DE112018000115T5

DE112018000115T5 - Festalkali-brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112018000115T5
Application number: DE112018000115.6T
Authority: DE
Inventors: Yukihisa Takeuchi; Hirofumi Kan; Toshiyuki Nakamura; Makoto Ohmori
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-08-08
Also published as: US10957930B2; WO2019124318A1; JP2019175876A; JPWO2019124318A1; JP6643521B2; CN111492520A; US20190207237A1

Abstract

Eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle (10) umfasst eine Kathode (12), der ein Oxidationsmittel zugeführt wird, eine Anode (14), der ein Brennstoff zugeführt wird, und einen anorganischen Festelektrolyten (16), der eine Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist. Der anorganische Festelektrolyt (16) ermöglicht die Permeation von Wasser von mehr als oder gleich 80 µg/min·cmund weniger als oder gleich 5400 µg/min·cmpro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche (16S).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
Alkalische Brennstoffzellen (AFC) sind als Brennstoffzelle bekannt, die bei einer relativ niedrigen Temperatur arbeitet (z.B. weniger als oder gleich 250 Grad Celsius). In einer AFC können verschiedene flüssige oder gasförmige Brennstoffe verwendet werden und als Beispiel führt die Verwendung von Methanol als ein Brennstoff zu der folgenden elektrochemischen Reaktion.
Anode: CH₃OH + 60H^- → 6e^- + CO₂ + 5H₂O

Kathode: 3/2O₂ + 3H₂O + 6e^- → 60H^-

Insgesamt: CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 2H₂O

In diesem Zusammenhang schlägt Patentliteratur 1 eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle vor, in der ein anorganischer Festelektrolyt, der Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist, als ein geschichtetes Doppelhydroxid (LDH) konfiguriert ist, das keine Flüssigkeitsdurchlässigkeit und Gasdurchlässigkeit aufweist.
LDH wird durch die allgemeine Formel [M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂][A^n- _x/n· mH₂O] ausgedrückt (wobei M²⁺ ein zweiwertiges Kation ist, M³⁺ ein dreiwertiges Kation ist und A^n- ein n-wertiges Anion ist).
Literaturliste
Patentliteratur
[Patentliteratur 1] Japanische offengelegte Patentanmeldung mit der Nr. 2016-071948
Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
Wie die vorstehende Reaktionsformel zeigt, muss, da eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle sowohl Sauerstoff (O₂) als auch Wasser (H₂O) an der Kathode verbraucht, der Kathode ein Oxidationsmittel zugeführt werden, das Sauerstoff und Wasser enthält (z.B. befeuchtete Luft).
Die Zuführung eines wasserhaltigen Oxidationsmittels zu der Kathode erfordert jedoch nicht nur Gerätschaft zur Befeuchtung des Oxidationsmittels (z.B. einen Befeuchter, einen Wassertank oder dergleichen), sondern verbraucht auch die Energie zur Befeuchtung des Oxidationsmittels.
Aus diesem Grund ist ein neuer Ansatz für eine effiziente Wasserversorgung der Kathode erforderlich.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle bereitzustellen, die eine effiziente Wasserversorgung der Kathode ermöglicht.
Lösung des Problems
Die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kathode, der ein Oxidationsmittel zugeführt wird, das Sauerstoff enthält, eine Anode, der ein Brennstoff zugeführt wird, der Wasserstoffatome enthält, und einen anorganischen Festelektrolyten, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist und Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist. Der anorganische Festelektrolyt ermöglicht die Permeation von Wasser von mehr oder gleich 80 µg/min·cm² und weniger als oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit einer kathodenseitigen Oberfläche erzeugt. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle bereit, die eine effiziente Wasserversorgung der Kathode ermöglicht.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration einer alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle zeigt.
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle gemäß einem Beispiel zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10
Eine alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 ist ein Typ von alkalischer Brennstoffzelle (AFC), die bei einer relativ niedrigen Temperatur arbeitet. Die Betriebstemperatur der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 beträgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform 50 Grad C bis 250 Grad C. Die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 arbeitet beispielsweise mit Methanol und erzeugt mit der nachfolgenden elektrochemischen Reaktion Strom.

Kathode 12:	3/2O₂ + 3H₂O + 6e^- → 6OH^-
Anode 14:	CH₃OH + 6OH^- → 6e^- + CO₂ + 5H₂O
Insgesamt:	CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 2H₂O

1 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 zeigt. Die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 umfasst eine Kathode 12, eine Anode 14 und einen anorganischen Festelektrolyten 16.
Die Kathode 12 ist eine positive Elektrode, die allgemein als die Luftelektrode bezeichnet wird. Während der Stromerzeugung durch die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 führt eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung 13 der Kathode 12 ein Oxidationsmittel zu, das Sauerstoff (O₂ ) enthält. Das Oxidationsmittel kann die Verwendung von Luft beinhalten.
In diesem Zusammenhang ist der anorganische Festelektrolyt 16 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dazu konfiguriert, eine Permeation (Übergang) zu der Kathode 12 eines Teils des Wassers, das aus dem Brennstoff als ein Ergebnis der elektrochemischen Reaktion an der Anode 14, wie vorstehend beschrieben, erzeugt wird, zu ermöglichen. Das Wasser, das durch den anorganischen Festelektrolyten 16 zu der Kathode 12 permeiert ist, wird in der elektrochemischen Reaktion an der Kathode 12, wie vorstehend beschrieben, verwendet.
Wenn die gesamte Wassermenge, die für die elektrochemische Reaktion an der Kathode 12 benötigt wird, durch den anorganischen Festelektrolyten 16 von der Anode 14 zur Kathode 12 permeiert, kann das Oxidationsmittel, das der Kathode 12 zugeführt wird, im Wesentlichen auf Wassergehalt verzichten. In dieser Konfiguration ist es nicht erforderlich, Gerätschaft (z.B. einen Befeuchter, einen Wassertank oder dergleichen) zur Befeuchtung des Oxidationsmittels bereitzustellen und wird auch keine Energie für die Befeuchtung des Oxidationsmittels verbraucht.
Wenn dagegen nur ein Teil des Wassers, das für die elektrochemische Reaktion an der Kathode 12 benötigt wird, durch den anorganischen Festelektrolyten 16 von der Anode 14 zur Kathode 12 permeiert, enthält das Oxidationsmittel, das der Kathode 12 zugeführt wird, vorzugsweise Wasser. In dieser Konfiguration kann, obwohl die Anforderung besteht, Gerätschaft zur Befeuchtung des Oxidationsmittels bereitzustellen, diese Gerätschaft verkleinert werden, um dadurch den Energieverbrauch für die Befeuchtung des Oxidationsmittels zu reduzieren. Es wird darauf hingewiesen, dass befeuchtete Luft als ein Oxidationsmittel geeignet ist, das Sauerstoff und Wasser enthält.
Der in der Spezifikation verwendete Begriff „Wasser (H₂O)“ kann Wasserdampf in gasförmigem Zustand, Feuchtigkeit in flüssigem Zustand und eine Gas-Flüssigkeitsmischung aus Wasserdampf und Feuchtigkeit bezeichnen.
Die Kathode 12 kann so konfiguriert sein, dass sie einen bekannten Kathodenkatalysator umfasst, der in einer alkalischen Brennstoffzelle verwendet wird, aber es besteht in dieser Hinsicht keine Einschränkung. Ein Beispiel für einen Kathodenkatalysator umfasst ein Element der Gruppe 8 bis 10 (ein Element, das zu den Gruppen 8 bis 10 im Periodensystem im IUPAC-Format gehört), wie beispielsweise ein Platingruppenelement (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), ein Eisengruppenelement (Fe, Co, Ni) oder dergleichen, ein Element der Gruppe 11 (ein Element, das zur Gruppe 11 im Periodensystem im IUPAC-Format gehört), wie Cu, Ag, Au oder dergleichen, Rhodiumphthalocyanin, Tetraphenylporphyrin, Co-Salen, Ni-Salen (Salen = N,N'-bis (Salicyliden) Ethylendiamin), Silbernitrat und beliebige Kombinationen davon. Obwohl es keine besondere Einschränkung in Bezug auf die Menge des getragenen Katalysators in der Kathode 12 gibt, wird ein Wert von 0,1 bis 10 mg/cm² bevorzugt und noch besser 0,1 bis 5 mg/cm². Es ist zu bevorzugen, dass der Kathodenkatalysator auf Kohlenstoff getragen wird. Ein bevorzugtes Beispiel für die Kathode 12 oder einen Katalysator, der zur Konfiguration der Kathode 12 verwendet wird, umfasst Platin-Trägerkohlenstoff (Pt/C), Palladium-Trägerkohlenstoff (Pd/C), Rhodium-Trägerkohlenstoff (Rh/C), Nickel-Trägerkohlenstoff (Ni/C), Kupfer-Trägerkohlenstoff (Cu/C) und Silber-Trägerkohlenstoff (Ag/C).
Obwohl es keine besondere Einschränkung in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung der Kathode 12 gibt, kann sie beispielsweise durch Mischen eines Kathodenkatalysators mit einem Träger und einem Bindemittel, wie erwünscht, zur Bildung einer Paste und Beschichten einer Oberfläche des anorganischen Festelektrolyten 16 mit der Pastenmischung gebildet werden.
Die Anode 14 ist eine negative Elektrode, die allgemein als die Brennstoffelektrode bezeichnet wird. Bei der Stromerzeugung durch die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 führt eine Brennstoffzuführeinrichtung 15 der Anode 14 einen Brennstoff zu, der Wasserstoffatome (H) enthält. Ein Brennstoff, der Wasserstoffatome enthält, kann mit Hydroxid-Ionen (OH-) an der Anode 14 reagieren und so die Erzeugung von Wasser ermöglichen.
Diese Art von Brennstoff kann entweder als ein flüssiger Brennstoff oder als ein gasförmiger Brennstoff konfiguriert sein. Ein flüssiger Brennstoff kann eine Flüssigkeit einer Brennstoffverbindung selbst sein oder kann eine feststoffliche Brennstoffverbindung sein, die in einer Flüssigkeit wie Wasser, Alkohol oder dergleichen gelöst wurde.
So umfasst die Brennstoffverbindung beispielsweise (i) Hydrazintypen, wie z.B. Hydrazin (NH₂NH₂), hydriertes Hydrazin (NH₂NH₂ - H₂O), Hydrazincarbonat ((NH₂NH₂)₂CO₂), Hydrazinsulfat (NH₂NH₂ · H₂SO₄), Monomethylhydrazin (CH₃NHNH₂), Dimethylhydrazin ((CH₃)₂ NNH₂, CH₃NHNHCH₃) und Carbonsäurehydrazid ((NHNH₂)₂CO) oder dergleichen, (ii) Harnstoff (NH₂CONH₂), (iii) Ammoniak (NH₃), (iv) heterocyclische Verbindungen, wie z.B. Imidazol, 1,3,5-Triazin, 3-Amino-1,2,4-Triazol oder dergleichen, und (v) Hydroxylamine, wie z.B. Hydroxylamin (NH₂OH), Hydroxylaminsulfat (NH₂OH · H₂SO₄) oder dergleichen, und Kombinationen davon.
Die Verbindungen der vorstehenden Brennstoffverbindungen, die keinen Kohlenstoff enthalten (d.h. Hydrazin, hydriertes Hydrazin, Hydrazinsulfat, Ammoniak, Hydroxylamin, Hydroxylaminsulfat oder dergleichen), ermöglichen nicht nur eine verbesserte Haltbarkeit, indem sie Probleme im Zusammenhang mit der Katalysatorkontamination durch Kohlenmonoxid vermeiden, sondern auch Kohlendioxidemissionen vermeiden.
Die Brennstoffverbindung kann ohne Modifikation als ein Brennstoff verwendet werden oder als eine Lösung durch Lösen in Wasser und/oder Alkohol (z.B. ein niederer Alkohol wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol oder dergleichen) verwendet werden. Da sich Brennstoffverbindungen, wie z.B. Hydrazin, hydriertes Hydrazin, Monomethylhydrazin und Dimethylhydrazin, beispielsweise in einem flüssigen Zustand befinden, ist die Verwendung als ein flüssiger Brennstoff ohne Modifikation möglich. Ferner können Feststoffe, wie z.B. Hydrazincarbonat, Hydrazinsulfat, Carbonsäurehydrazid, Harnstoff, Imidazol, 3-Amino-1,2,4-Triazol und Hydroxylaminsulfat, in Wasser gelöst werden. Feststoffe, wie z.B. 1,3,5-Triazin und Hydroxylamin, können in Alkohol gelöst werden. Ein Gas, wie z.B. Ammoniak, kann in Wasser gelöst werden. Auf diese Weise können Feststoffverbindungen durch Lösung in Wasser oder Alkohol als flüssiger Brennstoff eingesetzt werden. Bei Verwendung einer Brennstoffverbindung durch Lösung in Wasser und/oder Alkohol beträgt die Konzentration der Brennstoffverbindung in der Lösung beispielsweise 1 bis 90 Gew.-% und vorzugsweise 1 bis 30 Gew.-%.
Ferner können flüssige Kohlenwasserstoffbrennstoffe, die Typen von Ethern oder Typen von Alkohol, wie z.B. Methanol, Ethanol oder dergleichen, beinhalten, Kohlenwasserstoffgase, wie z.B. Methan oder dergleichen, oder reiner Wasserstoff oder dergleichen ohne Modifizierung als Brennstoff verwendet werden. Insbesondere eignet sich Methanol als Brennstoff für die Verwendung in der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Methanol kann sich im gasförmigen flüssigen Zustand befinden oder ein Gas-Flüssigkeitsgemisch sein.
Obwohl die Anode 14 so konfiguriert sein kann, dass sie einen bekannten Anodenkatalysator enthält, der in einer alkalischen Brennstoffzelle verwendet wird, gibt es diesbezüglich keine besondere Einschränkung. Ein Beispiel für einen Anodenkatalysator umfasst einen Metallkatalysator, wie z.B. Pt, Ni, Co, Fe, Ru, Sn und Pd oder dergleichen. Obwohl bevorzugt wird, dass ein Metallkatalysator auf einem Träger, wie z.B. Kohlenstoffstoff oder dergleichen, getragen wird, kann er als metall-organischer Komplex unter Verwendung der Metallatome des Metallkatalysators als das zentrale Metall konfiguriert oder unter Verwendung eines solchen metallorganischen Komplexes als Träger getragen werden. Ferner kann eine Diffusionsschicht, die unter Verwendung eines porösen Materials oder dergleichen gebildet wird, auf einer Oberfläche des Anodenkatalysators angeordnet sein. Bevorzugte Beispiele für die Anode 14 oder den Katalysator, der zur Konfiguration der Anode verwendet wird, sind Nickel, Kobalt, Silber, Platin-Trägerkohlenstoff (Pt/C), Palladium-Trägerkohlenstoff (Pd/C), Rhodium-Trägerkohlenstoff (Rh/C), Nickel-Trägerkohlenstoff (Ni/C), Kupfer-Trägerkohlenstoff (Cu/C) und Silber-Trägerkohlenstoff (Ag/C).
Obwohl es keine besondere Einschränkung in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung der Anode 14 gibt, kann sie beispielsweise durch Mischen eines Anodenkatalysators mit einem Träger und einem Bindemittel, wie erwünscht, zur Bildung einer Paste und Beschichten der der Kathode 12 gegenüberliegenden Oberfläche des anorganischen Festelektrolyten 16 mit der Pastenmischung gebildet werden.
Der anorganische Festelektrolyt 16 ist zwischen der Kathode 12 und der Anode 14 angeordnet. Der anorganische Festelektrolyt 16 umfasst eine kathodenseitige Oberfläche 16S und eine anodenseitige Oberfläche 16T. Die kathodenseitige Oberfläche 16S ist ein Bereich in der Außenfläche des anorganischen Festelektrolyten 16, der in einem Raum, in dem die Kathode 12 angeordnet ist, freiliegt und der Kathode 12 zugewandt angeordnet ist. Die anodenseitige Fläche 16T ist ein Bereich in der Außenfläche des anorganischen Festelektrolyten 16, der in einem Raum, in dem die Anode 14 angeordnet ist, freiliegt und der Anode 14 zugewandt angeordnet ist.
Der anorganische Festelektrolyt 16 ist eine Keramik, die eine Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist. Je höher die Hydroxidionenleitfähigkeit in dem anorganischen Festelektrolyten 16 ist, desto besser ist eine solche Konfiguration und ist typischerweise als 10^-4 bis 10^-1 S/m konfiguriert.
Der anorganische Festelektrolyt 16 kann als ein geschichtetes Doppelhydroxid (nachfolgend als „LDH“ bezeichnet) konfiguriert sein. In einer solchen Konfiguration weist der anorganische Festelektrolyt 16 im Vergleich zu einer Konfiguration, in der ein organisches Material, wie z.B. AEM (Anionenaustauschmembran), als ein Elektrolyt verwendet wird, eine überlegene Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit auf.
LDH weist eine Basiszusammensetzung auf, die durch die allgemeine Formel von [M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂][A^n- _x/n·mH₂O] ausgedrückt wird (wobei M²⁺ ein zweiwertiges Kation ist, M³⁺ ein dreiwertiges Kation ist und A^n- ein n-wertiges Anion ist, n eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich 1 ist, und x einen Wert von 0,1 bis 0,4 annimmt).
In der vorstehenden allgemeinen Formel enthält, obwohl M²⁺ ein beliebiges zweiwertiges Kation sein kann, es vorzugsweise Mg²⁺, Ca²⁺ und Zn²⁺ und noch besser Mg²⁺. M³⁺ kann ein beliebiges dreiwertiges Kation sein, das vorzugsweise Al³⁺ oder Cr³⁺ enthält und och besser Al³⁺ ist. A^n- ist ein beliebiges Anion, das vorzugsweise OH^- und CO₃ ^2- enthält.
Daher ist es in der vorstehenden allgemeinen Formel besonders bevorzugt, dass M²⁺ Mg²⁺ enthält, M³⁺ Al³⁺ enthält und A^n- OH^- und CO₃ ^2- enthält. Obwohl n eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich 1 ist, nimmt sie vorzugsweise einen Wert von 1 oder 2 an. Obwohl x einen Wert von 0,1 bis 0,4 hat, nimmt es vorzugsweise einen Wert von 0,2 bis 0,35 an. Eine beliebige reelle Zahl wird durch m bezeichnet.
Ferner kann ein Teil oder das gesamte M³⁺ in der vorstehenden allgemeinen Formel durch Kationen mit einer Wertigkeit von 4 oder mehr ersetzt werden und kann in dieser Konfiguration der Koeffizient x/n des Anions A^n- in der allgemeinen Formel entsprechend variiert werden.
Der anorganische Festelektrolyt 16 in der vorliegenden Ausführungsform ist dazu konfiguriert, die Permeation zu der Kathode 12 eines Teils des Wassers, das aus dem Brennstoff als ein Ergebnis der elektrochemischen Reaktion an der Anode 14 erzeugt wird, zu ermöglichen. Die Wasserpermeationseigenschaften des anorganischen Festelektrolyten 16 (d.h. der Grad, in dem Wasser permeieren darf) kann in Bezug auf die erzeugte Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S definiert werden.
Insbesondere ermöglicht der anorganische Festelektrolyt 16 die Permeation von Wasser von mehr oder gleich 80 µ/min·cm² und weniger oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S. Auf diese Weise kann Wasser effizient durch den anorganischen Festelektrolyten 16 der Kathode 12 zugeführt werden.
Da eine Konfiguration, bei der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit größer oder gleich 80 µ/min·cm² ist, der Kathode 12 Wasser zuführt, das durch den anorganischen Festelektrolyten 16 permeiert ist, kann bei der Stromerzeugung bei einer Nennlast (0,3 A/cm², Luftnutzungsgrad Ua 50%) ein Abfallen der Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 auch bei reduzierter (oder gestoppter) Ausgabe des Befeuchters gehemmt werden. Ferner hemmt eine Konfiguration, in der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit kleiner oder gleich 5400 µg/min·cm² ist, eine nachteilige Auswirkung auf die Eigenschaften des anorganischen Festelektrolyten 16 und hemmt somit bei der Stromerzeugung bei einer Nennlast eine Reduzierung der Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10.
Ferner hemmt bei der Stromerzeugung bei einer Nennlast eine Konfiguration, bei der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit größer oder gleich 320 µg/min·cm² ist, oder ferner eine Konfiguration, bei der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit größer oder gleich 1300 µg/min·cm² ist, eine Reduzierung der Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 selbst dann, wenn die Ausgabe des Befeuchters reduziert (oder gestoppt) wird.
Ferner ermöglicht eine Konfiguration, bei der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit kleiner oder gleich 5000 µg/min·cm² ist, oder ferner eine Konfiguration, bei der die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit kleiner oder gleich 4000 µg/min·cm² ist, eine weitere Hemmung einer negativen Auswirkung auf die Eigenschaften des anorganischen Festelektrolyten 16 und hemmt somit bei der Stromerzeugung bei einer Nennlast eine Reduzierung der Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10.
Die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S wird wie folgt erhalten. Zunächst werden die Kathode 12, die Anode 14 und der anorganische Festelektrolyt 16 aus einer fertig gestellten alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 entfernt. Anschließend wird der anorganische Festelektrolyt 16 durch Entfernen der Kathode 12 und der Anode 14 als eine einzelne Einheit konfiguriert. Anschließend wird der anodenseitigen Oberfläche 16T des anorganischen Festelektrolyten 16 Wasserdampf bei 22 kPa und 62 Grad C zugeführt, während Stickstoffgas, das kein Wasser enthält, auf die kathodenseitige Oberfläche 16S zirkuliert wird. Anschließend wird die Gesamtmenge an Stickstoffgas (einschließlich Wasserdampf), die durch die kathodenseitige Oberfläche 16S permeiert ist, zurückerlangt und auf 0 Grad C abgekühlt, um so den in dem Stickstoffgas enthaltenen Wasserdampf als flüssiges Wasser zu trennen. Die Masse des getrennten Wassers wird durch die Testzeit und die Oberfläche der kathodenseitigen Oberfläche 16S dividiert, um so die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S zu berechnen.
Auf den anorganischen Festelektrolyten 16 kann eine Brennstoffpermeationsfunktion aufgebracht werden, beispielsweise durch die Anwendung eines ersten Verfahrens, eines zweiten Verfahrens oder einer Kombination aus dem ersten Verfahren und dem zweiten Verfahren, wie nachfolgend beschrieben.
Das erste Verfahren zum Aufbringen einer Brennstoffpermeationsfunktion ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Durchgangslöchern in dem anorganischen Festelektrolyten 16. Die Durchgangslöcher werden durch Durchstechen eines Innenabschnitts des anorganischen Festelektrolyten 16 von der anodenseitigen Fläche 16T zur kathodenseitigen Fläche 16S hergestellt. Der Innendurchmesser und die Anzahl der Durchgangslöcher können so eingestellt werden, dass Wasserpermeation erzeugt wird, die mehr oder gleich 80 µg/min·cm² und weniger oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S ist. Die Durchgangslöcher sind vorzugsweise in der Nähe der Zuführöffnung der Oxidationsmittelzuführeinrichtung 13 in dem anorganischen Festelektrolyten 16 angeordnet. Auf diese Weise kann Wasser, das von den Durchgangslöchern zu der Kathode 12 geströmt ist, mit dem Oxidationsmittel auf die gesamte Kathode 12 übertragen werden.
Das zweite Verfahren zum Aufbringen einer Brennstoffpermeationsfunktion ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Poren in dem anorganischen Festelektrolyten 16. Es ist zu bevorzugen, dass die Poren gebildet werden, um einen Innenabschnitt des anorganischen Festelektrolyten 16 von der anodenseitigen Oberfläche 16T mit der kathodenseitigen Oberfläche 16S zu verbinden. Die Form der Poren ist nicht speziell begrenzt und sie können mit einer unregelmäßigen Form, als ein Netz oder dergleichen konfiguriert sein. Die Poren können in dem gesamten anorganischen Festelektrolyten 16 oder nur in einem Abschnitt des anorganischen Festelektrolyten 16 gebildet sein. Innendurchmesser, Länge und Anzahl der Poren können so eingestellt werden, dass an der Kathode 12 Kohlendioxid erzeugt wird, das mehr oder gleich 80 µg/min·cm² und weniger oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S ist.
Wenn jedoch ein Substrat, wie nachstehend beschrieben, in dem anorganischen Festelektrolyten 16 enthalten ist, kann das zweite Verfahren nur dann angewendet werden, wenn das Substrat mit einem Material konfiguriert ist, das der Brenntemperatur standhalten kann (z.B. mehr oder gleich 400 Grad C). Das Verfahren zur Herstellung des anorganischen Festelektrolyten 16 wird nachstehend beschrieben.
Obwohl der anorganische Festelektrolyt 16 auch unter Verwendung von nur einer Partikelgruppe konfiguriert sein kann, die eine anorganische Festelektrolytsubstanz enthält, die eine Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist, kann außerdem auch eine Zusatzkomponente zur Unterstützung der Dichte oder Härte dieser Partikelgruppe einbezogen werden.
Der anorganische Festelektrolyt 16 kann als ein Komplex unter Verwendung eines als poröser Körper ausgebildeten Substrats, das eine offene Porenkonfiguration aufweist, und einer anorganischen Festelektrolytsubstanz (z.B. LDH), die ausgefällt und in die Poren einwachsen gelassen wird, so dass sie dadurch die Poren des porösen Körpers füllt, konfiguriert sein. Der poröse Körper kann durch ein keramisches Material, wie z.B. Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid oder dergleichen, oder ein Isoliermaterial, wie z.B. eine poröse Folie oder dergleichen, das aus einem Schaumharz oder einer faserigen Substanz gebildet ist, konfiguriert sein.
Der anorganische Festelektrolyt 16 kann in einer beliebigen Plattenform, Membranform oder Stapelform konfiguriert sein. Wenn der anorganische Festelektrolyt 16 eine Membran oder Stapelform aufweist, kann die Membran oder die gestapelt geformte anorganische Festelektrolytsubstanz des anorganischen Festelektrolyten 16 in dem porösen Substrat oder auf dem porösen Substrat gebildet sein. Wenn der anorganische Festelektrolyt 16 eine Membran- oder Stapelform aufweist, kann die Dicke des anorganischen Festelektrolyten 16 als geringer oder gleich 100 µm, vorzugsweise geringer oder gleich 75 µm, noch besser geringer oder gleich 50 µm, noch besser geringer oder gleich 25 µm, und insbesondere noch besser geringer oder gleich 5 µm konfiguriert sein. Der Widerstand des anorganischen Festelektrolyten 16 nimmt ab, wenn die Dicke des anorganischen Festelektrolyten 16 verringert wird. Der untere Grenzwert der Dicke des anorganischen Festelektrolyten 16 kann in Bezug auf eine bestimmte Verwendung festgelegt werden, ist aber vorzugsweise größer oder gleich 1 µm und noch besser größer oder gleich 2 µm, um eine gewisse Steifigkeit aufrecht zu erhalten. Wenn der anorganische Festelektrolyt 16 eine Plattenform aufweist, kann die Dicke des anorganischen Festelektrolyten 16 als 0,01 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,02 bis 0,2 mm und noch besser 0,05 bis 0,1 mm konfiguriert sein.
Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Festelektrolyten 16
Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines anorganischen Festelektrolyten 16 wird beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung wird in der folgenden Beschreibung durchgeführt, indem ein LDH-Pulver aus LDH, das typischerweise Hydrotalcit ist, geformt und gebrannt wird, um dadurch einen oxidgebrannten Körper zu bilden, woraufhin der gebrannte Körper zu LDH regeneriert wird und überschüssige Feuchtigkeit entfernt wird. Das Herstellungsverfahren ermöglicht eine einfache und stabile Herstellung eines dichten anorganischen Festelektrolyten 16.
Herstellung von LDH-Pulver
Es wird ein LDH-Pulver hergestellt, das die durch die vorstehende allgemeine Formel [M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂][A^n- _x/n·mH₂O] (wobei M²⁺ ein zweiwertiges Kation ist, M³⁺ ein dreiwertiges Kation ist und A^n- ein n-wertiges Anion ist, n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist und x 0,1 bis 0,4 ist) ausgedrückte Basiszusammensetzung aufweist. Diese Art von LDH-Pulver ist im Handel erhältlich oder ein Ausgangsmaterial, das unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wie beispielsweise eines Flüssigphasensyntheseverfahrens oder dergleichen hergestellt wird, das Sulfatsalze oder Chloride verwendet.
Obwohl keine besondere Beschränkung des Partikeldurchmessers des LDH-Pulvers besteht, ist ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser mit Volumenreferenz D50 vorzugsweise 0,1 µm bis 1,0 µm und insbesondere 0,3 µm bis 0,8 µm. Wenn der Partikeldurchmesser des LDH-Pulvers übermäßig fein ist, aggregiert das Pulver und neigt dazu, beim Formen Restporen zu bilden. Ein übermäßig großer Partikeldurchmesser des LDH-Pulvers hat einen negativen Einfluss auf die Formeigenschaften.
Das LDH-Pulver kann zu einem Oxidpulver kalziniert werden. Die Kalzinierungstemperatur kann in diesem Fall auf einen Temperaturbereich eingestellt werden, der den Durchmesser der Ausgangsmaterialpartikel nicht wesentlich verändert und beispielsweise vorzugsweise geringer oder gleich 500 Grad C und noch besser 380 Grad C bis 460 Grad C ist.
Herstellung des Grünkörpers
Anschließend wird das LDH-Pulver geformt, um einen Grünkörper zu bilden. Der Formschritt wird vorzugsweise durch Druckgießen durchgeführt, so dass beispielsweise die relative Dichte des Grünkörpers 43% bis 65%, vorzugsweise 45% bis 60% noch besser 47% bis 58% beträgt. Das Druckgießen kann unter Verwendung eines bekannten Verfahrens, wie z.B. einer einachsigen Formpresse, einer kaltisostatischen Druckbeaufschlagung (CIP), Schlickergießen oder Extrusionsgießen oder dergleichen, durchgeführt werden. Wenn das LDH-Pulver jedoch kalziniert wird, um ein Oxidpulver zu bilden, besteht eine Einschränkung für Trockenformverfahren.
Wenn der anorganische Festelektrolyt 16 durch das vorstehend beschriebene zweite Verfahren (Verfahren zur Bereitstellung von Poren) mit einer Brennstoffpermeationsfunktion beaufschlagt wird, wird der Grünkörper durch Hinzufügung eines Porenbildungsmittels (z.B. Acrylatpolymer, Methylcellulose oder dergleichen) zu LDH-Pulver gebildet. Poren werden in einem Innenabschnitt des oxidgebrannten Körpers durch Brennen und Entfernen des Porenbildungsmittels in einem Brennschritt, wie nachstehend beschrieben, gebildet. Innendurchmesser, Länge und Anzahl der Poren können durch die Menge und den Partikeldurchmesser des Porenbildungsmittels eingestellt werden.
Die relative Dichte des Grünkörpers wird berechnet, indem eine theoretische Dichte verwendet wird, um die Dichte zu teilen, die in Bezug auf das Gewicht und die Abmessungen des Grünkörpers berechnet wird. Da das Gewicht des Grünkörpers durch adsorbierte Feuchtigkeit beeinflusst wird, wird ein eindeutiger Wert vorzugsweise durch Messung eines Grünkörpers erhalten, der aus LDH-Pulver konfiguriert ist, das länger als oder 24 Stunden bei Raumtemperatur in einem Exsikkator bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als oder gleich 20% gelagert wurde, oder durch Messung der relativen Dichte des Grünkörpers nach der Lagerung unter den vorstehend angegebenen Bedingungen.
Wenn das LDH-Pulver kalziniert wird, um ein Oxidpulver zu bilden, beträgt die relative Dichte des Grünkörpers jedoch vorzugsweise 26% bis 40% und noch besser 29% bis 36%. Die relative Dichte bei Verwendung eines Oxidpulvers geht davon aus, dass die jeweiligen Metallelemente, die das LDH konfigurieren, durch Kalzinieren in ihre jeweiligen Oxide umgewandelt werden, und wird mit einem Nenner berechnet, der als eine umgewandelte Dichte einer Mischung aus jedem Oxid berechnet wird.
Brennschritt
Als nächstes wird der Grünkörper gebrannt, um einen oxidgebrannten Körper zu bilden. Der Brennschritt wird vorzugsweise so durchgeführt, dass der oxidgebrannte Körper ein Gewicht von 57% bis 65% des Gewichts des Grünkörpers und/oder ein Volumen von 70% bis 76% des Volumens des Grünkörpers aufweist.
Eine Konfiguration, bei der das Gewicht des oxidgebrannten Körpers mehr oder gleich 57% des Gewichts des Grünkörpers ist, hemmt die Bildung von heterogenen Phasen, die während der Regeneration zu LDH in nachfolgenden Schritten nicht regeneriert werden. Eine Konfiguration, bei der es weniger oder gleich 65 % des Gewichts des Grünkörpers ist, ermöglicht die Bildung einer ausreichenden Dichte in den folgenden Schritten als Reaktion auf ein ausreichendes Brennen. Ferner hemmt eine Konfiguration, bei der das Volumen des oxidgebrannten Körpers größer oder gleich 70% des Volumens des Grünkörpers ist, die Bildung heterogener Phasen, die während der Regeneration zu LDH in nachfolgenden Schritten nicht regeneriert werden, und hemmt die Bildung von Rissen. Eine Konfiguration, bei der es geringer oder gleich 76% des Volumens des Grünkörpers ist, ermöglicht die Bildung einer ausreichenden Dichte in den folgenden Schritten als Reaktion auf ein ausreichendes Brennen.
Wenn das LDH-Pulver kalziniert wird, um ein Oxidpulver zu bilden, ist es jedoch zu bevorzugen, das Brennen so durchzuführen, dass der oxidgebrannte Körper 85 % bis 95 % des Gewichts des Grünkörpers aufweist und/oder ein Volumen aufweist, das mehr oder gleich 90 % des Volumens des Grünkörpers beträgt.
Außerdem ist unabhängig davon, ob das LDH-Pulver kalziniert wird oder nicht, die relative Dichte des oxidgebrannten Körpers vorzugsweise auf 20% bis 40%, vorzugsweise 20% bis 35% und noch besser 20% bis 30% in Bezug auf eine Oxidumwandlung konfiguriert. Eine relative Dichte in Bezug auf eine Oxidumwandlung ist eine relative Dichte, die davon ausgeht, dass die jeweiligen Metallelemente, die das LDH konfigurieren, durch Brennen in ihre jeweiligen Oxide umgewandelt werden, und die mit Bezug auf einen Nenner erhalten wird, der als umgewandelte Dichte einer Mischung aus jedem Oxid berechnet wird.
Die Brenntemperatur für den Grünkörper kann als 400 Grad C bis 850 Grad C und vorzugsweise 700 Grad C bis 800 Grad C konfiguriert ein. Der Brennschritt umfasst vorzugsweise einen Schritt, bei dem vorstehenden die Brenntemperatur mehr oder gleich 1 Stunde und vorzugsweise 3 bis 10 Stunden gehalten wird. Ferner ist die Rate des Temperaturanstiegs zum Erreichen einer Brenntemperatur vorzugsweise weniger oder gleich 100 Grad C/h, noch besser 5 Grad C/h bis 75 Grad C/h und noch besser 10 Grad C/h bis 50 Grad C/h, um einen Bruch des Grünkörpers zu verhindern, der durch die Emission von Feuchtigkeit oder Kohlendioxid aufgrund eines starken Temperaturanstiegs verursacht wird. Daher ist die gesamte Brennzeit von der Temperaturerhöhung bis zur Temperatursenkung (weniger oder gleich 100 Grad C) vorzugsweise mehr oder gleich 20 Stunden, noch besser 30 Stunden bis 70 Stunden und noch besser 35 Stunden bis 65 Stunden.
Wenn dem Grünkörper im Herstellungsschritt für den Grünkörper, wie vorstehend beschrieben, ein Porenbildungsmittel zugesetzt wird, werden in einem Innenabschnitt des oxidgebrannten Körpers Poren durch Brennen und Entfernen des Porenbildungsmittels während des Brennschritts gebildet.
Regeneration zu LDH
Anschließend wird der oxidgebrannte Körper in einer oder unmittelbar über einer wässrigen Lösung gehalten, die ein n-wertiges Anion (A^n-) enthält, wie vorstehend beschrieben, und zu LDH regeneriert, um dadurch einen LDH-verfestigten Körper zu erlangen, der reich an Feuchtigkeit ist. Das heißt, der nach diesem Verfahren hergestellte LDH-Verfestigungskörper enthält unvermeidlich überschüssige Feuchtigkeit.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in der wässrigen Lösung enthaltenen Anionen die gleichen Anionen wie die in dem LDH-Pulver enthaltenen Anionen sein können oder eine andere Art von Anion sein können.
Das Halten des oxidgebrannten Körpers in der wässrigen Lösung oder unmittelbar über der wässrigen Lösung erfolgt vorzugsweise durch ein Verfahren von hydrothermaler Synthese in einem abgedichteten Gefäß. Ein Beispiel für ein abgedichtetes Gefäß ist ein abgedichtetes Gefäß, das aus Teflon (eingetragene Marke) hergestellt wird. Die Außenseite des abgedichteten Gefäßes umfasst vorzugsweise die Bereitstellung eines Mantels aus Edelstahl oder dergleichen.
Die LDH-Umwandlung wird vorzugsweise durchgeführt, indem der oxidgebrannte Körper bei größer oder gleich 20 Grad C und weniger als 200 Grad C und in einem Kontaktzustand mindestens einer Oberfläche des oxidgebrannten Körpers mit der wässrigen Lösung gehalten wird. Eine noch bessere Temperatur ist 50 Grad C bis 180 Grad C und eine noch bessere Temperatur ist 100 Grad C bis 150 Grad C. Der oxidgebrannte Körper wird vorzugsweise für größer oder gleich 1 Stunde auf dieser LDH-Umwandlungstemperatur gehalten, vorzugsweise für größer oder gleich 2 Stunden und noch besser für größer oder gleich 5 Stunden. Auf diese Weise wird eine ausreichende Regeneration zu LDH gefördert und werden gleichzeitig die restlichen heterogenen Phasen gehemmt. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einer zu langen Haltedauer zwar keine Probleme auftreten, aber bei Berücksichtigung der Effizienz geeignete Einstellungen angemessen sind.
Ionenausgetauschtes Wasser kann verwendet werden, wenn Kohlendioxid (Carbonat-Ionen) in der Luft als ein Typ von Anion für die wässrige Lösung verwendet wird, die n-wertige Anionen enthält, die zur Regeneration von LDH verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Durchführung von hydrothermaler Synthese in einem abgedichteten Gefäß der oxidgebrannte Körper in die wässrige Lösung eingetaucht werden kann oder in einem Zustand behandelt werden kann, in dem eine Haltevorrichtung verwendet wird und mindestens eine Oberfläche mit der wässrigen Lösung in Kontakt kommt. Wenn die Behandlung in einem Kontaktzustand mindestens einer Oberfläche mit der wässrigen Lösung durchgeführt wird, da die überschüssige Feuchtigkeitsmenge im Vergleich zur vollständigen Immersion geringer ist, können die nachfolgenden Behandlungsschritte in kürzerer Zeit durchgeführt werden. Da jedoch tendenziell Rissbildung auftritt, wenn die Menge der wässrigen Lösung übermäßig gering ist, ist zu bevorzugen, eine Feuchtigkeitsmenge zu verwenden, die gleich oder größer dem Gewicht des gebrannten Körpers ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Bildung von Poren in einem Innenabschnitt des oxidgebrannten Körpers, selbst nach dem Regenerationsschritt, Restporen in einem Innenabschnitt des LDH verfestigten Körpers vorhanden sein werden.
Entwässerungsschritt
Anschließend wird ein anorganischer Festelektrolyt 16 durch Entfernen von überschüssiger Feuchtigkeit aus dem LDH-verfestigten Körper erlangt. Der Schritt des Entfernens von überschüssiger Feuchtigkeit wird vorzugsweise bei weniger als oder gleich 300 Grad C und in einer Umgebung mit mehr oder gleich 25% der geschätzten relativen Luftfeuchtigkeit bei der maximalen Temperatur des Entfernungsschritts durchgeführt. Bei der Durchführung der Entwässerung bei einer Temperatur, die höher als die Raumtemperatur ist, wird ein Wiedereinschließen in dem abgedichteten Gefäß bevorzugt, das in dem LDH-Regenerationsschritt verwendet wird, um eine schnelle Verdampfung der Feuchtigkeit aus dem LDH-verfestigten Körper zu verhindern. Die bevorzugtere Temperatur zu dieser Zeit ist 50 Grad C bis 250 Grad C, wobei eine Temperatur von 100 Grad C bis 200 Grad C noch besser ist. Ferner beträgt die noch bevorzugte relative Luftfeuchtigkeit während der Entwässerung 25% bis 70%, wobei 40% bis 60% noch bessersind. Die Entwässerung kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden und die relative Luftfeuchtigkeit zu dieser Zeit kann so konfiguriert sein, dass sie in einen Bereich von 40% bis 70% eines normalen Raumklimas fällt.
Wenn der anorganische Festelektrolyt 16 mit Hilfe des ersten vorstehend beschriebenen Verfahrens (Verfahren zum Bereitstellen von Durchgangslöchern) mit einer Brennstoffpermeationsfunktion beaufschlagt wird, werden die Durchgangslöcher nach der Entfernung von überschüssiger Feuchtigkeit direkt in dem anorganischen Festelektrolyten 16 gebildet. Die Durchgangslöcher können unter Verwendung eines Lasers zum Öffnen von Löchern in die Dickenrichtung des anorganischen Festelektrolyten 16 gebildet werden. Der Innendurchmesser der Durchgangslöcher kann durch Variation der Laserausgabe oder der Bestrahlungszeit eingestellt werden.
Beispiele
Obwohl nachstehend die Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung dabei nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
Herstellung der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10
Herstellung des anorganischen Festelektrolyten 16
Zunächst wurde ein Ausgangsmaterialpulver als Hydrotalcitpulver (DHT - 4H, hergestellt von Kyowa Chemical Industry Co., Ltd.) hergestellt, das ein handelsübliches geschichtetes Doppelhydroxid ist. Die Zusammensetzung des Ausgangsmaterialpulvers war Mg²⁺ _0.68Al³⁺ _0.32(OH)₂CO₃ ^2- ₀ ₁₆· mH₂O. Eine scheibenförmige Matrize mit einem Durchmesser von 20 mm wurde mit dem Ausgangsmaterialpulver gefüllt und ein einachsiges Formpressen wurde bei einem Pressdruck von 500 kgf/cm² durchgeführt, um so einen Grünkörper mit 53% relativer Dichte, 20 mm Durchmesser und einer ungefähren Dicke von 0,8 mm zu erhalten. Die Messung der relativen Dichte wurde an einem Grünkörper nach 24 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als oder gleich 20% durchgeführt.
Anschließend wurde der entstandene Grünkörper in einer Aluminiumoxidhülle gebrannt. Die Temperaturerhöhung während des Brennvorgangs hatte eine Rate von weniger als oder gleich 100 Grad C/h, um einen Bruch des Grünkörpers durch Feuchtigkeits- oder Kohlendioxidemission aufgrund eines starken Temperaturanstiegs zu verhindern. Nach Erreichen einer maximalen Temperatur von 750 Grad Celsius wurde er dann 5 Stunden lang aufbewahrt und abkühlen gelassen. Die gesamte Brennzeit von der Temperaturerhöhung bis zur Temperatursenkung (weniger als oder gleich 100 Grad C) betrug 62 Stunden.
Anschließend wurde der gebrannte Körper in ein abgedichtetes Gefäß aus Teflon (eingetragene Marke) eingebracht, das mit einem Außenmantel aus Edelstahl versehen und zusammen mit Ionenaustauschwasser in Luft abgedichtet wurde. Nach der Durchführung von hydrothermaler Synthese an dem gebrannten Körper unter Regenerationsbedingungen für eine Haltedauer von 5 Stunden bei 100 Grad C wurde auf eine Dicke von 0,3 mm poliert und die Feuchtigkeit auf der gebrannten Körperoberfläche unter Verwendung von Filtrationspapier abgewischt. Auf diese Weise entstand der anorganische Festelektrolyt 16 durch natürliche Entwässerung (Trocknung) des entstehenden gebrannten Körpers in Innenräumen bei 25 Grad C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50%.
Anschließend wurden in den Beispielen 1 bis 9 und den Vergleichsbeispielen 2 und 3 unter Verwendung eines Lasers in Dickenrichtung ausgerichtete Durchgangslöcher in dem anorganischen Festelektrolyten 16 gebildet. In dieser Konfiguration wurde die Brennstoffmenge, die durch den anorganischen Festelektrolyten 16 permeiert, durch Steuern der Laserausgabe und der Bestrahlungszeit eingestellt, um dadurch den Innendurchmesser der Durchgangslöcher anzupassen. Auf diese Weise war es, wie in Tabelle 1 dargestellt, möglich, das Wasser in jeder Probe pro Flächeneinheit in der kathodenseitigen Oberfläche 16S des anorganischen Festelektrolyten 16 zu variieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Wasserpermeationsmenge pro Oberflächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S in dem anorganischen Festelektrolyten 16 wie folgt gemessen wird. Zunächst wird der anodenseitigen Oberfläche 16T des anorganischen Festelektrolyten 16T Wasserdampf bei 22 kPa und 62 Grad C zugeführt, während Stickstoffgas, das kein Wasser enthält, auf die kathodenseitige Oberfläche 16S zirkuliert wird. Anschließend wird die Gesamtmenge an Stickstoffgas (einschließlich Wasserdampf), die durch die kathodenseitige Oberfläche 16S permeiert ist, zurückerlangt und auf 0 Grad C abgekühlt, um so den in dem Stickstoffgas enthaltenen Wasserdampf als flüssiges Wasser zu trennen. Die Masse des getrennten Wassers wird durch die Testzeit und die Oberfläche der kathodenseitigen Oberfläche 16S dividiert, um so die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche 16S zu berechnen.
Herstellung von Kathode 12 und Anode 14
Ein Platin-Trägerkohlenstoff mit einer Pt-Trägermenge von 50 Gew.-% (TEC10E50E, hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo) (nachfolgend als „Pt/C“ bezeichnet) und PVDF-Pulver als ein Bindemittel (nachfolgend als „PVDF-Binder“ bezeichnet) wurden hergestellt. Eine Kathodenpaste wurde durch Mischen von Pt/C, dem PVDF-Bindemittel und Wasser zu einer Paste hergestellt, so dass das Gewichtsverhältnis von (Pt/C-Katalysator):(PVDF-Bindemittel):(Wasser) einem Verhältnis von 9 Gew.-%:0,9 Gew.-%:90 Gew.-% entsprach.
Ferner wurden ein Platin/Ruthenium-Trägerkohlenstoff mit einer Pt-Ru-Trägermenge von 54 Gew.-% (TEC61E54, hergestellt von Tanaka Kikinzoku Kogyo) (nachfolgend als „Pt-Ru/C“ bezeichnet) und PVDF-Bindemittel hergestellt. Eine Anodenpaste wurde durch Mischen von Pt-Ru/C, dem PVDF-Bindemittel und Wasser zu einer Paste hergestellt, so dass das Gewichtsverhältnis von (Pt-Ru/C-Katalysator): (PVDF-Bindemittel): (Wasser) einem Verhältnis von 9 Gew.-%:0,9 Gew.-%:90 Gew.-% entsprach.
Anschließend wurde die Kathodenpaste auf eine Oberfläche des anorganischen Festelektrolyten 16 gedruckt und die Anodenpaste auf die andere Oberfläche des anorganischen Festelektrolyten 16 gedruckt. Dann wurde ein Konjugat aus Kathode 12/anorganischem Festelektrolyten 16/Anode 14 durch thermische Behandlung für 4 Stunden bei einer Temperatur von 180 Grad C in N2 gebildet.
Montage der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 zeigt, die gemäß einem Beispiel hergestellt wurde.
Zunächst wurde der anorganische Festelektrolyt 16 an einer kreisförmigen Öffnung (Durchmesser 20 mm) einer Elektrolythaltevorrichtung 218 angebracht und mit Hilfe eines PTFE-Bandes 220 befestigt, das mit einer kreisförmigen Öffnung 220a mit einem Durchmesser von 19 mm versehen war und einen mittleren Abschnitt bildete. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die Kathode 12 und die Anode 14 auf beide Oberflächen des anorganischen Festelektrolyten 16 gedruckt wurden, 2 eine Konfiguration zeigt, in der eine Trennung von dem anorganischen Festelektrolyten 16 besteht.
Anschließend wurden eine Dichtung 222 (aus PTFE) mit einer Öffnung 222a, ein Luftzuführelement 213 (aus Kohlenstoff) zur Zufuhr von befeuchteter Luft und eine Stromabnahmeplatte 226 (aus vergoldetem Kupfer) auf die Seite der Kathode 12 des aus Anode 14/anorganischem Festelektrolyten 16/Kathode 12 gebildeten Stapelkörpers gestapelt. Das Luftzuführelement 213 ist mit einem Durchgang 213a zum Ermöglichen des Durchströmens von befeuchteter Luft und einem Schlitz (nicht dargestellt) zur Zufuhr der befeuchteten Luft zu der Kathode 12 versehen.
Anschließend wurde eine Dichtung 224 (aus PTFE) mit einer Öffnung 224a, ein Brennstoffzuführelement 215 (aus Kohlenstoff) zur Brennstoffzufuhr und eine Stromabnahmeplatte 228 (aus vergoldetem Kupfer) auf die Seite der Anode 14 des aus Anode 14/anorganischem Festelektrolyten 16/Kathode 12 gebildeten Stapelkörpers gestapelt. Das Brennstoffzufuhrelement 215 ist mit einem Durchgang 215a zum Ermöglichen der Brennstoffströmung und einem Schlitz 215b zum Zuführen des Brennstoffs zu der Anode versehen.
Der vorstehend beschriebene Stapelkörper wurde durch eine gewindefähige Befestigung von Schrauben 230 fertiggestellt, die in den in den vier Ecken der beiden Stromabnehmerplatten 226, 228a ausgebildeten Schraubenlöcher 226a, 228a gebildet wurden, um so die alkalische Feststoffbrennzelle 10 zu vervollständigen.
Funktionsprüfung der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10
Zunächst wurde die alkalische Feststoff-Brennstoffzelle 10 auf 120 Grad Celsius erhitzt.
Anschließend wurde ein Kompressor verwendet, um dem Luftzuführelement 213 trockene Luft mit einem Taupunkt von weniger als oder gleich 0 Grad C zuzuführen, und wurde so eingestellt, dass das Luftnutzungsverhältnis an der Kathode 12 50% betrug. Ferner wurde dem Brennstoffzufuhrelement 215 gasförmiges Methanol zugeführt und so eingestellt, dass das Brennstoffnutzverhältnis an der Anode 14 50% betrug. Der der Anode 14 zugeführte Brennstoffdruck wurde mittels eines Entladedruckeinstellventils (nicht dargestellt), das an den jeweiligen Entladedurchlässen für das Luftzuführelement 213 und das Brennstoffzuführelement 215 montiert war, höher als der der Kathode 12 zugeführte Luftdruck eingestellt.
Dann wurde die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 während der Stromerzeugung bei einer Nennlast (0,3 A/cm²) gemessen. Die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 ist ein Wert, der normiert wird, indem es als 100% angenommen wird, wenn die für die Stromerzeugung bei der Nennlast erforderliche Wassermenge in einem gasförmigen Zustand bereitgestellt wurde. In Tabelle 1 bezeichnet ⊚ eine Bewertung, bei der die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 größer oder gleich 95% der maximalen Ausgabe ist, bezeichnet ○ eine Bewertung, bei der sie größer oder gleich 90% und kleiner als 95% ist, bezeichnet △ eine Bewertung, bei der sie größer oder gleich 80% und kleiner als 90% ist, und bezeichnet X eine Bewertung, bei der sie kleiner als 80% ist.

Tabelle 1

	Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche des anorganischen Festelektrolyten (µmol/s·cm2)	Nennlast (0.3A/cm²)
Beispiel 1	80	△
Beispiel 2	320	○
Beispiel 3	600.0	○
Beispiel 4	1000.0	○
Beispiel 5	1300.0	⊚
Beispiel 6	3000. 0	⊚
Beispiel 7	4000.0	⊚
Beispiel 8	5000.0	○
Beispiel 9	5400.0	△
Vergleichsbeispiel 1	keine Daten (weniger oder gleich der unteren Erfassungsgrenze)	×
Vergleichsbeispiel 2	50	×
Vergleichsbeispiel 3	6500	×

Wie in Tabelle 1 dargestellt, betrug im Vergleichsbeispiel 1, in dem keine Durchgangslöcher in dem anorganischen Festelektrolyten 16 gebildet waren, und im Vergleichsbeispiel 2, in dem die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit 50 µg/min·cm² betrug, die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 bei der Nennlast weniger als 80% der maximalen Ausgabe. Als Grund für dieses Ergebnis wird angenommen, dass der Kathode 12 keine ausreichende Wassermenge zugeführt wurde. Ferner betrug im Vergleichsbeispiel 3, in dem die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit 6500 µg/min·cm² betrug, die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 bei der Nennlast weniger als 80% der maximalen Ausgabe. Als Grund für dieses Ergebnis wird die nachteilige Auswirkung auf die Eigenschaften des anorganischen Festelektrolyten 16 selbst angesehen, da das von Durchgangslöchern abgedeckte Verhältnis relativ zu dem anorganischen Festelektrolyten 16 groß war.
Andererseits war in den Beispielen 1 bis 9, in denen die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit größer oder gleich 80 µg/min·cm² und geringer oder gleich 5400 µg/min·cm² war, die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 bei der Nennlast größer oder gleich 80% der maximalen Ausgabe.
Insbesondere in Beispielen 2 bis 8, in denen die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit größer oder gleich 320 µg/min·cm² und geringer oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit war, war die Ausgabe der alkalischen Feststoff-Brennstoffzelle 10 bei der Nennlast größer oder gleich 90% der maximalen Ausgabe. Ferner war in den Beispielen 7 bis 9, in denen die Wasserpermeationsmenge pro Flächeneinheit mehr oder gleich 1300 µg/min·cm² und geringer oder gleich 4000 µg/min·cm² pro Flächeneinheit war, die Ausgabe der Feststoff-Brennstoffzelle 10 bei der Nennlast größer oder gleich 95% der maximalen Ausgabe.
Bezugszeichenliste

10: ALKALISCHE FESTSTOFF-BRENNSTOFFZELLE
12: KATHODE
14: ANODE
16: ANORGANISCHER FESTELEKTROLYT
16S: KATHODENSEITIGE OBERFLÄCHE
16T: ANODENSEITIGE OBERFLÄCHE

Claims

Alkalische Feststoff-Brennstoffzelle, umfassend; eine Kathode, der ein Oxidationsmittel zugeführt wird, das Sauerstoff enthält, eine Anode, der ein Brennstoff zugeführt wird, der Wasserstoffatome enthält, und einen anorganischen Festelektrolyten, der zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei der anorganische Festelektrolyt eine Hydroxidionenleitfähigkeit aufweist, wobei der anorganische Festelektrolyt die Permeation von Wasser von mehr als oder gleich 80 µg/min·cm² und weniger als oder gleich 5400 µg/min·cm² pro Flächeneinheit einer kathodenseitigen Oberfläche erzeugt.
Alkalische Feststoff-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der organische Festelektrolyt die Permeation von Wasser von mehr als oder gleich 320 µg/min·cm² pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche erzeugt.
Alkalische Feststoff-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der organische Festelektrolyt die Permeation von Wasser von mehr als oder gleich 1300 µg/min·cm² pro Flächeneinheit der kathodenseitigen Oberfläche erzeugt.