von 50V oder mehr bis 500V oder weniger unter Temperaturbedingungen von 300°C oder mehr bis 500°C oder weniger zu wählen. Dadurch ist es möglich, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektroden 2, 3 stärker zu verbinden.
  • Als nächstes wird die Zeit für das Anlegen der Spannung zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 beschrieben. An der Kontaktfläche der Elektrode 3, die zur negativen Elektrode und der Festelektrolytschicht 1 wird, nimmt der Sauerstoff in der Luft Elektronen von der negativen Elektrode auf und ionisiert sie zu Sauerstoff-Ionen. Die erzeugten Sauerstoff-Ionen wandern in das Innere der Festelektrolytschicht 1, die Elektronen werden auf die positive Elektrode an der Grenzfläche zur Elektrode 2 übertragen, und es entsteht eine starke kovalente Bindung mit den Bestandteilen der Festelektrolytschicht 1 und der Elektrode 2. Auf diese Weise werden die Elektrode 2 und die Festelektrolytschicht 1 chemisch gebunden. Während sich zu diesem Zeitpunkt der Bindungsbildungsbereich der Elektrode 2 und der Festelektrolytschicht 1, denen Sauerstoff-Ionen zugeführt werden, ausdehnt, zeigt der Strom einen zunehmenden Trend. Dann, wenn die Verklebung annähernd abgeschlossen ist, sinkt der Strom. Es ist vorzuziehen, diesen Punkt, an dem der Stromwert abnimmt, als Richtlinie für das Stoppen des Anlegens der Spannung zu verwenden. Dadurch ist es möglich, eine starke Bindung über die gesamte Klebefläche der Festelektrolytschicht 1 und der Elektroden 2, 3 herzustellen.
  • Anschließend wird in Schritt S3 ein zweiter Spannungsanlegeschritt durchgeführt, bei dem eine Spannung einer zweiten Polarität, die umgekehrt zur ersten Polarität ist, zwischen gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird, die die Festelektrolytschicht 1 umschließen. So wird beispielsweise im oben genannten ersten Spannungsanlegeschritt, wenn die Elektrode 2 mit der positiven Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V verbunden ist und die Elektrode 3 mit der negativen Elektrodenseite verbunden ist, und in einem Zustand, in dem diese Verbindungen aufrechterhalten werden, Spannung angelegt wird, die Polarität der Spannung der Spannungsanlege-Vorrichtung V umgekehrt und die Gleichspannung angelegt oder eine Änderung vorgenommen, wobei die Elektrode 2 mit der negativen Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V und die Elektrode 3 mit der positiven Elektrodenseite verbunden ist, und die Gleichspannung angelegt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 3 zu verbinden, die nicht mit dem ersten Spannungsanlegeschritt verbunden wurden.
  • Die Bedingungen wie Spannung, Spannungsanwendungszeit, Heiztemperatur usw. im zweiten Spannungsanlegeschritt können mit dem ersten Spannungsanlegeschritt identisch sein, mit Ausnahme der Polarität der angelegten Spannung.
  • Auf diese Weise ist es möglich, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektroden 2, 3 zu verbinden und einen Verbundkörper (Einheitszelle) 10 zu erhalten, wie in 5 dargestellt.
  • 6 zeigt ein Konfigurationsbeispiel der Brennstoffzelle mit dem Verbundkörper (Einheitszelle) 10, der mit der vorliegenden Erfindung erhalten wurde. Eine in dieser Zeichnung dargestellte Brennstoffzelle 100 umfasst den Verbundkörper 10, eine obere Kammer 11 und eine untere Kammer 12. Zudem sind ein Oxidationsgaseinleitungsrohr 13 und ein Oxidationsmittel-Abgasrohr 14 mit der oberen Kammer 11 verbunden, und ein Oxidationsgasströmungsweg 15 wird durch das Oxidationsgaseinleitungsrohr 13, die obere Kammer 11, den Verbundkörper 10 und das Oxidationsmittel-Abgasrohr 14 unterteilt. Darüber hinaus sind ein Brenngaseinleitungsrohr 16 und ein Brenngasabzugsrohr 17 mit der unteren Kammer 12 verbunden, und ein Brenngasströmungspfad 18 ist durch das Brenngaseinleitungsrohr 16, die untere Kammer 12, den Verbundkörper 10 und das Brenngasabzugsrohr 17 unterteilt.
  • Bei Verwendung dieser Art von Brennstoffzelle 100 wird unter Erwärmung des Verbundkörpers 10 mit einem Brenner (nicht dargestellt) usw. ein Oxidationsgas A wie Luft usw. aus dem Oxidationsgaseinleitungsrohr 13 und ein Brenngas F wie Wasserstoff usw. aus dem Brenngaseinleitungsrohr 16 eingeleitet. In der Luftelektrode 2 empfängt der im Oxidationsgas A enthaltene Sauerstoff Elektronen aus einem externen Kreislauf (nicht dargestellt) zu Sauerstoff-Ionen. Die erzeugten Sauerstoff-Ionen durchlaufen die Festelektrolytschicht 1 und bewegen sich zur Brennstoffelektrode 3 und reagieren mit dem Brenngas F. Zu diesem Zeitpunkt werden Elektronen abgegeben und dem externen Kreislauf zugeführt. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung durchgeführt.
  • Oben wurde die vorliegende Erfindung mit einem Beispiel beim Bilden der Einheitszelle mit der Brennstoffzelle erklärt, die eine Schicht der Festelektrolytschicht umfasst, aber es ist auch geeignet, die vorliegende Erfindung beim Bilden des Zellenstapels mit der Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Festelektrolytschichten umfasst, anzuwenden. Konkret wird zunächst, wie in 7A dargestellt, eine Vielzahl von Laminaten, bei denen die Elektroden 2, 3 auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht 1 aufgebracht sind, laminiert (Schritt S1).
  • Als nächstes werden beispielsweise alle Elektroden 2 mit der positiven Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V und alle Elektroden 3 mit der negativen Elektrodenseite verbunden, und unter Erwärmung aller Festelektrolytschichten 1 und der Elektroden 2, 3 wird zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 eine Gleichspannung angelegt (Schritt S2). Dabei werden alle Festelektrolyte 1 und die Elektroden 2 miteinander verbunden.
  • Anschließend wird die Polarität der zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 angelegten Spannung umgekehrt oder alle Elektroden 2 werden mit der negativen Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V verbunden, und alle Elektroden 3 werden mit der positiven Elektrodenseite verbunden, und unter Erwärmung aller Festelektrolytschichten 1 und der Elektroden 2, 3 wird zwischen den Elektroden 2 und den Elektroden 3 eine Gleichspannung angelegt (Schritt S3). Dabei werden alle Festelektrolytschichten 1 und die Elektroden 3 miteinander verbunden.
  • Auf diese Weise werden, auch wenn die Brennstoffzellen eine Vielzahl von Festelektrolytschichten, insbesondere einen Zellenstapel, bilden, unter Verwendung von zwei Spannungsanlegeschritten (Anodenbindung), alle Festelektrolytschichten 1 und die Elektroden 2, 3 gebunden, und es ist möglich, einen Zellenstapel 20 wie in 7B dargestellt zu erhalten. Im Zellenstapel 20 von 7B ist der Verbundkörper 10 getrennt dargestellt, aber unter Verwendung der Separatoren zwischen den einzelnen Verbundkörpern (nicht dargestellt) ist dieser insgesamt als integrierte Einheit konfiguriert.
  • Auf diese Weise ist es möglich, alle Festelektrolytschichten 1 und alle Elektroden 2, 3 zu verbinden, wenn die Brennstoffzellen eine Vielzahl von Festelektrolytschichten umfassen, insbesondere beim Bilden eines Zellenstapels, unter Verwendung von zwei Spannungsanlegeschritten (Anodenbindung).
  • In einem Fall, in dem die Brennstoffzellen eine Schicht der Festelektrolytschicht umfassen, werden in der vorstehend beschriebenen Erläuterung die Elektrode 3, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 2 in dieser Reihenfolge laminiert und zwischen zwei in 2 dargestellten Elektrodenplatten P platziert, wobei als Laminat Spannung in einem Zustand damit angelegt und der Verbundkörper 10 erhalten wird. Nach dem ersten Platzieren nur der Elektrode 3 und der Festelektrolytschicht 1 zwischen den beiden Elektrodenplatten P und dem Bonden, auch wenn die Elektrode 2 über der Festelektrolytschicht 1 und der Festelektrolytschicht 1 und der Elektrode 2 verbunden sind, ist es jedoch möglich, den Verbundkörper 10 durch zwei Spannungsanlegeschritte zu erhalten. Die auf diese Weise den Verbundkörper 10 bildende Konfiguration ist auch in der vorliegenden Erfindung enthalten.
  • Da die Brennstoffzelle nach einem Niedertemperatur-Verarbeitungsverfahren (300 bis 600°C) gebildet wird, ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die von der Festelektrolytschicht 1 und den Elektroden 2, 3 aufgenommene Eigenspannung deutlich zu reduzieren. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Nassverfahren, bei dem die Brenntemperatur bei Temperaturen von 1000°C bis 1500°C liegt, ist es möglich, die Größe der Eigenspannung auf 20 bis 60% zu reduzieren. Auf diese Weise ist es möglich, den Vormarsch von lebensdauerbeeinträchtigenden Mechanismen wie dem Kriechen des Elektrodenmaterials oder interkristallinen Rissen zu unterdrücken. Selbst unter harten Bedingungen des wiederholten Starts und Stopps, wie beispielsweise mit einer Brennstoffzelle eines Automobils, ist es daher möglich, die Lebensdauer deutlich zu verbessern.
  • Zudem ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Hafteigenschaften zwischen der Festelektrolytschicht 1 und den Elektroden 2, 3 im Vergleich zur Nassformung zu verbessern und damit die Leistung der Zelle zu stabilisieren.
  • Darüber hinaus ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, den Trocknungsschritt und den Brennschritt der Paste des Festelektrolytmaterials im Nassverfahren zu unterlassen, und mit zwei Spannungsanlegeschritten (Anodenbindung) ist es möglich, alle Festelektrolytschichten und alle Elektroden zu verbinden, so dass die Herstellungszeit verkürzt werden kann.
  • Und außerdem ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, die Herstellung der Einheitszelle in dünnere Plattenform einfach durchzuführen und die Leistungsdichte des Zellenstapels zu verbessern.
  • Basierend auf dem Anodenbondverfahren wurde oben in zwei Spannungsanlegeschritten erläutert, dass es möglich ist, alle Festelektrolytschichten und alle Elektroden zu verbinden. Als Ergebnis des Fortschritts bei der weiteren Untersuchung stellten die Erfinder fest, dass in dem oben genannten Schritt S1 beim Laminieren der Festelektrolytschicht und der Elektroden zur Herstellung des Laminats, für das die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind, die Elektroden eine Oxidschicht auf der Oberfläche aufweisen und die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht unter Zwischenschaltung der Oxidschicht angeordnet sind, und wenn die Spannungsanlegungsschritte von Schritt S2 und Schritt S3 durchgeführt werden, die Bindung auf der Rückseite zu dem Zeitpunkt gebildet wird, zu dem es keine Oxidschicht gibt.
  • Konkret wird in 2, wenn die Elektroden 2 und 3 die Oxidschicht nicht auf der Oberfläche aufweisen, die Elektrode 2 mit der positiven Elektrodenseite der Spannungsanlege-Vorrichtung V und die Elektrode 3 mit der negativen Elektrodenseite verbunden, und wenn eine Gleichspannung zwischen der Elektrode 2 und der Elektrode 3 unter Erwärmung der Festelektrolytschicht 1 und der Elektroden 2, 3 angelegt wird, werden die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 2 verbunden. Wie jedoch in 25 dargestellt, sind die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 3 mit der dazwischen liegenden Oxidschicht 3a verbunden, wenn die Elektroden 2 und 3 an der Oberfläche Oxidschichten 2a, 3a aufweisen.
  • Das vorgenannte Phänomen ist auch dann gleich, wenn die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt ist, und im Vergleich dazu, wenn die Elektroden 2 und 3 die Oxidschicht nicht auf der Oberfläche aufweisen, und die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 3 gebunden sind, wenn die Elektroden 2 und 3 die Oxidschichten 2a, 3a auf der Oberfläche aufweisen, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektrode 2 mit der dazwischenliegenden Oxidschicht 2a verbunden sind.
  • Auf diese Weise, wenn die Elektroden 2, 3 die Oxidschichten 2a, 3a aufweisen, wird die Bindung zwischen der Festelektrolytschicht 1 und der Elektrode der Kathodenseite gebildet. Der Grund für die Bildung dieser Art von Bindung wird angenommen, dass beim Anlegen einer Spannung zwischen der Festelektrolytschicht 1 und den Elektroden 2, 3, zwischen der Festelektrolytschicht (X-O) 1 und der Oxidschicht (R-O) 2, 3 eine Reduktionsreaktion wie in der folgenden Formel (1) dargestellt stattfindet. X - O + R - O + O +2e → X - O - R + O2- (1)
  • Mit der oben genannten Reduktionsreaktion wird das Oxid, das die Oxidschichten (R-O) 2a, 3a der Elektroden 2, 3 konfiguriert, reduziert, eine Bindung (X-O-R) zwischen dem reduzierten Oxidmaterial (R) und der Festelektrolytschicht (X-O)1 gebildet und die Festelektrolytschicht 1 und die Elektroden 2, 3 sind an der Anlagefläche stark gebunden. Andererseits bewegen sich die bei der Reduktionsreaktion erzeugten O2-Ionen in der Festelektrolytschicht 1, bewegen sich auf die Anodenseite und sind verbraucht. Auf diese Weise wird angenommen, dass durch die in der kathodenseitigen Elektrode auftretende Reduktionsreaktion eine starke Bindung zwischen der Festelektrolytschicht 1 und den Elektroden 2, 3 entsteht.
  • Die durch die vorstehende Formel (1) dargestellte Reduktionsreaktion gilt als Kontrastreaktion zur elektrochemischen Reaktion, die mit dem herkömmlichen Anodenbondverfahren stattfindet. Insbesondere beim Anodenbondverfahren wird beim Binden der Festelektrolytschicht (X-O) 1 und der Elektroden (M) 2, 3 zwischen der Festelektrolytschicht (X-O) 1 und den Elektroden (M) 2, 3 angenommen, dass die in den nachstehenden Formeln (2) bis (4) dargestellten Arten von Oxidationsreaktionen auftreten. X - O + O2- + M → X - O2 - M + 2e (2) O2- + M → M - O + 2e (3) X - O + O2- + M - O → X - O3 - M + 2e (4)
  • Mit der oben genannten Oxidationsreaktion werden an der Anlagefläche der Festelektrolytschicht (R-O) 1 und der Elektroden (M) 2, 3 Sauerstoff-Ionen, die in die Sauerstoffleerstände eingetreten sind, Elektronen entladen, und mit den Elektroden (M) 2, 3 sowie der Festelektrolytschicht (X-O) 1 wird eine starke Bindung (X-O3-M) neu gebildet, und an der Anlagefläche wird eine starke Bindung gebildet.
  • Auf diese Weise ist die Bindung auf Basis der Reduktionsreaktion an der Kathode ein neuartiges Bindungsverfahren im Gegensatz zur herkömmlichen Anodenbindung auf Basis der Oxidationsreaktion an der Anode und wird im Vergleich zur herkömmlichen Anodenbindung als „Kathodenbindungsverfahren“ bezeichnet. Mit dem oben genannten Kathodenbindungsverfahren ist es möglich, die Festelektrolytschicht 1 und die Elektroden 2, 3 mit den Oxidschichten 2a, 3a an der Oberfläche mit den dazwischen liegenden Oxidschichten 2a, 3a stark zu verbinden.
  • Mit dem Kathodenbindungsverfahren ist es neben den Oxidschichten 2a, 3a auf der Oberfläche der Elektroden 2, 3 möglich, die Anforderungen an die Festelektrolytschicht 1 und die Elektroden 2, 3 auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Anodenbondverfahrens wie vorgesehen anzuwenden. Im Folgenden wird eine Erläuterung zu den Oxidschichten 2a, 3a auf der Oberfläche der Elektroden 2a, 3a gegeben.
  • Die Oxidschichten 2a, 3a können beispielsweise ein thermischer Oxidfilm sein, der durch eine thermische Oxidationsbehandlung auf der Oberfläche der Elektroden 2, 3 gebildet wird, oder ein Oxidfilm, der auf der Oberfläche der Elektroden 2, 3 unter Verwendung des chemischen Dampfabscheidungsverfahrens („Chemical Vapor Deposition“, CVD) oder eines physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens („Physical Vapor Deposition“, PVD) gebildet wird. Es ist auch möglich, einen natürlichen Oxidfilm zu verwenden, der auf der Oberfläche der Elektroden 2, 3 gebildet wird.
  • Die Oxidschichten 2a, 3a weisen vorzugsweise eine Elektronenleitfähigkeit auf. Auf diese Weise ist es möglich, das Oxid der Oxidschichten 2a, 3a effizient zu reduzieren. Da die Oxidschichten 2a, 3a diese Art von Elektronenleitfähigkeit aufweisen, ist es möglich, mit einem Oxidhalbleiter vom Typ N zu konfigurieren. Insbesondere werden beim Oxidhalbleiter vom Typ N die Elektronen des Dotierstoffs vom Typ N in einem Leitungsband bei einer Temperatur unterhalb der Eigentemperatur angeregt, um eine Elektronenleitfähigkeit zu erreichen. Vor diesem Hintergrund ist es vorzuziehen, die Oxidschichten 2a, 3a mit einem N-Oxidhalbleiter zu konfigurieren, der beim Binden bei der Temperatur die Elektronenleitfähigkeit zeigt. Da der Oxidhalbleiter auf diese Weise auf einen N-Typ dotiert ist, ist es möglich, ZnO (Zinkoxid), ITO (Indiumzinnoxid), TiO (Zinnoxid) usw. zu verwenden.
  • Auch wenn die Oxidschichten 2a, 3a ein isolierender Film ohne Elektronenleitfähigkeit sind, ist es möglich, dass die Oxidschichten 2a, 3a durch die Konfiguration der Oxidschichten 2a, 3a so dünn sind, dass sie in Dickenrichtung durchlässig sind, dass die Oxidschichten 2a, 3a durch einen Tunneleffekt Elektronenleitfähigkeit aufweisen. Die spezifische Dicke der Oxidschichten 2a, 3a hängt in diesem Fall von der angelegten Spannung und den Eigenschaften des Oxidmaterials ab, das die Oxidschichten 2a, 3a konfiguriert, und kann daher nicht unbedingt angegeben werden. Wenn die effektive Tunneldicke, durch die die Elektronen hindurchgehen können, jedoch etwa 50Å beträgt, ist es möglich, dass Elektronen in dieser Dickenrichtung hindurchgehen. Je stärker das elektrische Feld der Folie, desto dünner ist die effektive Tunneldicke, je höher also die angelegte Spannung, desto leichter kann der Tunnelstrom fließen. Insbesondere, wenn die Spannung extrem niedrig ist (ca. 1V), wenn die Dicke des Isolators ca. 50Å beträgt, fließt der Strom, aber bei 100Å fließt er nicht. Wenn die Spannung jedoch erhöht wird, steigt das elektrische Feld des Isolators, ein Phänomen namens Fowler-Nordheim-Tunneling tritt auf, und der Strom fließt im Isolator. Dies zeigt, dass die effektive Dicke des Isolators auf das Äquivalent von 50Å reduziert wird.
  • Wenn die Elektroden 2, 3 das in 4C gezeigte perforierte Metall 6 aufweisen, wie in 26 dargestellt, sind die Oxidschichten 2a, 3a auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials 5 vorgesehen, die wenigstens die Festelektrolytschicht 1 (insbesondere die Anlagefläche mit der Festelektrolytschicht 1) berührt.
  • Auf diese Weise ist es auch dann möglich, wenn die Elektroden 2, 3 die Oxidschichten 2a, 3a an der Oberfläche gemäß dem in 1 dargestellten Flussdiagramm bei zwei Spannungsanwendungen aufweisen, alle Festelektrolytschichten 1 und die Elektroden 2, 3 zu verbinden.
  • Selbst bei der Bildung des Zellenstapels, für den die Brennstoffzellen eine Vielzahl der in 7A und 7B dargestellten Festelektrolytschichten umfassen, ist es mit Ausnahme der Bildung der Oxidschicht auf der Oberfläche der Elektroden 2, 3 möglich, alle Festelektrolytschichten 1 und die Elektroden 2, 3 nach dem gleichen Verfahren, insbesondere zwei Spannungsanwendungen, zu verbinden.
  • (Brennstoffzelle)
  • Die Brennstoffzelle nach der vorliegenden Erfindung ist die Brennstoffzelle, die nach dem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Wie vorstehend beschrieben, ist das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch das Verbinden der Festelektrolytschicht und der Elektroden unter Verwendung des Anodenbondverfahrens oder des Kathodenbindungsverfahrens zur Herstellung der Einzelzelle oder des Zellenstapels. Die Prozesse des Anodenbondverfahrens und des Kathodenbindungsverfahrens sind Prozesse mit einer niedrigeren Temperatur als das Nassverfahren, so dass die erhaltene Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung eine hohe Beständigkeit gegenüber wiederholten Heizzyklen beim An- und Abfahren aufweist.
  • Ausführungsform 1
  • Im Folgenden werden einige konkrete Beispiele für die Konfiguration des Zellenstapels erläutert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese beschränkt.
  • Zunächst wird das Verfahren zur Herstellung des Zellenstapels unter Verwendung des Anodenbondverfahrens erläutert. Ein in 8 dargestellter Zellenstapel 30 umfasst Festelektrolytschichten 21 und Elektroden 22. Die Elektrode 22 weist flache Plattenteile 23, 24 und ein stehendes Plattenteil 25 auf, und mit diesen ist die Querschnittsform der Elektrode 22 in einer rechteckigen Wellenform konfiguriert. Die Flachplattenteile 23, 24 sind mit perforiertem Metall ausgeführt, die Flachplattenteile 23 fungieren als Luftelektroden und die Flachplattenteile 24 als Brennstoffelektroden, die zur Stromerzeugung beitragen. Die stehenden Plattenteile 25 fungieren auch als Separatoren, die die Festelektrolytschichten 21 trennen. Zudem konfigurieren die Festelektrolytschicht 21 und die auf der Oberfläche platzierten flachen Plattenteile 23, 24 einen Verbundkörper (Einheitszelle), und diese Einheitszellen sind in Laminier-Richtung in Reihe geschaltet, um den Zellenstapel 30 zu konfigurieren.
  • Durch das Laminieren dieser Art von rechteckiger Wellenform der Elektrode 22 und der Festelektrolytschicht 21 wird ein Strömungsweg aus Oxidations- oder Brenngas zwischen den Festelektrolytschichten 21 und den Elektroden 22 gebildet. In dem in 8 dargestellten Zellenstapel 30 ist zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 22, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, die Ausrichtung der Rechteckwellen der Querschnittsformen parallel zueinander und die Phase angepasst. Zudem sind die Oxidationsgasströmungspfade 26 und die Brenngasströmungspfade 27 abwechselnd in horizontaler Richtung unterteilt.
  • Der in 8 dargestellte Zellenstapel 30 wird wie folgt erhalten. Zunächst werden die Festelektrolytschichten 21 und die Elektroden 22 wie in 8 dargestellt laminiert, um eine Vielzahl von Laminaten herzustellen. Anschließend wird unter vollständiger Erwärmung eine Spannung erster Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden 22 angelegt, die die Festelektrolyte 21 umschließt. Anschließend wird eine zweite Spannung mit umgekehrter Polarität zur ersten Polarität angelegt. Auf diese Weise werden die Festelektrolytschichten 21 und die Elektroden 22 anodengebunden und der Zellenstapel 30, für den die Gesamtheit eine integrierte Einheit ist, erhalten.
  • Hier wird die Bedienung des Zellenstapels 30 erläutert. Zunächst wird in den Oxidationsgasströmungspfaden 26 ein Oxidationsgas wie Luft usw. umgewälzt, und in den Brenngasströmungspfaden 27 wird ein Brenngas wie Wasserstoff usw. umgewälzt. Anschließend wird der Zellenstapel 30 mit einem Brenner oder ähnlichem erwärmt. Danach erhält der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff in den flachen Plattenteilen (Luftschichten) 23 Elektronen aus einem externen Kreislauf (nicht dargestellt) und wird zu Sauerstoff-Ionen. Die erzeugten Sauerstoff-Ionen durchlaufen die Festelektrolytschichten 21, bewegen sich zu den diagonal nach oben gerichteten Brenngasströmungspfaden 27 und reagieren mit dem Brenngas. Zu diesem Zeitpunkt werden die Elektronen emittiert und dem externen Stromkreis zugeführt. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung durchgeführt.
  • 9 zeigt einen Zellenstapel 40 mit einer ähnlichen Struktur wie in 8. In 9 werden den gleichen Strukturen in 8 die gleichen Bezugszeichen gegeben. Der Unterschied zwischen dem in 9 dargestellten Zellenstapel 40 und dem in 8 dargestellten Zellenstapel 30 besteht darin, dass im Zellenstapel 40 die Phasen der Rechteckwellen der gegenüberliegenden Elektroden 22, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, gegenseitig umgekehrt sind. Dabei ist die Struktur so aufgebaut, dass die Brenngasströmungspfade 27 direkt über den Oxidationsgasströmungspfaden 26 angeordnet sind und die in den flachen Plattenteilen (Luftelektroden) 23 erzeugten Sauerstoff-Ionen über die Festelektrolytschichten 21 zu den Brenngasströmungspfaden 27 direkt darüber wandern und mit dem Brenngas reagieren können. In diesem Zellenstapel 40 ist der Bewegungsabstand der Ionen kurz, so dass der lonenleitwiderstand geringer ist als der des in 8 dargestellten Zellenstapels 30.
  • Im Zellenstapel 40 erfolgt die Stromerzeugung zwischen den gegenüberliegenden Flachplattenteilen 23 und den Flachplattenteilen 24, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, so dass die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 21 etwa 50% beträgt.
  • In dem in 8 dargestellten Zellenstapel 30 und dem in 9 dargestellten Zellenstapel 40 ist die Ausrichtung der Rechteckwellen der Querschnittsform der gegenüberliegenden Elektroden 22, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, wie in 10A dargestellt, parallel zueinander, aber wie in 10B dargestellt, kann die Ausrichtung der Rechteckwellen auch so erfolgen, dass sie sich kreuzen. Dadurch ist es möglich, die jeweiligen Gaseintrittsöffnungen (nicht dargestellt) von außen nicht an einer Stelle, sondern an getrennten Stellen zu platzieren, so dass die Freiheit der Anordnung des Stapels insgesamt einschließlich Gasleitungen erhöht werden kann.
  • Ein in 11 dargestellter Zellenstapel 50 umfasst Festelektrolytschichten 31, Elektroden 32, 33 und Separatoren 34. Die Elektroden 32, 33 sind mit perforiertem Metall ausgebildet, und die Elektroden 32 fungieren als Brennstoffelektroden, während die Elektroden 33 als Luftelektroden fungieren. Zudem sind die Separatoren 34, beispielsweise durch Pressen so konfiguriert, dass sie eine Querschnittsform aufweisen, die eine dreieckige Wellenform ist. Zudem sind die Elektroden 32 auf einer Oberfläche der Festelektrolytschichten 31 und die Elektroden 33 auf der anderen Oberfläche angeordnet, um die Verbundkörper (Einheitszellen) zu konfigurieren, und diese Einheitszellen sind in Laminier-Richtung in Reihe geschaltet, um den Zellenstapel 50 zu konfigurieren.
  • Durch Laminieren solcher Separatoren 34, bei denen die Querschnittsform eine dreieckige Wellenform ist, mit Laminaten der Festelektrolytschichten 31 und der Elektroden 32, 33 werden zwischen den Festelektrolytschichten 31 und den Elektroden 32, 33 Strömungswege für das Oxidationsgas oder das Brenngas gebildet. In 11 ist die Ausrichtung der Dreieckswellen zwischen den gegenüberliegenden Separatoren 34, die die Laminate umschließen, gegenseitig parallel, und die Phase der Dreieckswellen wird angepasst. Zudem sind die Oxidationsgasströmungspfade 35 und die Brenngasströmungspfade 36 abwechselnd in horizontaler Richtung unterteilt.
  • Der in 11 dargestellte Zellenstapel 50 wird wie nachfolgend beschrieben erhalten. Zunächst werden die Festelektrolytschichten 31, die Elektroden 32, 33 und die Separatoren 34 wie in 11 dargestellt laminiert, um eine Vielzahl von Laminaten herzustellen. Anschließend wird unter vollständiger Erwärmung eine Spannung mit einer ersten Polarität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 32, 33 angelegt, die die Festelektrolytschichten 31 umschließt. Anschließend wird zwischen den Elektroden 32, 33 eine Spannung angelegt, die eine zweite Spannung mit einer zur ersten Polarität umgekehrten Polarität ist. Auf diese Weise werden die Festelektrolytschichten 31 und die Elektroden 32, 33 einer Anodenbindung unterzogen. Zudem werden die Separatoren 34 durch Strahlschweißen usw. verschweißt, ein Ende mit dem Ende der Elektrode 32 oder 33, so dass die Gesamtheit eine integrierte Einheit ist, und der Zellenstapel 50 erhalten wird.
  • Hier wird die Funktionsweise des erhaltenen Zellenstapels 50 erläutert. Zunächst wird Oxidationsgas wie Luft oder ähnliches in den Strömungspfaden 35 des Oxidationsgases und Brenngas wie Wasserstoff oder ähnliches in den Strömungspfaden 36 des Brenngases zirkuliert. Anschließend wird der Zellenstapel 50 erwärmt. Danach erhält der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff in den Elektroden (Luftelektroden) 33 Elektronen aus einem externen Kreislauf (nicht dargestellt), um zu einem Sauerstoff-Ion zu werden. Die erzeugten Sauerstoff-Ionen durchlaufen die Festelektrolytschicht 31 und bewegen sich zur Elektrode (Brennstoffelektrode) 32 und reagieren mit dem Brenngas. Zu diesem Zeitpunkt werden die Elektronen emittiert und einem externen Stromkreis zugeführt. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung durchgeführt.
  • Im Zellenstapel 50, da die Stromerzeugung zwischen gegenüberliegenden Elektroden 32, 33 und den Festelektrolytschichten 31 durchgeführt wird, beträgt die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 31 etwa 100%.
  • 12 zeigt einen Zellenstapel 60 mit einer ähnlichen Struktur wie in 11. In 12 sind die gleichen Bezugszeichen den gleichen Strukturen wie in 11 zugeordnet. Der Unterschied zwischen dem in 12 dargestellten Zellenstapel 60 und dem in 11 dargestellten Zellenstapel 50 besteht darin, dass im Zellenstapel 60 die Phasen der Dreieckswellen der gegenüberliegenden Separatoren 34, die die Laminate der Festelektrolytschichten 31 und der Elektroden 32, 33 umschließen, umgekehrt sind. Dabei ist die Struktur so aufgebaut, dass die Brenngasströmungspfade 36 direkt über den Oxidationsgasströmungspfaden 35 angeordnet sind, und die in den Elektroden (Luftelektroden) 33 erzeugten Sauerstoff-Ionen über die Festelektrolytschichten 31 zu den Brenngasströmungspfaden 36 direkt darüber wandern und mit dem Brenngas reagieren können. Dadurch ist in dem in 12 dargestellten Zellenstapel 60 der Bewegungsabstand der Sauerstoff-Ionen kurz, so dass der Ionenleitwiderstand geringer ist als der des in 11 dargestellten Zellenstapels 50.
  • Auch im oben genannten Zellenstapel 60 wird die Stromerzeugung zwischen gegenüberliegenden Elektroden 32, 33, die die Festelektrolytschichten 31 umschließen, durchgeführt, und die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 31 beträgt etwa 100%.
  • In dem in 11 dargestellten Zellenstapel 50 und dem in 12 dargestellten Zellenstapel 60 sind die Ausrichtung der Dreieckswellen der Querschnittsform der gegenüberliegenden Separatoren 34, die die Festelektrolytschichten 31 und die Elektroden 32, 33 umschließen, wie in 13A dargestellt, parallel zueinander, aber wie in 13B dargestellt, ist es auch möglich, die Ausrichtung der Dreieckswellen entsprechend den Umständen der Anordnung der Gasleitung kreuzen zu lassen. Die in den 8 bis 13 dargestellten Stapel weisen die Zellen in einer seriell verbundenen Struktur auf. Der Ausgang der Einheitszelle beträgt ca. 1V, aber es ist möglich, eine Hochspannung zu erhalten, indem man die Einheitszelle auf diese Weise seriell überlappt.
  • Ein in 14 dargestellter Zellenstapel 70 ist eine Ausführungsform der Erfindung, die für einen Fall geeignet ist, wenn man die Energieerzeugungskapazität vergrößern will. Der Zellenstapel 70 umfasst Festelektrolytschichten 41 und Elektrodenkörper 52, 53, wobei mit den Elektrodenkörpern 52 zwei Elektroden 42 mit einem perforierten Metall 44 am Umfangsrandteil mit einem bestimmten Öffnungsintervall verbunden sind und diese als Brennstoffelektroden fungieren. Zudem ist zwischen den beiden Elektroden 42 in den Elektrodenkörpern 52 der Brenngasströmungspfad 38 unterteilt. Ebenso werden bei den Elektrodenkörpern 53 die beiden Elektroden 42 mit dem perforierten Metall 44 am Umfangsrandteil mit einem bestimmten Öffnungsintervall verbunden und fungieren als Luftelektroden. Zudem sind zwischen den beiden Elektroden 43 in den Elektrodenkörpern 53 die Strömungswege 37 des Oxidationsgases unterteilt. Dann werden die Elektroden 42 auf einer Oberfläche der Festelektrolytschichten 41 und die Elektroden 43 auf der anderen Oberfläche platziert, um die Einheitszellen zu konfigurieren, und die Einheitszellen werden laminiert, um den Zellenstapel 70 zu konfigurieren. Zudem fungieren die Verbindungsteile J an den Elektrodenkörpern 52 und 53 als Separatoren der Einheitszellen. Die jeweiligen Elektroden 42 und 43 sind jeweils in einer gemeinsamen Extraktionselektrode (nicht dargestellt) zusammengefasst, um eine Parallelschaltung zu konfigurieren. Durch diese Konfiguration, obwohl die Spannung niedrig ist, ist es möglich, einen kompakten und leistungsfähigen Zellenstapel zu erhalten.
  • Der in 14 dargestellte Zellenstapel 70 wird wie nachfolgend beschrieben erhalten. Zuerst werden zwei Elektroden 42 mit einem bestimmten Öffnungsintervall platziert, deren periphere Kantenteile mittels Strahlschweißen verschweißt usw. und diese als Elektrodenkörper 52 verwendet. Eine Vielzahl dieser Elektrodenkörper 52 sind vorbereitet. Ebenso werden die Umfangskantenteile von zwei Elektroden 43 geschweißt, um eine Vielzahl von Elektrodenkörpern 53 vorzubereiten. Anschließend werden die Festelektrolytschichten 41 und die Elektrodenkörper 52, 53 wie in 14 dargestellt laminiert. Anschließend wird unter vollständiger Erwärmung eine Spannung mit einer ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektrodenkörpern 52,53 angelegt, die die Festelektrolytschichten 41 umschließt. Anschließend wird zwischen den Elektrodenkörpern 52, 53 eine Spannung einer zweiten Polarität, die die umgekehrte Polarität zur ersten Polarität ist, angelegt. Auf diese Weise werden die Festelektrolyte 41 und die Elektrodenkörper 52, 53 einer Anodenbindung unterzogen, die Gesamtheit wird zu einer ganzheitlichen Einheit geformt und der Zellenstapel 70 erhalten.
  • Hier wird die Funktionsweise des erhaltenen Zellenstapels 70 erläutert. Zunächst wird Oxidationsgas wie Luft oder ähnliches in den Strömungspfaden 37 des Oxidationsgases und Brenngas wie Wasserstoff oder ähnliches in den Strömungspfaden 38 des Brenngases zirkuliert. Anschließend wird der Zellenstapel 70 mit einem Brenner usw. erwärmt. Danach nimmt der im Oxidationsgas enthaltene Sauerstoff in den Elektrodenkörpern (Luftelektroden) 53 Elektronen aus einem externen Kreislauf auf (nicht dargestellt) und wird zu Sauerstoff-Ionen. Die erzeugten Sauerstoff-Ionen durchlaufen die Festelektrolytschichten 41 und bewegen sich zu den Elektrodenkörpern (Brennstoffelektroden) 52 und reagieren mit dem Brenngas. Zu diesem Zeitpunkt werden die Elektronen emittiert und dem externen Stromkreis zugeführt. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung durchgeführt.
  • Im Folgenden werden am Beispiel des Zellenstapels 70 die Herstellungsschritte des Zellenstapels näher erläutert. 15 zeigt eine ausführliche Konfiguration der Elektroden 42, 43. In der in dieser Zeichnung dargestellten Elektrode 42 sind an den vier Ecken die Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d vorgesehen. Ebenso sind in der Elektrode 43 an den vier Ecken die Gas-Umwälzöffnungen 43a bis 43d vorgesehen.
  • 16A und 16B zeigen den Separator, der zwischen zwei Elektroden 42 (43) angeordnet ist, wobei 16A eine perspektivische Ansicht und 16B eine Querschnittsansicht zeigt. Der in 16A und 16B dargestellte Separator 45 hat eine Oberseite 45a, eine Unterseite 45b und eine Seitenfläche 45c und zwei Durchgangsbohrungen 45d, 45e, die durch die Oberseite 45a und die Unterseite 45b verlaufen. Zudem weist der Separator 45 eine Öffnung 45f auf, die mit dem einen oder anderen der beiden Durchgangslöcher (in der Zeichnung das Durchgangsloch 45d) in der Seitenfläche 45c verbunden ist.
  • Wie in 17A und 17B dargestellt, sind zwei Separatoren 45 zwischen zwei Elektroden 42 (43) (insbesondere zwischen Laminaten) angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt, wie die B-B-Querschnittsansicht von 17A in 17C und die C-C-Querschnittsansicht von 17A in 17D zeigen, sind die beiden Separatoren 45 so angeordnet, dass: (i) benachbarte Gas-Umwälzöffnungen (42d in der Zeichnung) über die Durchgangsbohrung 45d des Separators 45d miteinander verbunden sind, (ii) die Öffnungen 45f einander zugewandt angeordnet sind und (iii) die in Laminier-Richtung der Laminate benachbarten Separatoren 45 vertikal zueinander umgekehrt sind.
  • Mit der oben genannten Anforderung (ii), wie in 17A dargestellt, werden die Durchgangsbohrungen 45d in Verbindung mit den Öffnungen 45f an diagonalen Positionen auf den Elektroden 42 vorhanden gemacht. Dadurch wird das Oxidationsmittelgas oder das aus den Öffnungen 45f eingeleitete Brenngas in diagonaler Richtung auf den Elektroden 42 (43), wie in 18 dargestellt, zirkuliert, so dass es möglich ist, die Gasmenge, die die Elektroden 42 (43) kontaktiert, zu erhöhen und den Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu verbessern. Auch mit der oben genannten Anforderung (iii), bei der die Elektrodenkörper 52, 53 in Laminier-Richtung benachbart sind, ist es möglich, verschiedene Gase durch die Innenräume strömen zu lassen.
  • 19A zeigt eine Dichtung, die zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 42, 43 und der Festelektrolytschicht 41 angeordnet ist. Die in dieser Zeichnung gezeigte Dichtung 46 weist eine Oberseite 46a und eine Unterseite 46b auf und weist eine Durchgangsbohrung 46c auf, die durch die Oberseite 46a und die Unterseite 46b verläuft. Die Dichtung 46 dichtet später zwischen dem in die Durchgangsbohrung 46c eingesetzten Gaseinleitungsrohr und den Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d ab. Wie in 19B dargestellt, ist diese Dichtung 46 so angeordnet, dass zwischen allen Elektrodenkörpern 52 und den Elektrodenkörpern 53 die in Laminier-Richtung benachbarten Gas-Umwälzöffnungen 42a, 42b, 42c und 42d über die Durchgangsbohrung 46c der Dichtung miteinander in Verbindung stehen.
  • Wenn die Dichtung 46 während der Stromerzeugung auf die Temperatur erwärmt wird, tritt eine thermische Ausdehnung auf und das Durchgangsloch 46c dehnt sich aus, die Dichtung 46 trennt sich vom Gaseinleitungsrohr, und es besteht die Gefahr, dass die Dichtung zwischen dem Gaseinleitungsrohr und den Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d unvollkommen ist. In Anbetracht dessen, wie in 20A dargestellt, ist es möglich, durch die Bereitstellung einer Aussparung C in der Elektrode 42 und das Einsetzen der Dichtung 46 in die Aussparung C eine Ausdehnung der Durchgangsbohrung 46c zu verhindern.
  • Alternativ, wie in 20B dargestellt, wird eine Dichtung 47 mit einer ringförmigen Basis 47a und einem rohrförmigen konvexen Teil 47b hergestellt, und es ist möglich, diese so zu konfigurieren, dass im Separator 45 ein Durchmesserausdehnungsteil L vorgesehen ist und der rohrförmige konvexe Teil 47b der Dichtung 47 in dieses Durchmesserausdehnungsteil L eingesetzt wird.
  • 21A und 21B zeigen zwei Arten von Gaseinleitungsrohren, die zu den Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d der Elektrode 42 geleitet werden. Ein in 21A dargestelltes Gaseinleitungsrohr 48A weist eine Oberseite 48a, eine Unterseite 48b, eine Außenfläche 48c und eine Innenfläche 48d auf und weist eine Öffnung 48e auf, die durch die Außenfläche 48c und die Innenfläche 48d verläuft. Zudem weist das in 21B dargestellte Gaseinleitungsrohr 49 eine Oberseite 49a, eine Unterseite 49b, eine Außenfläche 49c und eine Innenfläche 49d auf und weist eine Öffnung 49e auf, die durch die Außenfläche 49c und die Innenfläche 49d verläuft.
  • Das in 21A dargestellte Gaseinleitungsrohr 48 und das in 21B dargestellte Gaseinleitungsrohr 49 haben unterschiedliche Positionen in axialer Richtung der Öffnungen, wobei ein Rohr zum Einleiten von Brenngas und das andere Rohr zum Einleiten von oxidierendem Gas jeweils zwei Positionen aufweist.
  • Die Gaseinleitungsrohre 48, 49 werden in die Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d der Elektrode 42 und die Gas-Umwälzöffnungen 43a bis 43d der Elektrode 43 über die Durchgangsbohrungen 45d, 45e des Separators 45 und die Durchgangsbohrung 46c der Dichtung 46 eingesetzt, und zwar so, dass sich die Öffnungen 48e, 49e der Gaseinleitungsrohre 48, 49 und die Öffnung 45f des Separators 45 überlappen.
  • 22 zeigt einen Zellenstapel 80, der nach dem Einsetzen der Gaseinleitungsrohre 48, 49 in die Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d der Elektrode 42 und die Gas-Umwälzöffnungen 43a bis 43d der Elektrode 43 erhalten wurde. Wie vorstehend beschrieben, sind bei den Gaseinleitungsrohren 48 und 49 die Positionen in axialer Richtung der Öffnungen 48e, 49e unterschiedlich und die Öffnungen 48e, 49e sind mit jeweils unterschiedlichen Gasdurchflusspfaden verbunden. In dem in 22 dargestellten Zellenstapel 80 wird das Oxidationsgas A aus dem Gaseinleitungsrohr 48 und das Brenngas F aus dem Gaseinleitungsrohr 49 eingeleitet.
  • Das aus dem Gaseinleitungsrohr 48 eingeleitete Oxidationsgas A durchläuft einen Oxidationsgasströmungsweg 55, und in der Elektrode (Luftelektrode) 42 empfängt der im Oxidationsgas A enthaltene Sauerstoff Elektronen aus einem externen Kreislauf (nicht dargestellt) und wird zu Sauerstoff-Ionen. Diese Sauerstoff-Ionen durchlaufen die Festelektrolytschicht 41 und bewegen sich zur Elektrode (Brennstoffelektrode) 43. Das Oxidationsabgas nach der Reaktion wird aus der Öffnung 48e eines weiteren, nicht veranschaulichten Gaseinleitungsrohrs 48 nach außen aus dem Zellenstapel 80 abgesaugt.
  • Währenddessen durchläuft das aus dem Gaseinleitungsrohr 49 eingeleitete Brenngas F einen Brenngasströmungspfad 56, und in der Elektrode (Brennelektrode) 43 reagieren die durch die Festelektrolytschicht 41 geleiteten Sauerstoff-Ionen mit dem Brenngas F. Zu diesem Zeitpunkt werden Elektronen abgegeben und einem externen Kreislauf zugeführt. Auf diese Weise wird die Stromerzeugung durchgeführt. Das Brennstoff-Abgas nach der Reaktion wird von der Öffnung 49e eines weiteren, nicht veranschaulichten Gaseinleitungsrohrs 49e nach außerhalb des Zellenstapels 80 abgeführt.
  • Mit dem Zellenstapel 80, der wie vorstehend beschrieben, wie in 23 dargestellt, erhalten wird, indem er durch zwei Endplatten 61 sandwichartig angeordnet wird, eine Schraube 62 durch die Endplatten 61 geführt wird und schließlich mit einer Mutter 63 angezogen und befestigt wird, wird ein Zellenstapel 200 erhalten.
  • 24 zeigt den Gasstrom im erhaltenen Zellenstapel 200. Wie in dieser Zeichnung dargestellt, geht das aus einem der Gaseinleitungsrohre 48 gewonnene Oxidationsgas A über eine nicht dargestellte Öffnung des Gaseinleitungsrohrs 48 und durchläuft den Oxidationsgasströmungsweg innerhalb des Zellenstapels 200, und das Oxidationsmittel-Abgas A' wird aus dem anderen Gaseinleitungsrohr 48 abgesaugt. Zudem durchläuft das von einem der Gaseinleitungsrohre 49 eingeleitete Brenngas F den Brenngasströmungspfad innerhalb des Zellenstapels 200, und das Brenngas F' wird von dem anderen Gaseinleitungsrohr 49 abgesaugt.
  • Ausführungsform 2
  • Anschließend wird das Verfahren zur Herstellung des Zellenstapels unter Verwendung des Kathodenbindungsverfahrens erläutert. 27 zeigt einen Zellenstapel 130 mit einer ähnlichen Struktur wie der in 8 dargestellte Zellenstapel 30. In 27 werden die gleichen Bezugszeichen den gleichen Strukturen wie in 8 gegeben, und eine Erläuterung entfällt. Der Unterschied zwischen dem in 27 dargestellten Zellenstapel 130 und dem in 8 dargestellten Zellenstapel 30 besteht darin, dass im Zellenstapel 130 die Oberflächen der flachen Plattenteile 23, 24 der Elektroden 22, Oxidschichten 23a, 24a an den die Festelektrolytschichten 21 berührenden Abschnitten vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Kathodenbindungsverfahrens, durch zwei Spannungsanlegungsschritte den Zellenstapel 130 zu erhalten.
  • Konkret werden zunächst unter Verwendung einer thermischen Oxidationsbehandlung der Oberflächen der flachen Plattenteile 23, 24 der Elektroden 22, Oxidschichten 23a, 24a an den Abschnitten gebildet, die mit den Festelektrolytschichten 21 in Kontakt kommen. Anschließend werden, wie in 27 dargestellt, die Festelektrolytschichten 21 und die Elektroden 22 laminiert, um eine Vielzahl von Laminaten herzustellen. Während die Gesamtheit der auf diese Weise erhaltenen Vielzahl von Laminaten erwärmt wird, wird eine Spannung erster Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden 22 angelegt, die die Festelektrolytschichten 21 umschließt. Anschließend wird eine zweite Spannung mit einer Polarität angelegt, die umgekehrt zur ersten Polarität ist. Auf diese Weise werden die Festelektrolytschichten 21 und die Elektroden 22 mit den dazwischen liegenden Oxidschichten 23a, 24a kathodisch verbunden, die Gesamtheit wird zu einer ganzheitlichen Einheit gemacht und der Zellenstapel 130 wird erhalten. Die Funktionsweise des Zellenstapels 130 ist die gleiche wie die des in 8 dargestellten Zellenstapels 30, so dass eine Erläuterung entfällt.
  • 28 zeigt einen Zellenstapel 140 mit einer ähnlichen Struktur wie der in 27 dargestellte Zellenstapel 130. In 28 sind die gleichen Bezugszeichen den gleichen Strukturen wie in 27 zugeordnet. Der Unterschied zwischen dem in 28 dargestellten Zellenstapel 140 und dem in 27 dargestellten Zellenstapel 130 besteht darin, dass im Zellenstapel 140 die Phasen der Rechteckwellen der gegenüberliegenden Elektroden 22, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, umgekehrt werden. Dabei ist die Konfiguration so, dass die Brenngasströmungspfade 27 direkt über den Oxidationsgasströmungspfaden 26 angeordnet sind und die in den Flachplattenteilen (Luftelektroden) 23 erzeugten Sauerstoff-Ionen über die Festelektrolytschichten 21 zu den Brenngasströmungspfaden 27 direkt darüber wandern und mit dem Brenngas reagieren können. In diesem Zellenstapel 140 ist der Bewegungsabstand der Sauerstoff-Ionen kurz, so dass der lonenleitwiderstand geringer ist als der in 27 dargestellte des Zellenstapels 130.
  • Im Zellenstapel 140 erfolgt die Stromerzeugung zwischen den gegenüberliegenden Flachplattenteilen 23 und den Flachplattenteilen 24, die die Festelektrolytschichten 21 umschließen, so dass die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 21 etwa 50% beträgt.
  • In dem in 27 dargestellten Zellenstapel 130 und dem in 28 dargestellten Zellenstapel 140 ist die Ausrichtung der Rechteckwellen der Querschnittsform der gegenüberliegenden Elektroden 22, die die Festelektrolytschichten 121 umschließen, wie in 10A dargestellt, zueinander parallel, aber es ist auch möglich, die Ausrichtung der Rechteckwellen wie in 10B darzustellen. Dadurch können die jeweiligen Gaseintrittsöffnungen von außen (nicht dargestellt) an separaten Stellen platziert werden, ohne an einer Stelle verdichtet zu werden, so dass der Freiheitsgrad der Anordnung des Stapels insgesamt einschließlich der Gasleitungen verbessert werden kann.
  • 29 zeigt einen Zellenstapel 150 mit einer ähnlichen Struktur wie den in 11 dargestellten Zellenstapel 50. In 29 sind für die gleichen Strukturen die gleichen Bezugszeichen wie in 11 angegeben, eine Erläuterung entfällt. Der Unterschied zwischen dem in 29 dargestellten Zellenstapel 150 und dem in 11 dargestellten Zellenstapel 50 besteht darin, dass im Zellenstapel 150 die Oberflächen der Elektroden 32, 33, Oxidschichten 32a, 33a auf den Abschnitten in Kontakt mit den Festelektrolytschichten 31 vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Kathodenbindungsverfahrens, durch zwei Spannungsanlegungsschritte den Zellenstapel 150 zu erhalten.
  • Konkret werden zunächst unter Verwendung einer thermischen Oxidationsbehandlung der Oberflächen der Elektroden 32, 33, Oxidschichten 32a, 33a auf den Abschnitten in Kontakt mit den Festelektrolytschichten 31 gebildet. Anschließend werden die Festelektrolytschichten 31, die Elektroden 32, 33 und die Separatoren 34 laminiert, um eine Vielzahl von Laminaten herzustellen, wie in 29 dargestellt. Während die Gesamtheit der auf diese Weise erhaltenen Vielzahl von Laminaten erwärmt wird, wird zwischen gegenüberliegenden Elektroden 32, 33 eine Spannung erster Polarität angelegt, die die Festelektrolytschichten 31 umschließt. Anschließend wird zwischen den Elektroden 32, 33 eine Spannung angelegt, die eine zweite Spannung der Verpolung zur ersten Polarität ist. Auf diese Weise werden die Festelektrolytschichten 31 und die Elektroden 32, 33 mit den dazwischen liegenden Oxidschichten 32a, 33a kathodisch verbunden. Auch bei den Separatoren 34, bei denen die Endteile mittels Strahlschweißen oder ähnlichem mit den Endteilen der Elektroden 32 oder 33 verschweißt werden, wird die Gesamtheit zu einer ganzheitlichen Einheit gemacht und der Zellenstapel 150 erhalten. Die Funktionsweise des Zellenstapels 150 ist die gleiche wie die des in 11 dargestellten Zellenstapels 50, so dass eine Erläuterung entfällt.
  • In dem Zellenstapel 150 wird die Stromerzeugung zwischen gegenüberliegenden Elektroden 32, 33 und den Festelektrolytschichten 31 durchgeführt, so dass die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 31 etwa 100% beträgt.
  • 30 zeigt einen Zellenstapel 160 mit einer ähnlichen Struktur wie der in 29 dargestellte Zellenstapel 150. In 30 werden den gleichen Strukturen die gleichen Bezugszeichen wie in 29 gegeben. Der Unterschied zwischen dem in 30 dargestellten Zellenstapel 160 und dem in 29 dargestellten Zellenstapel 150 besteht darin, dass im Zellenstapel 160 die Phasen der Dreieckswellen gegenüberliegender Separatoren 34, die die Laminate der Festelektrolytschichten 31 und der Elektroden 32, 33 umschließen, umgekehrt sind. Dabei ist die Struktur so aufgebaut, dass die Brenngasströmungspfade 36 direkt über den Oxidationsgasströmungspfaden 35 angeordnet sind und die in den Elektroden (Luftelektroden) 33 erzeugten Sauerstoff-Ionen über die Elektrolytschichten 31 zu den Brenngasströmungspfaden 36 direkt darüber wandern und mit dem Brenngas reagieren können. Dadurch ist in dem in 30 dargestellten Zellenstapel 160 der Bewegungsabstand der Sauerstoff-Ionen kurz, so dass der lonenleitwiderstand geringer ist als der in 29 dargestellte des Zellenstapels 150.
  • Auch im Zellenstapel 160 erfolgt die Stromerzeugung zwischen gegenüberliegenden Elektroden 32, 33, die die Festelektrolyte 31 umschließen, und die Flächenauslastung der Festelektrolytschichten 31 beträgt etwa 100%.
  • In dem in 29 dargestellten Zellenstapel 150 und dem in 30 dargestellten Zellenstapel 160 sind die Ausrichtungen der Dreieckswellen der Querschnittsform von gegenüberliegenden Separatoren 134 Schicht-Laminaten der Festelektrolytschichten 31 und der Elektroden 32, 33 parallel zueinander, wie in 13A dargestellt, aber wie in 13B dargestellt, ist es auch möglich, die Ausrichtungen der Dreieckswellen entsprechend den Gegebenheiten der Anordnung der Gasleitungsanordnung kreuzen zu lassen.
  • 31 zeigt einen Zellenstapel 170 mit einer ähnlichen Struktur wie der in 14 dargestellte Zellenstapel 70. In 31 werden die gleichen Bezugszeichen zu den gleichen Strukturen wie in 14 gegeben, und eine Erläuterung entfällt. Der Unterschied zwischen dem in 31 dargestellten Zellenstapel 170 und dem in 14 dargestellten Zellenstapel 70 besteht darin, dass im Zellenstapel 170 die Oberflächen der Elektrodenkörper 52, 53, Oxidschichten 52a, 53a auf den Abschnitten in Kontakt mit den Festelektrolytschichten 41 vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Kathodenbindungsverfahrens, durch zwei Spannungsanlegungsschritte den Zellenstapel 170 zu erhalten.
  • Konkret werden zunächst zwei Elektroden 42 mit einem bestimmten Intervall geöffnet platziert, ihre peripheren Kantenteile durch Strahlschweißen verschweißt usw. und diese als Elektrodenkörper 52 verwendet. Eine Vielzahl dieser Elektrodenkörper 52 sind vorbereitet. Ebenso sind eine Vielzahl von Elektrodenkörpern 53 vorbereitet, für die die Umfangskantenteile von zwei Elektroden 43 verschweißt sind. Als nächstes werden von den Oberflächen der Elektrodenkörper 52, 53, Oxidschichten 52a, 53a an den Abschnitten in Kontakt mit den Festelektrolytschichten 41 gebildet. Anschließend werden die Festelektrolytschichten 41 und die Elektrodenkörper 52, 53 wie in 31 dargestellt laminiert, um eine Vielzahl von Laminaten herzustellen. Während die Gesamtheit der auf diese Weise erhaltenen Vielzahl von Laminaten erwärmt wird, wird zwischen gegenüberliegenden Elektrodenkörpern 52, 53 eine Spannung erster Polarität angelegt, die die Festelektrolytschichten 41 umschließt. Anschließend wird zwischen den Elektrodenkörpern 52, 53 eine zweite Spannung mit umgekehrter Polarität zur ersten Polarität angelegt. Auf diese Weise werden die Festelektrolytschichten 41 und die Elektrodenkörper 52, 53 mit den dazwischen liegenden Oxidschichten 52a, 53a kathodisch verbunden, die Gesamtheit wird zu einer ganzheitlichen Einheit gemacht und der Zellenstapel 170 wird erhalten. Die Funktionsweise des Zellenstapels 170 ist die gleiche wie die des in 14 dargestellten Zellenstapels 70, so dass eine Erläuterung entfällt.
  • Im Folgenden wird am Beispiel des Zellenstapels 170 ein ausführliches Beispiel für die Herstellungsschritte des Zellenstapels gegeben. Zunächst werden die in 15 dargestellten Elektroden 42 (43) und der in 16 dargestellte Separator 45 vorbereitet und der Separator 45 wie in 17A dargestellt platziert. Anschließend werden die Umfangskantenteile der Elektroden 42 (43) mittels Strahlschweißen verschweißt und der Elektrodenkörper 52 wie in 17B dargestellt gebildet. Anschließend wird, wie in 32 dargestellt, die Oxidschicht 52a (53a) auf der Oberfläche des Elektrodenkörpers 52 (53) gebildet.
  • Anschließend werden die wie vorstehend beschrieben erhaltenen Elektrodenkörper 52 (53), die Festelektrolytschicht 41 und die in 19A dargestellte Dichtung 46 wie in 33 dargestellt platziert. Hier, mit der Dichtung 46, zwischen allen Elektrodenkörpern 52 und den Elektrodenkörpern 53, werden die in Laminier-Richtung benachbarten Gas-Umwälzöffnungen 42a, 42b, 42c und 42d so angeordnet, dass sie über das Durchgangsloch 46c der Dichtung miteinander in Verbindung stehen. Die Oxidschichten 52a, 53a sind auf dem Abschnitt vorgesehen, der mit der Festelektrolytschicht 41 in Kontakt steht.
  • Anschließend werden die beiden in 21 dargestellten Arten von Gaseinleitungsrohren 48, 49 in die Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d der Elektrode 42 und die Gas-Umwälzöffnungen 43a bis 43d der Elektrode 43 über die Durchgangsbohrungen 45d, 45e des Separators 45e und das Durchgangsloch 46c der Dichtung 46 eingeführt, und zwar so, dass sich die Öffnungen 48e, 49e der Gaseinleitungsrohre 48, 49e und die Öffnung 45f des Separators 45 überlappen.
  • 34 zeigt einen Zellenstapel 180, der nach dem Einsetzen der Gaseinleitungsrohre 48, 49 in die Gas-Umwälzöffnungen 42a bis 42d der Elektrode 42 und die Gas-Umwälzöffnungen 43a bis 43d der Elektrode 43 erhalten wurde. Bei den Gaseinleitungsrohren 48 und 49 sind die Positionen in axialer Richtung der Öffnungen 48e, 49e unterschiedlich, und die Öffnungen 48e, 49e sind mit jeweils unterschiedlichen Gasdurchflusspfaden verbunden. In dem in 34 dargestellten Zellenstapel 180 wird das Oxidationsgas A aus dem Gaseinleitungsrohr 48 und das Brenngas F aus dem Gaseinleitungsrohr 49 eingeleitet. Die Funktionsweise des Zellenstapels 180 ist die gleiche wie die des in 22 dargestellten Zellenstapels 80, so dass eine Erläuterung entfällt.
  • Wie in 23 dargestellt, wird mit dem Zellenstapel 180, der wie vorstehend beschrieben erhalten wurde, durch Schichtbauweise mit zwei Endplatten 61, das Durchführen einer Schraube 62 durch die Endplatten 61 und das Anziehen und Befestigen mit einer Mutter 63 der endgültige Zellenstapel erhalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 21, 31, 41
    Festelektrolytschicht
    2, 3, 22, 32, 33, 42, 43, 122, 132, 133, 142, 143
    Elektrode
    2a, 3a, 23a, 24a, 32a, 33a, 52a, 53a
    Oxidschicht
    4
    Träger
    5
    Elektrodenschicht
    6, 44
    perforiertes Metall
    6a
    Öffnung
    6b, 6c
    Material zum Füllen der Öffnung
    10
    Verbundkörper (Einheitszelle)
    11
    Obere Kammer
    12
    Untere Kammer
    13
    Oxidationsgaseinleitungsrohr
    14
    Oxidationsmittel-Abgasrohr
    15, 26, 35, 37, 55
    Oxidationsgasströmungsweg
    16
    Brenngaseinleitungsrohr
    17
    Brenngasabzugsrohr
    18, 27, 36, 38, 56
    Brenngasströmungspfad
    20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 200
    Zellenstapel
    23, 24
    Flachplattenteil
    25
    Stehendes Plattenteil
    34, 45
    Separator
    42a, 42b, 42c, 42d, 43a, 43b, 43c, 43d
    Gas-Umwälzöffnung
    45a, 46a, 48a, 48a, 49a
    Oberfläche
    45b, 46b, 48b, 48b, 49b
    Bodenfläche
    45c
    Seitenfläche
    45d, 45e, 45e, 46c
    Durchgangsloch
    46f, 48e, 49e
    Öffnung
    46, 47
    Dichtung
    47a
    Basis
    47b
    Konvexes Teil
    48, 49
    Gaseinleitungsrohr
    48c, 49c
    Außenfläche
    48d, 49d
    Innenfläche
    52, 53
    Elektrodenkörper
    61
    Endplatte
    62
    Schraube
    63
    Mutter
    A
    Oxidationsgas
    A'
    Oxidations-Abgas
    B
    Separator Inhalt
    C
    Aussparung
    F
    Brenngas
    F'
    Brennstoff-Abgas
    J
    Verbindungsteil
    L
    Durchmesserausdehnungsteil
    P
    Elektrodenplatte
    T
    Separatorspitze
    W
    Spannungsanlege-Vorrichtung

Claims (26)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, die eine oder mehrere Festelektrolytschichten und eine Vielzahl von Elektroden umfasst, wobei das Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes umfasst: einen Laminier-Schritt zum Laminieren der Festelektrolytschicht und der Elektroden, um ein Laminat herzustellen, bei dem die Elektroden auf beiden Oberflächen der Festelektrolytschicht angeordnet sind, einen ersten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung mit einer ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschicht umschließt, und einen zweiten Spannungsanlegeschritt zum Anlegen einer Spannung einer zweiten Polarität, die die Umkehrung der ersten Polarität zwischen gegenüberliegenden Elektroden ist, die die Festelektrolytschicht umschließen.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode einen Träger und eine Elektrodenschicht auf dem Träger aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der Träger ein perforiertes Metall aufweist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei der Träger das perforierte Metall nur auf einem Abschnitt aufweist, an dem die Elektrodenschichten die Festelektrolytschicht berühren.
  5. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Träger Edelstahl aufweist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Elektrodenschicht amorphes Silizium oder Nickel aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei von den gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschicht umschließen, ein als Brennstoffelektrode funktionierendes poröses Material in die Öffnungen des perforierten Metalls einer Elektrode gefüllt wird und ein als Luftelektrode funktionierendes poröses Material in die Öffnungen des perforierten Metalls der anderen Elektrode gefüllt wird.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brennstoffzellen eine Vielzahl der Festelektrolytschichten umfassen und eine Vielzahl der Laminate im Laminier-Schritt hergestellt werden.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Querschnittsform der Elektroden eine Rechteckwelle ist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass bei gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschichten umschließen, die Ausrichtung der Rechteckwelle ihrer Querschnittsformen parallel zueinander ist.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass die Phasen der Rechteckwellen aneinander angepasst werden.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass die Phasen der Rechteckwellen umgekehrt sind.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass die Ausrichtung der Rechteckwellen der Querschnittsform der gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschichten umschließen, sich kreuzen.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren zwischen jedem Laminat einen Separator umfasst, bei dem die Querschnittsform eine dreieckige Wellenform ist.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass bei gegenüberliegenden Separatoren, die die Laminate umschließen, die Ausrichtung der Dreieckswellen der Querschnittsform parallel zueinander ist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass die Phasen der Dreieckswellen aneinander angepasst werden.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass die Phasen der Dreieckwellen umgekehrt sind.
  18. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei der Laminier-Schritt so durchgeführt wird, dass sich die Ausrichtung der Dreieckswellen des Querschnitts für die gegenüberliegenden Separatoren, die die Laminate umschließen, überschneiden.
  19. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei zwei gegenüberliegende Elektroden der benachbarten Laminate an den Umfangsrandteilen miteinander verbunden werden.
  20. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei die Elektrode vier Gas-Umwälzöffnungen aufweist.
  21. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Vielzahl von Separatoren mit einer Oberseite, einer Unterseite und einer Seitenfläche umfasst, und die Separatoren zwei Durchgangslöcher aufweisen, die durch die Oberseite und die Unterseite verlaufen, und eine Öffnung an der Seitenfläche in Verbindung mit einem der beiden Durchgangslöcher, und im Laminier-Schritt zwischen jedem Laminat zwei der Separatoren so angeordnet sind, dass die in Laminier-Richtung des Laminats benachbarten Gas-Umwälzöffnungen über die Durchgangslöcher der Separatoren miteinander verbunden sind und auch, dass die Öffnungen einander zugewandt sind, und die in Laminier-Richtung des Laminats benachbarten Separatoren so angeordnet sind, dass die Separatoren vertikal zueinander umgekehrt sind.
  22. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 21, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Vielzahl von Dichtungen umfasst, die eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweisen und Durchgangslöcher aufweisen, die durch die obere Oberfläche und die untere Oberfläche verlaufen, und im Laminier-Schritt zwischen gegenüberliegenden Elektroden, die die Festelektrolytschichten umschließen, die Dichtungen so angeordnet sind, dass die in Laminier-Richtung benachbarten Gas-Umwälzöffnungen über die Durchgangsbohrungen der Dichtungen miteinander in Verbindung stehen.
  23. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei wenigstens eine der Elektroden und die Dichtung einen Teil aufweist, der die Ausdehnung der Durchgangsbohrung der Dichtung unterdrückt.
  24. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 22 oder 23, wobei: die Brennstoffzelle des Weiteren vier Gaseinleitungsrohre umfasst, die vier Gaseinleitungsrohre mit einer Oberseite, einer Unterseite, einer Außenfläche und einer Innenfläche sind und eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, die durch die Außenfläche und die Innenfläche verlaufen, wobei bei zwei und den anderen beiden der vier Gaseinleitungsrohre die Positionen in axialer Richtung der Vielzahl von Öffnungen unterschiedlich sind, und des Weiteren einen Rohreinführungsschritt zum Einführen der Gaseinleitungsrohre in die Gas-Umwälzöffnungen über das dritte Durchloch des Separators und das Durchgangsloch der Dichtung umfasst, so dass die Öffnung des Gaseinleitungsrohrs und die Öffnung des Separators überlappen.
  25. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 24, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren zwei Endplatten umfasst, und des Weiteren ein Befestigungsschritt zum Schichten und Fixieren der Vielzahl von Laminaten unter Verwendung der beiden Endplatten umfasst ist.
  26. Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie unter Verwendung des Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 25 hergestellt wird.
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