DE112021005589T5 - Einzelbrennstoffzelle, Brennstoffzellenkartusche und Herstellungsverfahren für Einzelbrennstoffzelle - Google Patents

Einzelbrennstoffzelle, Brennstoffzellenkartusche und Herstellungsverfahren für Einzelbrennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Eine Einzelbrennstoffzelle umfasst: ein Stromerzeugungsteil, in dem eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil, welches das Stromerzeugungsteil nicht aufweist; und eine Gasabdichtungsfolie, um eine Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils zumindest teilweise abzudecken. Die Gasabdichtungsfolie weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf, die aufeinander laminiert sind. Die erste Schicht hat eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht, und die zweite Schicht hat eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Einzelbrennstoffzelle, eine Brennstoffzellenkartusche sowie ein Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle. Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020 - 218971 , die am 28. Dezember 2020 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung durch chemische Reaktion eines Brenngases und eines Oxidationsgases hat Eigenschaften wie einen ausgezeichneten Stromerzeugungswirkungsgrad und Umweltfreundlichkeit. Eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) verwendet Keramik wie Zirkoniumdioxid-Keramik als Elektrolyt und erzeugt Strom, indem sie als Brenngas ein Gas wie ein Vergasungsgas zuführt, das durch die Herstellung von Wasserstoff, Stadtgas, Erdgas, Erdöl, Methanol und einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff mit einer Vergasungsanlage gewonnen wird, und eine Reaktion in einer Hochtemperaturatmosphäre von etwa 700 °C bis 1.000 °C bewirkt.
  • Die Festoxid-Brennstoffzelle kann mit einer Gasversiegelungsfolie versehen werden, um eine unerwünschte Vermischung eines Brenngases und eines Oxidationsgases zu verhindern. Wenn die Funktionen der Permeation von Sauerstoffionen und der Verhinderung der Gaspermeation durch die Gasabdichtungsfolie unzureichend sind, können Sauerstoff oder Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases über die Gasabdichtungsfolie in die Seite des Brenngases eindringen und das Brenngas wird oxidiert, was zu einem Faktor wird, der eine Abnahme der Leistung, wie etwa des Stromerzeugungswirkungsgrads, verursacht.
  • Im Stand der Technik ist die Gasabdichtungsfolie dieses Typs aus einem Material wie YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid) hergestellt, als eine dichte Folie, die eine ausgezeichnete Oxidations- und Reduktionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweist und dicht genug ist, um den Durchgang eines Brenngases und eines Oxidationsgases zu verhindern. Da das Material wie YSZ jedoch sauerstoffionendurchlässig ist, können Sauerstoffionen aufgrund des Partialdruckunterschieds zwischen dem in dem Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff und dem im Brenngas enthaltenen Sauerstoff von der Seite des Oxidationsgases zur Seite des Brenngases durchdringen. Das Material wie YSZ, das für die herkömmliche Gasabdichtungsfolie verwendet wird, hat das Problem der Dichtungseigenschaften gegenüber Sauerstoffionen, und es wird in Betracht gezogen, dass eine Interkonnektorfolie als Gasabdichtungsfolie verwendet wird, um das Problem zu lösen. Da die Interkonnektorfolie jedoch eine elektronische Leitfähigkeit aufweist, schlägt das Patentdokument 1 eine Gasabdichtungsfolie vor, deren isolierende Eigenschaft durch die Verwendung eines Materials verbessert wird, das MTiO3 (M: Erdalkalimetall) und ein Metalloxid (außer TiO2 und YSZ) enthält.
  • Liste der Bezugsnahmen
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: JP6633236B
  • DARSTELLUNG
  • Technisches Problem
  • Obwohl eine Ausgangsspannung einer Einzelbrennstoffzelle nur etwa 1 V pro Zelle beträgt, kann die Ausgangsspannung erhöht werden, indem mehrere Einzelbrennstoffzellen in Reihe geschaltet werden. In den letzten Jahren wurde zum Beispiel ein Brennstoffzellenmodul entwickelt, dessen Ausgangsspannung nicht weniger als 500 bis 600 V erreicht. Probleme bei einem solchen Hochspannungs-Brennstoffzellenmodul sind die Unterdrückung der Sauerstoffionenbewegung und ein Leckstrom aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen der Einzelbrennstoffzelle und einer peripheren Komponente.
  • Das oben beschriebene Patentdokument 1 schlägt vor, die Dichtungseigenschaft und die Isoliereigenschaft von Sauerstoff und Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases zu der Brenngasseite zu verbessern, indem das Material, das MTiO3 (M: Erdalkalimetall) und das Metalloxid (außer TiO2 und YSZ) enthält, als Material für die Gasabdichtungsfolie verwendet wird. Da jedoch die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls wie oben beschrieben ansteigt, ist die Isolationseigenschaft selbst bei Verwendung eines solchen Materials unzureichend, so dass es unmöglich sein kann, den Leckstrom ausreichend zu unterdrücken. In einem Brennstoffzellenmodul, das eine Gasabdichtungsfolie beinhaltet, die aus Sr0.9La0.1TiO3 gebildet wird, die durch Dotierung von La in SrTiO3 erhalten wird, was ein Beispiel für diese Art von Material ist, zeigt sich ein ausgeprägtes Verhalten, bei dem der Leckstrom schnell ansteigt, wenn die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet. Es wird angenommen, dass dies durch den Elektrifizierungszustand der umgebenden Komponente der Einzelbrennstoffzelle beeinflusst wird, und eine weitere Verbesserung ist erforderlich, um diese Art von Material für das Brennstoffzellenmodul mit der hohen Ausgangsspannung zu verwenden.
  • Zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Einzelbrennstoffzelle, eine Brennstoffzellenkartusche und ein Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle bereitzustellen, die in der Lage sind, das Eindringen von Sauerstoff und Sauerstoffionen von einer Seite des Oxidationsgases zu einer Brenngasseite zu verhindern und einen Leckstrom zu einer peripheren Komponente zu unterdrücken.
  • Lösung der Aufgabe
  • Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, weist eine Einzelbrennstoffzelle gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: ein Stromerzeugungsteil, in dem eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil, welches das Stromerzeugungsteil nicht aufweist; und ein Gasabdichtungsfolie, um eine Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils zumindest teilweise abzudecken. Die Gasabdichtungsfolie weist eine erste Schicht sowie eine zweite Schicht auf, die aufeinander laminiert sind. Die erste Schicht weist eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht auf. Die zweite Schicht weist eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht auf.
  • Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, weist eine Brennstoffzellenkartusche gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: die Einzelbrennstoffzelle gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und einen Wärmeisolationskörper, der eine Stromerzeugungskammer umgibt, welche die Einzelbrennstoffzelle enthält. Die Gasabdichtungsfolie ist an einer dem Wärmeisolationskörper gegenüberliegenden Position angeordnet.
  • Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ein Herstellungsverfahren für eine Einzelbrennstoffzelle gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Einzelbrennstoffzelle aufweist: ein Stromerzeugungsteil, in dem eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil, welches das Stromerzeugungsteil nicht aufweist; eine Gasabdichtungsfolie zum zumindest teilweisen Abdecken einer Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils; und ein Substratrohr zum Tragen des Stromerzeugungsteils, des Nicht-Stromerzeugungsteils und der Gasabdichtungsfolie, wobei die Gasabdichtungsfolie eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, die aufeinander laminiert sind, wobei die erste Schicht eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht aufweist, wobei die zweite Schicht eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht aufweist, wobei das Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle umfasst: einen Schritt des Auftragens einer Aufschlämmung, bei dem zumindest eine von einer ersten Aufschlämmung, die ein Material ist, das die erste Schicht bildet, oder einer zweiten Aufschlämmung, die ein Material ist, das die zweite Schicht bildet, auf eine Oberfläche des Substratrohrs aufgetragen wird, die dem Nicht-Stromerzeugungsteil entspricht; und einen Brennschritt, bei dem zumindest eine von der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung zusammen mit einer dritten Aufschlämmung gebrannt wird, die auf eine Oberfläche des Substratrohrs aufgetragen wird, die dem Stromerzeugungsteil entspricht und ein Material ist, das die Anode und den Elektrolyten bildet.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Einzelbrennstoffzelle, eine Brennstoffzellenkartusche und ein Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle bereitzustellen, die in der Lage sind, einen Leckstrom zu einer peripheren Komponente zu unterdrücken und gleichzeitig zu verhindern, dass Sauerstoff und Sauerstoffionen von einer Seite des Oxidationsgases zu einer Brenngasseite eindringen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt einen Aspekt einer Einzelbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt einen weiteren Aspekt einer Einzelbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt einen weiteren Aspekt einer Einzelbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand eines Spannungsfestigkeitstests an der Einzelbrennstoffzelle zeigt.
    • 5 ist ein Beispiel der Ergebnisse des Spannungsfestigkeitstests der Einzelbrennstoffzelle gemäß Vergleichsbeispielen.
    • 6 ist ein Beispiel der Ergebnisse des Spannungsfestigkeitstests der Einzelbrennstoffzelle in 1.
    • 7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Aspekt eines Herstellungsverfahrens für die Einzelbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 8 ist ein tomographisches Bild einer Gasabdichtungsfolie für die Einzelbrennstoffzelle, die nach dem Herstellungsverfahren aus 7 hergestellt wurde. 9 ist ein Ablaufdiagramm, das einen weiteren Aspekt des Herstellungsverfahrens für die Einzelbrennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 10 ist ein tomographisches Bild der Gasabdichtungsfolie für die Einzelbrennstoffzelle, die durch das Herstellungsverfahren aus 9 hergestellt wird.
    • 11 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Brennstoffzellenkartusche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden eine Ausführungsform einer Einzelbrennstoffzelle, eine Brennstoffzellenkartusche und ein Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Nachfolgend werden zur Vereinfachung der Beschreibung die Positionsbeziehungen zwischen den jeweiligen Komponenten durch die Verwendung der Ausdrücke „oben“ und „unten“ mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, um die vertikal obere Seite bzw. die vertikal untere Seite zu bezeichnen. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform, solange der gleiche Effekt in der Aufwärts-Abwärts-Richtung und der horizontalen Richtung erzielt wird, die Aufwärts-Abwärts-Richtung in der Zeichnung nicht notwendigerweise auf die vertikale Aufwärts-Abwärts-Richtung beschränkt, sondern kann zum Beispiel der horizontalen Richtung orthogonal zu der vertikalen Richtung entsprechen.
  • Ferner wird im Folgenden zwar eine zylindrische (rohrförmige) Einzelbrennstoffzelle einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) als Beispiel beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt und es kann zum Beispiel eine flache Einzelbrennstoffzelle verwendet werden. Obwohl die Einzelbrennstoffzelle auf einem Substrat gebildet wird, kann eine Elektrode (eine Anode oder eine Kathode) anstelle des Substrats dick ausgebildet sein und auch als Substrat verwendet werden.
  • Zunächst wird eine Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt einen Aspekt der Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 wird eine zylindrische Zelle mit einem Substratrohr als ein Aspekt der Einzelbrennstoffzelle beschrieben. In einem Fall, in dem das Substratrohr nicht verwendet wird, kann jedoch zum Beispiel eine später beschriebene Anode dick ausgebildet werden, um auch als das Substratrohr zu dienen, und ist nicht darauf beschränkt, als das Substratrohr verwendet zu werden. Obwohl das Substratrohr in der vorliegenden Ausführungsform mit einer zylindrischen Form beschrieben wird, kann das Substratrohr auch eine rohrförmige Form haben, und der Querschnitt des Substratrohrs ist nicht notwendigerweise auf eine kreisförmige Form beschränkt, sondern kann zum Beispiel auch eine elliptische Form haben. Es kann eine Einzelbrennstoffzelle verwendet werden, die zum Beispiel eine flache rohrförmige Form hat, die durch vertikales Zusammendrücken einer Umfangsseitenfläche des Zylinders erhalten wird.
  • Die Einzelbrennstoffzelle 101 umfasst ein zylindrisch geformtes Substratrohr 103, eine Vielzahl von Stromerzeugungsteilen 105, die auf einer Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 ausgebildet sind, und ein Nicht-Stromerzeugungsteil 110, das zwischen den benachbarten Stromerzeugungsteilen 105 ausgebildet ist. Jedes der Stromerzeugungsteile 105 wird durch Stapeln einer Anode 109, eines Elektrolyten 111 und einer Kathode 113 gebildet. Ferner enthält die Einzelbrennstoffzelle 101 eine Leiterfolie 115, die über einen Interkonnektor 107 mit der Kathode 113 des an dem am weitesten entfernten Ende des Substratrohrs 103 in axialer Richtung gebildeten Stromerzeugungsteils 105 elektrisch verbunden ist, und enthält die Leiterfolie 115, die mit der Anode 109 des an dem am weitesten entfernten anderen Ende gebildeten Stromerzeugungsteils 105 unter der Vielzahl von Stromerzeugungsteilen 105 elektrisch verbunden ist, die auf der Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind.
  • Das Nicht-Stromerzeugungsteil 110 ist ein Bereich, der das Stromerzeugungsteil 105 in der Einzelbrennstoffzelle 101 nicht aufweist. Die Einzelbrennstoffzelle 101 umfasst eine Gasabdichtungsfolie 117, die zumindest teilweise eine Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils 110 abdeckt. In 1 ist die Gasabdichtungsfolie 117 auf oberen Oberflächen der Leiterfolien 115 angeordnet, die sich in beiden Endabschnitten der Einzelbrennstoffzelle 101 befinden, oder mit anderen Worten, auf den Oberflächen der Leiterfolien 115, die der Seite des Substratrohrs 103 gegenüberliegen. Die Leiterfolien 115 sind mit den Stromkollektorteilen 120 verbunden. Die Gasabdichtungsfolie 117 weist eine erste Schicht 117a und eine zweite Schicht 117b auf, die aufeinander laminiert sind, und eine ausführliche Konfiguration wird später beschrieben.
  • Die 2 und 3 zeigen jeweils einen weiteren Aspekt der Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 und 3 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gasabdichtungsfolie 117. In einer Einzelbrennstoffzelle 101a aus 2 ist die Gasabdichtungsfolie 117 auf dem Interkonnektor 107, dessen Oberfläche freiliegt, ohne dass die Kathode 113 gestapelt ist, und/oder auf dem Elektrolyten 111 zwischen den beiden Kathoden 113 angeordnet, die jeweils zu den benachbarten Stromerzeugungsteilen 105 gehören. In einer Einzelbrennstoffzelle 101b aus 3 ist die Gasabdichtungsfolie 117 direkt auf dem Substratrohr 103 angeordnet, wobei die Leiterfolie 115 weggelassen wird. In diesem Fall sind die Stromkollektorteile 120 mit der Kathode 113 verbunden.
  • Die Anordnung der Gasabdichtungsfolie 117 ist nicht auf die Aspekte beschränkt, die in 1 bis 3 dargestellt sind.
  • Die Seite des Substratrohrs 103, auf der die Kathode 113 angeordnet ist, wird während der Stromerzeugung in eine Oxidationsgasatmosphäre gebracht. Das Innere des Substratrohrs 103 wird während der Stromerzeugung in eine Brenngasatmosphäre gebracht, mit Stickstoff gespült und in eine reduzierende Atmosphäre gebracht, nachdem das Brenngas während des Notstopps abgeschaltet wurde. Das Oxidationsgas ist ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von etwa 15 % bis 30 %, wobei Luft repräsentativ geeignet ist. Neben Luft kann jedoch auch ein Mischgas aus Verbrennungsabgas und Luft, ein Mischgas aus Sauerstoff und Luft oder ähnliches verwendet werden. Das Brenngas umfasst zum Beispiel ein Vergasungsgas, das aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen wie Erdöl, Methanol und Kohle in einer Vergasungsanlage hergestellt wird, sowie Kohlenwasserstoffgas wie Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Stadtgas oder Erdgas.
  • Das Substratrohr 103 wird zum Beispiel durch Brennen eines porösen Materials gebildet. Das poröse Material enthält zum Beispiel CaO-stabilisiertes ZrO2 (CSZ), eine Mischung (CSZ+NiO) aus CSZ und Nickeloxid (NiO) oder Y2O3 stabilisiertes ZrO2 (YSZ), MgAl2O4 oder ähnliches als Hauptkomponente. Das Substratrohr 103 trägt das Stromerzeugungsteil 105, den Interkonnektor 107 und die Leiterfolie 115 und leitet das Brenngas, das einer Innenumfangsfläche des Substratrohrs 103 zugeführt wird, über eine Pore des Substratrohrs 103 zu der Anode 109, die an der Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 ausgebildet ist.
  • Die Anode 109 wird durch Brennen eines Materials gebildet, das ein Oxid eines Verbundmaterials aus Ni und einem Elektrolytmaterial auf Zirkoniumdioxidbasis ist. Zum Beispiel wird Ni/YSZ als Material der Anode 109 verwendet. Die Anode 109 hat eine Dicke von 50 µm bis 250 µm, und die Anode 109 kann durch Siebdrucken einer Aufschlämmung hergestellt werden. In diesem Fall wirkt das Ni in der Anode 109 als Bestandteil der Anode 109 katalytisch auf das Brenngas. Durch die Katalyse wird das über das Substratrohr 103 zugeführte Brenngas, zum Beispiel ein Mischgas aus Methan (CH4) und Wasserdampf, zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) reformiert. Ferner setzt die Anode 109 elektrochemisch Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), welche durch die Reformierung gewonnen wurden, mit Sauerstoffionen (O2) um, die über den Elektrolyten 111 in der Nähe der Grenzfläche mit dem Elektrolyten 111 zugeführt werden, um Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) zu erzeugen, und erzeugt Strom durch Abgabe von Elektronen.
  • Als Elektrolyt 111 wird hauptsächlich YSZ verwendet, das eine gasdichte Eigenschaft, die den Durchtritt von Gasen erschwert, und eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Der Elektrolyt 111 transportiert die Sauerstoffionen (O2-), die an einer Grenzfläche zur Kathode entstehen, zu der Anode 109. Der Elektrolyt 111, der sich auf einer Oberfläche der Anode 109 befindet, hat eine Schichtdicke von 10 µm bis 100 µm, und der Elektrolyt 111 kann durch Siebdruck der Aufschlämmung gebildet werden.
  • Die Kathode 113 wird durch Brennen eines Materials gebildet, das zum Beispiel aus einem Oxid auf LaSrMnO3-Basis oder einem Oxid auf LaCoO3-Basis gebildet ist. Die Kathode 113 kann durch Auftragen einer Aufschlämmung des Materials im Siebdruckverfahren oder mit einem Dispenser hergestellt werden. Die Kathode 113 ionisiert die Sauerstoffmoleküle im Oxidationsgas, zum Beispiel in der zugeführten Luft, um in der Nähe der Grenzfläche zum Elektrolyten 111 Sauerstoffionen (O2-) zu erzeugen.
  • Die Kathode 113 kann auch einen zweischichtigen Aufbau haben. In diesem Fall ist eine Kathodenschicht (Kathoden-Zwischenschicht) auf der Seite des Elektrolyten 111 aus einem Material gebildet, das eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist und eine ausgezeichnete katalytische Aktivität besitzt. Eine Kathodenschicht (kathodenleitende Schicht) auf der Kathodenzwischenschicht kann aus einem Oxid vom Perowskit-Typgebildet sein, das durch Ca-dotiertes LaMnO3 und Sr mit höherer Leitfähigkeit dargestellt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistung der Stromerzeugung weiter zu verbessern.
  • Der Interkonnektor 107 wird durch Brennen eines Materials gebildet, das aus einem leitfähigen Oxid vom Perowskit-Typ gebildet ist, dargestellt durch M1-xLxTiO3 (M ist ein Erdalkalimetallelement, L ist ein Lanthanoidelement), zum Beispiel auf der Basis von SrTiO3. Der Interkonnektor 107 kann durch Siebdruck der Aufschlämmung des Materials hergestellt werden. Der Interkonnektor 107 weist eine dichte Folie bzw. Schicht auf, so dass sich das Brenngas und das Oxidationsgas nicht miteinander vermischen. Ferner muss der Interkonnektor 107 sowohl unter der oxidierenden als auch unter der reduzierenden Atmosphäre eine stabile Haltbarkeit und elektronische Leitfähigkeit aufweisen. In den benachbarten Stromerzeugungsteilen 105 ist der Interkonnektor 107 derart eingerichtet, dass er die Kathode 113 des einen Stromerzeugungsteils 105 und die Anode 109 eines anderen Stromerzeugungsteils 105 elektrisch verbindet und die benachbarten Stromerzeugungsteile 105 miteinander in Reihe schaltet.
  • Die Leiterfolie 115 muss eine elektronische Leitfähigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der dem eines anderen Materials, aus dem die Einzelbrennstoffzelle 101 gebildet ist, nahe kommt. Daher wird die Leiterfolie 115 durch Brennen des Materials gebildet, das aus einem Verbundwerkstoff aus einem Elektrolytmaterial auf Zirkoniumdioxidbasis und Ni wie Ni/YSZ oder M1-xLxTiO3 (M ist ein Erdalkalimetallelement, L ist ein Lanthanoidelement) wie zum Beispiel auf Basis von SrTiO3 gebildet ist. Die Leiterfolie 115 ist derart eingerichtet, dass sie den Gleichstrom ableitet, der in der Vielzahl von Stromerzeugungsteilen 105 erzeugt wird, die durch den Interkonnektor 107 in der Nähe des Endabschnitts der Einzelbrennstoffzelle 101 in Reihe geschaltet sind.
  • Die Gasabdichtungsfolie 117 ist als dichte Folie ausgebildet, so dass sich das Brenngas und das Oxidationsgas nicht miteinander vermischen. Bevor die Gasabdichtungsfolie 117 im Detail beschrieben wird, wird hier zunächst die zugrundeliegende Technologie anhand der Ergebnisse eines Spannungsfestigkeitstests beschrieben, der an der Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß Vergleichsbeispielen durchgeführt wurde. 4 ist eine schematische Ansicht, die einen Zustand der Spannungsfestigkeitsprüfung an der Einzelbrennstoffzelle 101 zeigt, und 5 ist ein Beispiel für die Ergebnisse der Spannungsfestigkeitsprüfung der Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß den Vergleichsbeispielen.
  • Bei dem Spannungsfestigkeitstest der Einzelbrennstoffzelle 101, wie in 4 gezeigt, ist ein Ausgangsende 130 der Einzelbrennstoffzelle 101 über eine Messleitung 132 elektrisch mit einem Massepunkt FG verbunden. Die Einzelbrennstoffzelle 101 umfasst eine Vielzahl von Stromerzeugungsteilen 105, die wie oben beschrieben durch den Interkonnektor 107 (siehe 1 bis 3) in Reihe geschaltet sind, und der von der Vielzahl von Stromerzeugungsteilen 105 erzeugte Gleichstrom wird über die Leiterfolie 115 (siehe 1 bis 3) zum Ausgangsende 130 geleitet.
  • Ferner sind in 4 Wärmeisolationskörper 227 an der Außenseite in der Nähe der Endabschnitte der Einzelbrennstoffzelle 101 angeordnet. Dies dient dazu, auf einfache Weise eine Konfiguration zu simulieren, bei der in einer Brennstoffzellenkartusche, welche die Einzelbrennstoffzelle 101 aufweist, die Einzelbrennstoffzelle 101 durch Lochabschnitte eingeführt wird, die in den Wärmeisolationskörpern 227 angeordnet sind, um das Stromerzeugungsteil, das sich in einer Hochtemperaturumgebung befindet, zumindest teilweise zu umgeben (ein Oxidationsmittelauslassspalt 235b, der in einem oberen Wärmeisolationskörper 227a angeordnet ist, und ein Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a, der in einem unteren Wärmeisolationskörper 227b angeordnet ist), und ein Leckstrom Ileak wird wahrscheinlich auftreten, wenn die Einzelbrennstoffzelle 101 die Wärmeisolationskörper 227 berührt, wie später mit Bezug auf 11 beschrieben wird.
  • Die Wärmeisolationskörper 227 enthalten kolloidales Siliziumdioxid zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Na, welches zur Stabilisierung des kolloidalen Siliziumdioxids hinzugefügt wurde.
  • Ein Spannungsprüfgerät 134 ist an der Messleitung 132 angeordnet. Das Spannungsprüfgerät 134 umfasst eine Stromzufuhr 136 (Gleichstromzufuhr) und ein Leckstrom-Messungsteil 138. Die Stromzufuhr 136 und das Leckstrom-Messungsteil 138 sind auf der Messleitung 132 in Reihe angeordnet. Die Stromzufuhr 136 legt eine Prüfspannung Vt zwischen dem Massepunkt FG und dem Ausgangsende 130 der Einzelbrennstoffzelle 101 an. Das Leckstrom-Messungsteil 138 ist derart eingerichtet, dass es den Leckstrom Ileak misst, der zu diesem Zeitpunkt durch die Messleitung 132 fließt.
  • 5 zeigt die Ergebnisse der Spannungsfestigkeitsprüfung für Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, bei denen die Gasabdichtungsfolien 117 jeweils aus verschiedenen Einzelmaterialien gebildet sind. Vergleichsbeispiel 1 umfasst die Gasabdichtungsfolie 117, die aus YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid) gebildet ist, und Vergleichsbeispiel 2 enthält die Gasabdichtungsfolie 117, die aus einem erdalkalimetalldotierten Titanat MTiO3 (M: Erdalkalimetall) gebildet ist, oder genauer gesagt aus einem Material, welches Ladotiertes SrTiO3 und ein Metalloxid enthält. In Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 ist die Konfiguration mit Ausnahme der Gasabdichtungsfolie 117 die gleiche wie bei der vorgenannten Ausführungsform.
  • Vergleichsbeispiel 1 zeigt, dass der Leckstrom Ileak dazu neigt, allmählich anzusteigen, wenn die Prüfspannung Vt an die Einzelbrennstoffzelle 101 angelegt wird, die sich in einem Ausgangszustand (vor dem Anlegen der Spannung) befindet (siehe Symbol Ain 5), aber Vergleichsbeispiel 1 zeigt, dass der Leckstrom Ileak relativ klein und die elektronische Leitfähigkeit gering ist (die elektrische Isoliereigenschaft ist gut). Wie jedoch auch im oben erwähnten Patentdokument 1 erwähnt, hat das Material wie YSZ, obwohl es durch Verdichtung des Elektrolyten gebildet wird und eine so hohe Dichte aufweist, dass das Gas nicht durchdringt, eine Sauerstoffionendurchlässigkeit, die das Problem mit sich bringt, dass die Wirkung der Verhinderung des Eindringens von Sauerstoffionen aufgrund des Partialdruckunterschieds zwischen dem in dem Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff und dem im Brenngas enthaltenen Sauerstoff begrenzt ist. Wie durch das Symbol B in 5 angedeutet, war die Beziehung zwischen der Prüfspannung Vt und dem Leckstrom Ileak, wenn die Prüfspannung Vt für einen vorbestimmten Zeitraum (10 Minuten) angelegt wurde, im Wesentlichen die gleiche wie Symbol A.
  • Vergleichsbeispiel 2 zeigt, dass der Leckstrom Ileak dazu neigt, allmählich anzusteigen, wenn die Prüfspannung Vt in einem Bereich ansteigt, in dem die Prüfspannung Vt relativ niedrig ist, d.h. nicht höher als 500 V im Ausgangszustand, aber der Leckstrom Ileak neigt dazu, schnell anzusteigen, wenn die Prüfspannung Vt nicht weniger als einen bestimmten Wert (nicht weniger als ungefähr 600 V) erreicht (siehe Symbol C in 5). In dem oben erwähnten Patentdokument 1 ist das Material, das Erdalkalimetall-dotiertes Titanat MTiO3 (M: Erdalkalimetall) und das Metalloxid in Vergleichsbeispiel 2 enthält, in Bezug auf die Wirkung zur Verhinderung des Eindringens von Sauerstoffionen im Vergleich zu dem in Vergleichsbeispiel 1 verwendeten Material wie YSZ ausgezeichnet. Es zeigt sich jedoch, dass, da das Material, das Erdalkalimetall-dotiertes Titanat MTiO3 (M: Erdalkalimetall) und das Metalloxid in Vergleichsbeispiel 2 enthält, einen gewissen Grad an elektronischer Leitfähigkeit aufweist, der anfängliche Leckstrom Ileak in einem Hochspannungsbereich nicht ausreichend unterdrückt werden kann.
  • Wie durch das Symbol D in 5 angezeigt, zeigt sich im Vergleichsbeispiel 2 gemäß der Beziehung zwischen der Prüfspannung Vt und dem Leckstrom Ileak, wenn die Prüfspannung Vt für die vorgegebene Zeitspanne (10 Minuten) angelegt wurde, der schnelle Anstieg des Leckstroms Ileak im Hochspannungsbereich wie im Ausgangszustand nicht. Daraus wird geschlossen, dass der schnelle Anstieg des Leckstroms Ileak im Hochspannungsbereich im Ausgangszustand durch den Elektrifizierungszustand der peripheren Komponente der Einzelbrennstoffzelle 101 beeinflusst wird.
  • Um dieses Problem in den Vergleichsbeispielen zu lösen, weist die Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gasabdichtungsfolie 117 auf, die eine laminierte Struktur aufweist, welche die erste Schicht 117a und die zweite Schicht 117b aufweist, die aufeinander laminiert sind. Die erste Schicht 117a ist derart eingerichtet, dass sie eine geringere elektronische Leitfähigkeit aufweist als die zweite Schicht 117b, wodurch es möglich ist, den Leckstrom Ileak, der durch eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Schicht 117a und der peripheren Komponente verursacht werden kann, wirksam zu verringern. Die zweite Schicht 117b ist derart eingerichtet, dass sie eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist als die erste Schicht 117a, wodurch eine gute Wirkung zur Verhinderung des Eindringens von Sauerstoffionen erzielt wird. Da die Einzelbrennstoffzelle 101 die Gasabdichtungsfolie 117 mit einer solchen Konfiguration enthält, ist es möglich, den Leckstrom Ileak zur peripheren Komponente zu unterdrücken und gleichzeitig das Eindringen von Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases zur Brenngasseite zu verhindern.
  • Die erste Schicht 117a wird zum Beispiel durch Brennen eines Materials wie stabilisiertes Zirkoniumdioxid (allgemeiner Begriff für homogenphasiges Zirkoniumdioxid, in dem ein Metalloxid mit einer anderen Wertigkeit als Zirkonium festgelöst ist) gebildet. Die erste Schicht 117a kann durch Siebdrucken der Materialaufschlämmung hergestellt werden.
  • Die zweite Schicht 117b wird durch Brennen des Materials gebildet, das Erdalkalimetall-dotiertes Titanat MTiO3 (M: Erdalkalimetall) und ein Metalloxid enthält. Erdalkalimetall ist entweder Mg, Ca, Sr oder Ba. Das Erdalkalimetall ist vorzugsweise Sr oder Ba. Das Metalloxid B2O3, Al2O3, Ga2O3, In2O3, Tl2O3, Fe2O3, Fe3O4, MgO, NiO, SiO2, oder dergleichen. Die Zugabe des Metalloxids beträgt zumindest 3 Mol-%, bezogen auf MTiO3. Die Zugabe des Metalloxids beträgt bis zu 100 Mol-%, bezogen auf MTiO3.
  • Die Dicke der Gasabdichtungsfolie 117 beträgt zum Beispiel 1 µm bis 100 µm. Das Verhältnis zwischen der ersten Schicht 117a und der zweiten Schicht 117b in Bezug auf die Dicke kann optional festgelegt werden. Das Verhältnis kann zum Beispiel durch ein Gleichgewicht zwischen der elektronischen Isolierfähigkeit und der Sauerstoffionen-Isolierfähigkeit, die für die Gasabdichtungsfolie 117 erforderlich sind, bestimmt werden. Genauer gesagt, wenn es erforderlich ist, vorzugsweise die elektronische Isoliereigenschaft zu verbessern, kann das Belegungsverhältnis der ersten Schicht 117a erhöht werden. Wenn die sauerstoffionenisolierende Eigenschaft bevorzugt verbessert werden soll, kann das Belegungsverhältnis der zweiten Schicht 117b erhöht werden.
  • Ferner können die erste Schicht 117a und die zweite Schicht 117b, welche die Gasabdichtungsfolie 117 bilden, in beliebiger Reihenfolge laminiert werden, aber in der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die zweite Schicht 117b auf der ersten Schicht 117a angeordnet ist. Selbst wenn die periphere Komponente die Außenseite der Einzelbrennstoffzelle 101 berührt, wird die Potentialdifferenz zwischen der ersten Schicht 117a und der peripheren Komponente durch die Zwischenschaltung der zweiten Schicht 117b zwischen der ersten Schicht 117a und der peripheren Komponente verringert, wodurch das Eindringen von Sauerstoffionen von der Außenseite der Zelle effektiver unterdrückt werden kann. Wenn die periphere Komponente die Außenseite der Einzelbrennstoffzelle 101 berührt, kann der Leckstrom Ileak von der peripheren Komponente zu der Leitschicht 115 wirksam unterdrückt werden, indem die erste Schicht 117a, die eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht 117b aufweist, zwischen der zweiten Schicht 117b und der Leitschicht eingefügt wird.
  • Die Gasabdichtungsfolie 117 kann eine laminierte Struktur von nicht weniger als drei Schichten aufweisen, indem sie zumindest eine der Vielzahl von ersten Schichten 117a oder die Vielzahl von zweiten Schichten 117b aufweist. In diesem Fall ist es durch die Erhöhung der Anzahl der Schichten der Gasabdichtungsfolie 117 möglich, die Festigkeit der Gasabdichtungsfolie 117 zu verbessern und einen Defekt, wie zum Beispiel einen Riss, effektiver zu verhindern, wenn jede Schicht wie später beschrieben gebrannt wird.
  • 6 ist ein Beispiel für die Ergebnisse der Spannungsfestigkeitsprüfung der Einzelbrennstoffzelle 101 in 1 (das Verfahren für die Spannungsfestigkeitsprüfung ist wie oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben). 6 zeigt den Leckstrom Ileak, wenn die Prüfspannung Vt=550 V für die vorbestimmte Dauer (10 Minuten) an die Einzelbrennstoffzelle 101 angelegt wird. Diese Spannungsfestigkeitsprüfung zeigt den Übergang des Leckstroms Ileak, wenn eine solche Prüfspannung Vt wiederholt in vorbestimmten Intervallen (10 Minuten) angelegt wird (die Anzahl der Zyklen, die auf der horizontalen Achse angegeben ist, bedeutet die Anzahl der Wiederholungen).
  • Als Vergleichsbeispiel zeigt 6 die Ergebnisse der Spannungsfestigkeitsprüfung für die Einzelbrennstoffzelle, in der die Gasabdichtungsfolie 117 aus SLT gebildet ist.
  • Gemäß den Ergebnissen des Spannungsfestigkeitstests in 6 wird im Vergleichsbeispiel gezeigt, dass der Leckstrom Ileak selbst nach dem zweiten Zyklus relativ groß ist. Im Gegensatz dazu wurde verifiziert, dass in der Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Leckstrom Ileak auf etwa 1/5 im Vergleich zu einer Einzelbrennstoffzelle 101' gemäß dem Vergleichsbeispiel unterdrückt werden kann, und der Leckstrom Ileak wird unabhängig von der Anzahl der Zyklen wirksam und stabil unterdrückt. Aus diesem Ergebnis geht hervor, dass die Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die die aus der ersten Schicht 117a und der zweiten Schicht 117b zusammengesetzte Gasabdichtungsfolie 117 aufweist, sowohl die elektronische Isoliereigenschaft als auch die Sauerstoffionen-Isoliereigenschaft auf hohem Niveau erreichen kann, und dass es sogar in einer Einzelbrennstoffzelle mit einer hohen Ausgangsspannung möglich ist, den Leckstrom zu einer peripheren Komponente zu unterdrücken und gleichzeitig zu verhindern, dass Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases zu der Brenngasseite eindringen.
  • (Herstellungsverfahren für eine Einzelbrennstoffzelle)
  • Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für die in 1 dargestellte Einzelbrennstoffzelle 101 beschrieben. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Aspekt des Herstellungsverfahrens für die Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Zunächst wird ein Material wie kalziumdioxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid (CSZ) durch Strangpressen in die Form des Substratrohrs 103 gebracht (Schritt S100).
  • Eine Anodenaufschlämmung wird durch Mischen des Materials, das die Anode 109 bildet, mit einem organischen Träger (einem organischen Lösungsmittel, dem ein Dispersionsmittel, ein Bindemittel zugesetzt ist) oder dergleichen hergestellt, und die Anodenaufschlämmung wird durch Siebdruck auf das Substratrohr 103 aufgetragen (Schritt S101). Der Anoden-Aufschlämmung wird in Umfangsrichtung auf die Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 in einer Vielzahl von Bereichen aufgetragen, die der Anzahl der Elemente des Stromerzeugungsteils 105 entsprechen. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die Anode 109 nach dem später beschriebenen Sintern eine vorbestimmte Schichtdicke aufweist.
  • Anschließend wird das Material, aus dem die Leiterfolie 115 gebildet ist, mit dem organischen Träger oder ähnlichem gemischt, um eine Leiterfolien-Aufschlämmung herzustellen, und die Leiterfolien-Aufschlämmung wird durch Siebdruck auf das Substratrohr 103 aufgetragen (Schritt S 102). Die Anodenaufschlämmung wurde bereits wie in Schritt S101 beschrieben auf das Substratrohr 103 aufgetragen, und die Leiterfolien-Aufschlämmung wird derart aufgetragen, dass sie die Anodenaufschlämmung zumindest teilweise bedeckt. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die Leiterfolie 115 nach dem später beschriebenen Sintern eine vorgegebene Schichtdicke aufweist.
  • Anschließend werden das Material, das den Elektrolyten 111 bildet, und das Material, das die Interkonnektor 107 bildet, mit dem organischen Träger oder dergleichen gemischt, um eine Elektrolytaufschlämmung bzw. eine Interkonnektor-Aufschlämmung herzustellen, und die Elektrolytaufschlämmung und die Interkonnektor-Aufschlämmung werden nacheinander durch Siebdruck auf das Substratrohr 103 aufgetragen (Schritt S103). Die Anodenaufschlämmung und die Leiterfolienaufschlämmung sind bereits auf das Substratrohr 103 aufgetragen worden, wie in den Schritten S101 und S102 beschrieben, und die Elektrolytaufschlämmung und die Interkonnektor-Aufschlämmung werden so aufgetragen, dass sie die Anodenaufschlämmung und die Leiterfolienaufschlämmung zumindest teilweise bedecken. Genauer gesagt wird der Elektrolytaufschlämmung auf die Außenfläche der Anode 109 und auf das Substratrohr 103 zwischen den benachbarten Anoden 109 aufgetragen. Der Interkonnektor-Aufschlämmung wird in der Umfangsrichtung der Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 an einer Position aufgetragen, die zwischen den benachbarten Stromerzeugungsteilen 105 liegt. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise so eingestellt, dass der Elektrolyt 111 und der Interkonnektor 107 nach dem später beschriebenen Sintern jeweils eine vorbestimmte Schichtdicke aufweisen.
  • Anschließend wird das Material, aus dem der Gasabdichtungsfolie 117 gebildet ist, mit dem organischen Träger oder dergleichen gemischt, um eine Gasabdichtungsfolienaufschlämmung herzustellen, und die Gasabdichtungsfolienaufschlämmung wird durch Siebdruck auf das Substratrohr 103 aufgetragen (Schritt S 104). In der vorliegenden Ausführungsform werden eine erste Gasabdichtungsfolienaufschlämmung, die der ersten Schicht 117a entspricht, und eine zweite Gasabdichtungsfolienaufschlämmung, die der zweiten Schicht 117b entspricht, durch Mischen von Materialien, die jeweils der ersten Schicht 117a und der zweiten Schicht 117b entsprechen, welche die Gasabdichtungsfolie 117 bilden, mit dem organischen Träger oder dergleichen hergestellt. Dann werden die erste Gasabdichtungsfolienaufschlämmung und die zweite Gasabdichtungsfolienaufschlämmung auf die Leiterfolie 115 und das Substratrohr 103 entsprechend der Reihenfolge der Laminierung der ersten Schicht 117a und der zweiten Schicht 117b aufgetragen. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die Gasabdichtungsfolie 117 nach dem später beschriebenen Sintern eine vorgegebene Schichtdicke aufweist.
  • Das mit den oben beschriebenen Aufschlämmungen aufgetragene Substratrohr 103 wird an der Luft (in einer oxidierenden Atmosphäre) mitgesintert (Schritt S 105). Die Sinterbedingungen sind insbesondere 1.350°C bis 1.450°C (erste Sintertemperatur) für 3 bis 5 Stunden. Co-Sintern unter den oben beschriebenen Bedingungen bildet die Gasabdichtungsfolie 117 mit einer laminierten Struktur, die aus der ersten Schicht 117a und der zweiten Schicht 117b gebildet ist.
  • Als nächstes wird das Material, aus dem die Kathode 113 gebildet ist, mit dem organischen Träger oder dergleichen gemischt, um eine Kathodenaufschlämmung herzustellen, und die Kathodenaufschlämmung wird nach dem Co-Sintern auf das Substratrohr 103 aufgetragen (Schritt S106). Die Kathodenaufschlämmung wird an vorbestimmten Positionen auf der Außenfläche des Elektrolyten 111 und auf dem Verbindungselement 107 aufgetragen. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die Kathode 113 nach dem Brennen eine vorbestimmte Schichtdicke aufweist.
  • Nach dem Auftragen des Kathodenaufschlämmung wird Brennen in der Atmosphäre (in der oxidierenden Atmosphäre) bei 1100°C bis 1250°C (zweite Sintertemperatur) für 1 bis 4 Stunden durchgeführt (Schritt S 107). Die Brenntemperatur des Kathodenaufschlämmung ist niedriger als die Co-Sintertemperatur bei der Bildung des Substratrohrs 103 und der Gasabdichtungsfolie 117 (d.h. die zweite Sintertemperatur ist niedriger als die erste Sintertemperatur).
  • 8 ist ein tomographisches Bild der Gasabdichtungsfolie 117 für die Einzelbrennstoffzelle 101, die durch das Herstellungsverfahren aus 7 hergestellt wird. Da bei diesem Herstellungsverfahren sowohl die erste Schicht 117a als auch die zweite Schicht 117b, aus denen die Gasabdichtungsfolie 117 gebildet, durch Sintern bei der oben in Schritt S105 aus 7 beschriebenen hohen ersten Sintertemperatur gebildet werden, wie in 8 gezeigt, wurde bestätigt, dass die erste Schicht 117a und die zweite Schicht 117b jeweils als dichte Folie mit wenigen Fehlstellen bzw. Hohlräumen innerhalb eines Gewebes gebildet werden.
  • 9 ist ein Ablaufdiagramm, das einen weiteren Aspekt des Herstellungsverfahrens für die Einzelbrennstoffzelle 101 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Schritte S201 bis S203 aus 9 sind die gleichen wie die Schritte S101 bis S103 aus 7, weshalb eine Beschreibung der Schritte S201 bis S203 aus 9 entfällt.
  • Schritt S204 umfasst das Mischen des Materials, das die erste Schicht 117a bildet, die auf einer unteren Schichtseite der Gasabdichtungsfolie 117 angeordnet ist, mit dem organischen Träger oder dergleichen, um die Gasabdichtungsfolienaufschlämmung herzustellen, und das Auftragen der Gasabdichtungsfolienaufschlämmung auf die Leitfolie 115 und das Substratrohr 103 durch Siebdruck. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise so eingestellt, dass die erste Schicht 117a nach dem später beschriebenen Sintern eine vorbestimmte Schichtdicke aufweist.
  • Wie der oben beschriebene Schritt S105 umfasst Schritt S205 das Co-Sintern des mit der oben beschriebenen Aufschlämmung aufgetragenen Substratrohrs 103 an der Luft (in der oxidierenden Atmosphäre). Die Sinterbedingungen sind insbesondere 1.350°C bis 1.450°C (erste Sintertemperatur) für 3 bis 5 Stunden. Das Co-Sintern unter den oben beschriebenen Bedingungen bildet die erste Schicht 117a der Gasabdichtungsfolie 117.
  • Wie der oben beschriebene Schritt S106 umfasst Schritt S206 das Mischen des Materials, das die Kathode 113 bildet, mit dem organischen Träger oder dergleichen, um die Kathodenaufschlämmung herzustellen, und das Auftragen der Kathodenaufschlämmung auf das Substratrohr 103 nach dem Co-Sintern. Die Kathodenaufschlämmung wird an vorbestimmten Positionen auf der Außenfläche des Elektrolyten 111 und auf dem Verbindungselement 107 aufgetragen. Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die Kathode 113 nach dem Brennen eine vorbestimmte Schichtdicke aufweist.
  • Anschließend wird das Material, das die zweite Schicht 117b bildet, die auf einer oberen Schichtseite der Gasabdichtungsfolie 117 angeordnet ist, mit dem organischen Träger oder dergleichen gemischt, um die Gasabdichtungsfolienaufschlämmung zu erzeugen, und die Gasabdichtungsfolienaufschlämmung wird durch Siebdruck auf die erste Schicht 117a der Gasabdichtungsfolie aufgetragen (Schritt S207). Die Schichtdicke der durch das Auftragen gebildeten Aufschlämmung wird in geeigneter Weise derart eingestellt, dass die zweite Schicht 117b nach dem später beschriebenen Sintern eine vorbestimmte Schichtdicke aufweist.
  • Anschließend wird das mit den oben beschriebenen Aufschlämmungen weiter bearbeitete Substratrohr 103 an der Luft (in der oxidierenden Atmosphäre) gesintert (Schritt S208). Die Sinterbedingungen sind insbesondere 1.100°C bis 1.250°C (zweite Sintertemperatur) für 1 bis 4 Stunden. Die zweite Brenntemperatur in Schritt S208 ist niedriger als die erste Sintertemperatur, wenn das Substratrohr 103 und die Gasabdichtungsfolie 117 in Schritt S205 gebildet werden. Durch das Sintern unter den oben beschriebenen Bedingungen wird die zweite Schicht 117b der Gasabdichtungsfolie 117 zusammen mit der Kathode 113 gebildet.
  • 10 ist ein tomographisches Bild der Gasabdichtungsfolie 117 für die Einzelbrennstoffzelle 101, die nach dem Herstellungsverfahren aus 9 hergestellt wurde. Da bei diesem Herstellungsverfahren die erste Schicht 117a, die auf der unteren Seite der Gasabdichtungsfolie 117 angeordnet ist, bei der hohen ersten Sintertemperatur gesintert wird, wie in 8 gezeigt, wurde bestätigt, dass die erste Schicht 117a als dichte Folie mit wenigen Hohlräumen innerhalb des Gewebes gebildet ist. Da andererseits die zweite Schicht 117b bei einer zweiten Sintertemperatur gesintert wird, die niedriger ist als die erste Sintertemperatur, wie in 8 gezeigt, wurde bestätigt, dass die zweite Schicht 117b als Folie ohne Risse oder Ablösungen gebildet wird, obwohl die zweite Schicht 117b mehr Hohlräume innerhalb des Gewebes aufweist als die erste Schicht 117a. Wie oben beschrieben, kann bei dem vorliegenden Herstellungsverfahren, da die zweite Schicht 117b bei einer niedrigen Temperatur im Vergleich zur ersten Schicht 117a gesintert wird, die Möglichkeit des Auftretens der Fehlstelle bzw. des Defekts, wie zum Beispiel Rissen, während der Herstellung wirksam verringert werden.
  • 9 zeigt beispielhaft den Fall, bei dem die erste Schicht 117a in Schritt S205 zuerst gebildet wird, da die erste Schicht 117a auf der unteren Schichtseite in der Gasabdichtungsfolie 117 angeordnet ist. Wenn jedoch die Schicht 117b auf der unteren Schichtseite in der Gasabdichtungsfolie 117 angeordnet ist, kann die zweite Schicht 117b in Schritt S205 zuerst gebildet werden. In diesem Fall wird die erste Schicht 117a in Schritt S208 gebildet.
  • Als nächstes wird die Brennstoffzellenkartusche 203 mit der oben beschriebenen Einzelbrennstoffzelle 101 beschrieben. 11 ist eine schematische Konfigurationsansicht der Brennstoffzellenkartusche 203 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Die Brennstoffzellen-Kartusche 203 umfasst die Vielzahl von Einzel-Brennstoffzellen 101, eine Stromerzeugungskammer 215, einen Brenngaszufuhrbehälter 217, einen Brenngasauslassbehälter 219, einen Oxidationsmittel-(Luft-)Behälter 221 und einen Oxidationsmittelauslassbehälter 223. Ferner umfasst die Brennstoffzellenkartusche 203 eine obere Rohrplatte 225a, eine untere Rohrplatte 225b, den oberen Wärmeisolationskörper 227a und den unteren Wärmeisolationskörper 227b. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Brenngaszufuhrbehälter 217, der Brenngasauslassbehälter 219, der Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 und der Oxidationsmittelauslassbehälter 223 wie in 11 gezeigt angeordnet, wodurch die Brennstoffzellenkartusche 203 eine Struktur aufweist, bei der das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb der Einzelbrennstoffzelle 101 entgegengesetzt strömen. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich, und das Brenngas und das Oxidationsgas können zum Beispiel auf der Innenseite und der Außenseite der Einzelbrennstoffzelle 101 parallel strömen, oder das Oxidationsgas kann in einer Richtung orthogonal zu der Längsrichtung der Einzelbrennstoffzelle 101 strömen.
  • Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, der zwischen dem oberen Wärmeisolationskörper 227a und dem unteren Wärmeisolationskörper 227b ausgebildet ist. Die Stromerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, in dem das Stromerzeugungsteil 105 der Einzelbrennstoffzelle 101 angeordnet ist, und ist ein Bereich, in dem das Brenngas und das Oxidationsgas elektrochemisch zur Stromerzeugung umgesetzt werden. Ferner wird eine Temperatur in der Nähe des zentralen Abschnitts der Stromerzeugungskammer 215 in der Längsrichtung der Einzelbrennstoffzelle 101 durch ein Temperaturmessungsteil (einen Temperatursensor, ein Thermoelement usw.) überwacht und während eines Dauerbetriebs in eine Hochtemperaturatmosphäre von etwa 700°C bis 1.000°C gebracht.
  • Der Brenngaszufuhrbehälter 217 ist ein Bereich, der von einem oberen Gehäuse 229a und der oberen Rohrplatte 225a der Brennstoffzellenkartusche 203 umgeben ist, und steht mit einem Brenngaszufuhrzweigrohr (nicht dargestellt) durch ein Brenngaszufuhrloch 231a in Verbindung, das im oberen Teil des oberen Gehäuses 229a angeordnet ist. Ferner sind die Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 mit der oberen Rohrplatte 225a durch ein Dichtungselement 237a verbunden, und der Brenngaszufuhrbehälter 217 ist derart eingerichtet, dass er das Brenngas, das über das Brenngaszufuhrloch 231a zugeführt wird, in die Substratrohre 103 der Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Strömungsrate einleitet und die Stromerzeugungsleistung der Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 im Wesentlichen vereinheitlicht.
  • Der Brenngasauslassbehälter 219 ist ein Bereich, der von einem unteren Gehäuse 229b und der unteren Rohrplatte 225b der Brennstoffzellen-Kartusche 203 umgeben ist, und steht mit einem Brenngasauslasszweigrohr (nicht dargestellt) durch ein Brenngasauslassloch 231b in Verbindung, das in dem unteren Gehäuse 229b vorgesehen ist. Ferner sind die Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 mit der unteren Rohrplatte 225b durch ein Dichtungselement 237b verbunden, und der Brenngasabgasbehälter 219 ist derart eingerichtet, dass er das Auslassbrenngas sammelt, das dem Brenngasabgasbehälter 219 durch das Innere der Substratrohre 103 der Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 zugeführt wird, und das gesammelte Auslassbrenngas über das Brenngasauslassloch 231b ausleitet.
  • Der Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 ist ein Bereich, der von dem unteren Gehäuse 229b, der unteren Rohrplatte 225b und dem unteren Wärmeisolationskörper 227b der Brennstoffzellenkartusche 203 umgeben ist und mit einem Oxidationsmittelzufuhrzweigrohr (nicht dargestellt) durch ein Oxidationsmittelzufuhrloch 233a in Verbindung steht, das in einer Seitenfläche des unteren Gehäuses 229b angeordnet ist. Der Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 ist derart eingerichtet, dass er die vorbestimmte Strömungsrate des Oxidationsgases, das von der Oxidationsmittelzufuhrzweigleitung (nicht dargestellt) über das Oxidationsmittelzufuhrloch 233a zugeführt wird, über einen später beschriebenen Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a in die Stromerzeugungskammer 215 einleitet.
  • Der Oxidationsmittelauslassbehälter 223 ist ein Bereich, der von dem oberen Gehäuse 229a, der oberen Rohrplatte 225a und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a der Brennstoffzellenkartusche 203 umgeben ist, und steht mit einem Oxidationsmittelauslasszweigrohr (nicht gezeigt) durch ein Oxidationsmittelauslassgasloch 233b in Verbindung, das in einer Seitenfläche des oberen Gehäuses 229a angeordnet ist. Der Oxidationsmittelauslassbehälter 223 ist derart eingerichtet, dass er das oxidierte Abgas, das dem Oxidationsmittelauslassbehälter 223 über einen später beschriebenen Oxidationsmittelauslassspalt 235b zugeführt wird, von der Stromerzeugungskammer 215 über die Oxidationsmittelauslassöffnung 233b in das Oxidationsmittelauslasszweigrohr (nicht dargestellt) einleitet.
  • Die obere Rohrplatte 225a ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a so befestigt, dass die obere Rohrplatte 225a, eine obere Platte des oberen Gehäuses 229a und der obere Wärmeisolationskörper 227a im Wesentlichen parallel zueinander zwischen der oberen Platte des oberen Gehäuses 229a und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a sind. Ferner weist die obere Rohrplatte 225a eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der Brennstoffzellenkartusche 203 vorgesehenen Einzelbrennstoffzellen 101 entsprechen, und die Einzelbrennstoffzellen 101 werden jeweils in die Löcher eingesetzt. Die obere Rohrplatte 225a ist derart eingerichtet, dass sie einen Endabschnitt jeder der Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 entweder über das Dichtungselement 237a oder über ein Klebematerial oder über beides luftdicht abstützt und den Brenngaszufuhrbehälter 217 vom Oxidationsmittelauslassbehälter 223 isoliert.
  • Der obere Wärmeisolationskörper 227a ist an einem unteren Endabschnitt des oberen Gehäuses 229a derart angeordnet, dass der obere Wärmeisolationskörper 227a, die obere Platte des oberen Gehäuses 229a und die obere Rohrplatte 225a im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des oberen Gehäuses 229a befestigt. Des Weiteren umfasst der obere Wärmeisolationskörper 227a eine Vielzahl von Oxidationsmittelauslassspalten 235b, die der Anzahl der Einzelbrennstoffzellen 101 in der Brennstoffzellenkartusche 203 entsprechen. Jeder der Oxidationsmittelauslassspalte 235b ist in Form eines Lochs in dem oberen Wärmeisolationskörper 227a ausgebildet, und ein Durchmesser des Oxidationsmittelauslassspalts 235b ist größer als ein Außendurchmesser der Einzelbrennstoffzelle 101, die durch den Oxidationsmittelauslassspalt 235b hindurchgeht, eingestellt.
  • Der obere Wärmeisolationskörper 227a ist derart eingerichtet, dass er die Stromerzeugungskammer 215 und den Oxidationsmittelauslassbehälter 223 trennt und eine Zunahme der Korrosion durch ein im Oxidationsgas enthaltenes Oxidationsmittel oder eine Abnahme der Festigkeit aufgrund einer erhöhten Temperatur der Atmosphäre um die obere Rohrplatte 225a herum verhindert. Die obere Rohrplatte 225a oder dergleichen ist aus einem Metallmaterial, wie zum Beispiel Inconel, gebildet, das eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, und der obere Wärmeisolationskörper 227a ist derart eingerichtet, dass er eine thermische Verformung verhindert, die dadurch verursacht wird, dass die obere Rohrplatte 225a oder dergleichen einer hohen Temperatur in der Stromerzeugungskammer 215 ausgesetzt wird und eine Temperaturdifferenz in der oberen Rohrplatte 225a oder ähnlichem erhöht. Ferner ist der obere Wärmeisolationskörper 227a derart eingerichtet, dass er ein oxidiertes Abgas, das die Stromerzeugungskammer 215 durchquert hat und der hohen Temperatur ausgesetzt war, durch den Oxidationsmittelauslassspalt 235b in den Oxidationsmittelauslassbehälter 223 einleitet.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der oben beschriebenen Struktur der Brennstoffzellenkartusche 203 das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb der Einzelbrennstoffzelle 101 entgegengesetzt. Folglich tauscht das oxidierte Abgas Wärme mit dem Brenngas aus, das der Stromerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 zugeführt wird, wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die obere Rohrplatte 225a oder ähnliches, die aus dem Metallmaterial hergestellt ist, keiner Verformung, wie zum Beispiel Knicken, unterworfen ist, und wird dem Oxidationsmittelauslassbehälter 223 zugeführt. Ferner wird die Temperatur des Brenngases durch den Wärmeaustausch mit dem oxidierten Abgas, das aus der Stromerzeugungskammer 215 ausgeleitet und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt wird, erhöht. Dadurch kann das Brenngas, das vorgewärmt und auf eine für die Stromerzeugung geeignete Temperatur gebracht ist, ohne dass eine Heizung oder ähnliches verwendet werden muss, der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt werden.
  • Wie oben beschrieben ist der obere Wärmeisolationskörper 227a derart eingerichtet, dass die in den Oxidationsmittelauslassspalt 235b eingesetzte Einzelbrennstoffzelle 101 keinen kleinen Spalt aufweist. Die Außenfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 kann jedoch den oberen Wärmeisolationskörper 227a berühren, zum Beispiel aufgrund des Einflusses der Wärmeausdehnung während des Betriebs. Da sich die Gasabdichtungsfolie 117 der Einzelbrennstoffzelle 101 über den Oxidationsmittelabzugsspalt 235b in dem Bereich befindet, der dem oberen Wärmeisolationskörper 227a gegenüberliegt, kann der Leckstrom Ileak, der durch die Potentialdifferenz zwischen der Einzelbrennstoffzelle 101 und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a verursacht wird, durch die erste Gasabdichtungsfolie 117a, die eine niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweist, effektiver unterdrückt werden, selbst wenn die Außenfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 den oberen Wärmeisolationskörper 227a berührt. Ferner kann der obere Wärmeisolationskörper 227a kolloidales Siliziumdioxid zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Na zur Stabilisierung des kolloidalen Siliziumdioxids enthalten. In diesem Fall, wenn die äußere Oberfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 den oberen Wärmeisolationskörper 227a berührt, können sich Kationen wie Na, die in dem oberen Wärmeisolationskörper 227a enthalten sind, in der Richtung der Einzelbrennstoffzelle 101 bewegen und den Leckstrom Ileak verursachen. Mit der dazwischenliegenden Gasabdichtungsfolie 117 an der genannten Position ist es jedoch auch möglich, eine solche Bewegung der Kationen wirksam zu unterdrücken.
  • Die untere Rohrplatte 225b ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b so befestigt, dass die untere Rohrplatte 225b, eine Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und der untere Wärmeisolationskörper 227b im Wesentlichen parallel zueinander zwischen der Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und dem unteren Wärmeisolationskörper 227b liegen. Ferner weist die untere Rohrplatte 225b eine Vielzahl von Löchern auf, die der Anzahl der in der Brennstoffzellenkartusche 203 vorgesehenen Einzelbrennstoffzellen 101 entsprechen, und die Einzelbrennstoffzellen 101 werden jeweils in die Löcher eingesetzt. Die untere Rohrplatte 225b ist derart eingerichtet, dass sie einen anderen Endabschnitt jeder der Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen 101 über das Dichtungselement 237b oder das Klebematerial oder beides luftdicht abstützt und den Brenngasabgasbehälter 219 von dem Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 isoliert.
  • Der untere Wärmeisolationskörper 227b ist an einem oberen Endabschnitt des unteren Gehäuses 229b derart angeordnet, dass der untere Wärmeisolationskörper 227b, die Bodenplatte des unteren Gehäuses 229b und die untere Rohrplatte 225b im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an den Seitenplatten des unteren Gehäuses 229b befestigt. Ferner enthält der untere Wärmeisolationskörper 227b eine Vielzahl von Oxidationsmittel-Zufuhrspalten 235a, die der Anzahl der Einzelbrennstoffzellen 101 entsprechen, die in der Brennstoffzellenkartusche 203 vorgesehen sind. Jeder der Oxidationsmittelzufuhrspalte 235a ist in Form eines Lochs im unteren Wärmeisolationskörper 227b ausgebildet, und ein Durchmesser des Oxidationsmittelzufuhrspalts 235a ist größer als der Außendurchmesser der Einzelbrennstoffzelle 101, die durch den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a hindurchgeht.
  • Der untere Wärmeisolationskörper 227b ist derart eingerichtet, dass er die Stromerzeugungskammer 215 und den Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 trennt und die Zunahme der Korrosion durch das im Oxidationsgas enthaltene Oxidationsmittel oder die Abnahme der Festigkeit aufgrund einer erhöhten Temperatur der Atmosphäre um die untere Rohrplatte 225b unterdrückt. Die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen ist aus einem Metallmaterial, wie zum Beispiel Inconel, gebildet, das eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, und der untere Wärmeisolationskörper 227b ist derart eingerichtet, dass er eine thermische Verformung verhindert, die dadurch verursacht wird, dass die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen einer hohen Temperatur ausgesetzt wird und eine Temperaturdifferenz in der unteren Rohrplatte 225b oder dergleichen erhöht wird. Ferner ist der untere Wärmeisolationskörper 227b derart eingerichtet, dass er das Oxidationsgas, das dem Oxidationsmittelzufuhrbehälter 221 zugeführt wird, durch den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a in die Stromerzeugungskammer 215 einleitet.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der oben beschriebenen Struktur der Brennstoffzellenkartusche 203 das Brenngas und das Oxidationsgas innerhalb und außerhalb der Einzelbrennstoffzelle 101 entgegengesetzt. Folglich tauscht das Auslassbrenngas, das durch die Stromerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 hindurchgetreten ist, Wärme mit dem Oxidationsgas aus, das der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt wird, und wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die untere Rohrplatte 225b oder dergleichen, die aus dem Metallmaterial hergestellt ist, keiner Verformung, wie zum Beispiel Knicken, unterworfen ist, und wird dem Brenngasauslassbehälter 219 zugeführt. Ferner wird die Temperatur des Oxidationsgases durch den Wärmeaustausch mit dem Auslassbrenngas erhöht und der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt. Dadurch kann das Oxidationsgas, das auf eine für die Stromerzeugung benötigte Temperatur erhöht wird, ohne die Heizung oder dergleichen zu verwenden, der Stromerzeugungskammer 215 zugeführt werden.
  • Ferner ist der untere Wärmeisolationskörper 227b, wie oben beschrieben, eingerichtet, dass die in den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a eingesetzte Einzelbrennstoffzelle 101 keinen kleinen Spalt aufweist. Die Außenfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 kann jedoch den unteren Wärmeisolationskörper 227b berühren, zum Beispiel aufgrund des Einflusses der thermischen Ausdehnung während des Betriebs. Da sich die Gasabdichtungsfolie 117 der Einzelbrennstoffzelle 101 über den Oxidationsmittelzufuhrspalt 235a in dem Bereich befindet, der dem unteren Wärmeisolationskörper 227b gegenüberliegt, kann der Leckstrom Ileak, der durch die Potentialdifferenz zwischen der Einzelbrennstoffzelle 101 und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a verursacht wird, durch die erste Schicht der Gasabdichtungsfolie 117a, die eine niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweist, effektiver unterdrückt werden, selbst wenn die Außenfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 den unteren Wärmeisolationskörper 227b berührt. Ferner kann der untere Wärmeisolationskörper 227b kolloidale Kieselsäure zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Na zur Stabilisierung der kolloidalen Kieselsäure enthalten. In diesem Fall, wenn die äußere Oberfläche der Einzelbrennstoffzelle 101 den unteren Wärmeisolationskörper 227b berührt, können sich Kationen wie Na, die in dem unteren Wärmeisolationskörper 227b enthalten sind, in Richtung der Einzelbrennstoffzelle 101 bewegen und den Leckstrom Ileak verursachen. Mit der dazwischenliegenden Gasabdichtungsfolie 117 an der genannten Position ist es jedoch auch möglich, eine solche Bewegung der Kationen wirksam zu unterdrücken.
  • Nachdem der Gleichstrom, der in der Stromerzeugungskammer 215 erzeugt wurde, durch den Leiterfolie 115, der aus Ni/YSZ oder ähnlichem gebildet ist und in der Vielzahl der Stromerzeugungsteile 105 angeordnet ist, in die Nähe des Endabschnitts der Einzelbrennstoffzelle 101 abgeleitet wurde, wird sie über eine Stromabnehmerplatte (nicht gezeigt) zu einem Stromabnehmerstab (nicht gezeigt) der Brennstoffzellenkartusche 203 geleitet und aus jeder Einzelbrennstoffzellenkartusche 203 herausgenommen. Der Gleichstrom, der durch den Stromabnehmerstab zur Außenseite der Brennstoffzellenkassette 203 abgeleitet wird, verbindet die erzeugten Ströme der jeweiligen Brennstoffzellenkassetten 203 durch eine vorbestimmte Seriennummer und Parallelnummer miteinander und wird zur Außenseite abgeleitet, wird durch eine Stromumwandlungsvorrichtung (einen Wechselrichter oder dergleichen), wie einen Stromaufbereiter (nicht dargestellt), in einen vorbestimmten Wechselstrom umgewandelt und wird einem Stromzufuhrziel (zum Beispiel einem Lastsystem oder einem Stromzufuhrsystem) zugeführt.
  • Im Übrigen ist es, ohne vom Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, möglich, die Bestandteile der oben beschriebenen Ausführungsformen durch bekannte Bestandteile je nach Bedarf zu ersetzen, und ferner können die oben beschriebenen Ausführungsformen nach Bedarf kombiniert werden.
  • Die in den obigen Ausführungsformen beschriebenen Inhalte sind zum Beispiel wie folgt zu verstehen.
  • (1) Eine Einzelbrennstoffzelle (wie die Einzelbrennstoffzelle 101 der oben beschriebenen Ausführungsform) gemäß einem Aspekt weist auf: ein Stromerzeugungsteil (wie das Stromerzeugungsteil 105 der oben beschriebenen Ausführungsform), in dem eine Anode (wie die Anode 109 der oben beschriebenen Ausführungsform), ein Elektrolyt (wie der Elektrolyt 111 der oben beschriebenen Ausführungsform) und eine Kathode (wie die Kathode 113 der oben beschriebenen Ausführungsform) gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil (wie das Nicht-Stromerzeugungsteil 110 der oben beschriebenen Ausführungsform), das den Stromerzeugungsteil nicht aufweist; und eine Gasabdichtungsfolie (wie den Gasabdichtungsfolie 117 der oben beschriebenen Ausführungsform), um eine Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils zumindest teilweise abzudecken. Die Gasabdichtungsfolie umfasst eine erste Schicht (wie die erste Schicht 117a der oben beschriebenen Ausführungsform) und eine zweite Schicht (wie die zweite Schicht 117b der oben beschriebenen Ausführungsform), die aufeinander laminiert sind. Die erste Schicht hat eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht. Die zweite Schicht hat eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht.
  • Bei dem obigen Aspekt (1) hat die Gasabdichtungsfolie zum Abdecken der Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils eine laminierte Struktur, welche die erste Schicht und die zweite Schicht aufweist. Da die erste Schicht derart eingerichtet ist, dass sie eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht aufweist, ist es möglich, den Leckstrom, der durch die Potentialdifferenz zwischen der ersten Schicht und der peripheren Komponente verursacht werden kann, effektiv zu verringern. Da die zweite Schicht derart eingerichtet ist, dass sie eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht aufweist, wird die Bewegung von Sauerstoffionen über die Gasabdichtungsfolie unterdrückt. Da die Einzelbrennstoffzelle den Gasabdichtungsfolie mit einer solchen Konfiguration enthält, ist es möglich, den Leckstrom zur peripheren Komponente zu unterdrücken und gleichzeitig zu verhindern, dass Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases zu der Brenngasseite eindringen.
  • (2) In einem anderen Aspekt des obigen Aspekts (1) ist die zweite Schicht auf der ersten Schicht angeordnet.
  • Mit dem obigen Aspekt (2) kann, falls die periphere Komponente die Außenseite der Einzelbrennstoffzelle berührt, der Leckstrom Ileak, der durch die Potentialdifferenz zwischen der Einzelbrennstoffzelle 101 und dem oberen Wärmeisolationskörper 227a verursacht wird, durch die erste Schicht 117a der Gasabdichtungsfolie mit niedriger elektronischer Leitfähigkeit effektiver unterbunden werden. Wenn die periphere Komponente die Außenseite der Einzelbrennstoffzelle berührt, kann das Eindringen von Sauerstoffionen von der Außenseite der Zelle wirksamer unterbunden werden, indem die zweite Schicht 117b mit niedriger Sauerstoffionenleitfähigkeit zwischen der ersten Schicht 117a und der peripheren Komponente eingefügt wird.
  • (3) In einem weiteren Aspekt des obigen Aspekts (1) oder (2) umfasst das Nicht-Stromerzeugungsteil einen Leiterfolie (wie die Leiterfolie 115 der oben beschriebenen Ausführungsform), die elektrisch mit dem Stromerzeugungsteil verbunden ist, das sich in einem Endabschnitt befindet, und die Gasabdichtungsfolie ist derart eingerichtet, dass sie zumindest teilweise eine Oberfläche der Leiterfolie bedeckt.
  • In dem obigen Aspekt (3) ist die Gasabdichtungsfolie derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise die Oberfläche der Leiterfolie bedeckt, die elektrisch mit dem Stromerzeugungsteil verbunden ist, das sich in dem Anfangsendabschnitt befindet. Dadurch ist es möglich, das Eindringen von Sauerstoffionen in die Leiterfolie und das Auftreten des Leckstroms wirksam zu unterdrücken.
  • (4) In einem anderen Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (3), umfasst das Nicht-Stromerzeugungsteil einen Interkonnektor bzw. eine Zwischenverbindung (wie den Interkonnektor 107 der oben beschriebenen Ausführungsform) zum elektrischen Verbinden der Stromerzeugungsteile, und die Gasabdichtungsfolie ist derart eingerichtet, dass sie zumindest teilweise eine Oberfläche des Interkonnektors bedeckt.
  • Bei dem obigen Aspekt (4) ist die Gasabdichtungsfolie derart angeordnet, dass sie zumindest teilweise die Oberfläche des Interkonnektors zur elektrischen Verbindung der Stromerzeugungsteile bedeckt. Dadurch ist es möglich, das Eindringen von Sauerstoffionen in den Interkonnektor und das Auftreten von Leckstrom wirksam zu unterdrücken.
  • (5) In einem anderen Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (4), weist die erste Schicht stabilisiertes Zirkoniumdioxid auf (allgemeiner Begriff für homogenes Phasenzirkoniumdioxid, in dem ein Metalloxid mit einer anderen Wertigkeit als Zirkonium fest gelöst ist).
  • Bei dem obigen Aspekt (5), da die erste Schicht derart eingerichtet ist, dass sie YSZ mit niedriger elektronischer Leitfähigkeit enthält, ist es möglich, die Einzelbrennstoffzelle zu erhalten, die in der Lage ist, den Leckstrom effektiv zu unterdrücken.
  • (6) In einem anderen Aspekt, in einem der obigen Aspekte (1) bis (5), enthält die zweite Schicht MTiO3 (M: Erdalkalimetall).
  • Mit dem obigen Aspekt (6), da die zweite Schicht derart eingerichtet ist, dass sie MTiO3 mit niedriger elektronischer Leitfähigkeit enthält, ist es möglich, die Einzelbrennstoffzelle zu erhalten, die in der Lage ist, das Eindringen von Sauerstoffionen von der Seite des Oxidationsgases zur Seite des Brenngases wirksam zu unterdrücken.
  • (7) Eine Brennstoffzellenkartusche (wie die Brennstoffzellenkartusche 203 der oben beschriebenen Ausführungsform) gemäß einem Aspekt weist auf: die Einzelbrennstoffzelle gemäß einem der obigen Aspekte (1) bis (6); und einen Wärmeisolationskörper (wie den oberen Wärmeisolationskörper 227a, den unteren Wärmeisolationskörper 227b der oben beschriebenen Ausführungsform), der eine Stromerzeugungskammer (wie die Stromerzeugungskammer 215 der oben beschriebenen Ausführungsform) einschließlich der Einzelbrennstoffzelle umgibt. Die Gasabdichtungsfolie ist zwischen der Oberfläche und dem Wärmeisolationskörper angeordnet.
  • Bei dem obigen Aspekt (7) ist die Gasabdichtungsfolie mit der obigen Konfiguration derart angeordnet, dass sie zwischen der Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils und dem Wärmeisolationskörper angeordnet ist. Wenn also die Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils, an der die Gasabdichtungsfolie angeordnet ist, den Wärmeisolationskörper berührt, ist es möglich, den Leckstrom oder die Sauerstoffionenbewegung zwischen der Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils und dem Wärmeisolationskörper wirksam zu unterdrücken.
  • (8) Ein Herstellungsverfahren für eine Einzelbrennstoffzelle (wie die Einzelbrennstoffzelle 101 der oben beschriebenen Ausführungsform) gemäß einem Aspekt, wobei die Einzelbrennstoffzelle umfasst: ein Stromerzeugungsteil (wie das Stromerzeugungsteil 105 der oben beschriebenen Ausführungsform), in dem eine Anode (wie die Anode 109 der oben beschriebenen Ausführungsform), ein Elektrolyt (wie der Elektrolyt 111 der oben beschriebenen Ausführungsform) und eine Kathode (wie die Kathode 113 der oben beschriebenen Ausführungsform) gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil (wie das Nicht-Stromerzeugungsteil 110 der oben beschriebenen Ausführungsform), das den Stromerzeugungsteil nicht aufweist; ein Gasabdichtungsfolie (wie die Gasabdichtungsfolie 117 der oben beschriebenen Ausführungsform) zum zumindest teilweisen Abdecken einer Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils; und ein Substratrohr (wie das Substratrohr 103 der oben beschriebenen Ausführungsform) zum Tragen des Stromerzeugungsteils, des Nicht-Stromerzeugungsteils und der Gasabdichtungsfolie, wobei die Gasabdichtungsfolie eine erste Schicht (wie die erste Schicht 117a der oben beschriebenen Ausführungsform) und eine zweite Schicht (wie die zweite Schicht 117b der oben beschriebenen Ausführungsform) aufweist, die aufeinander laminiert sind, die erste Schicht eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht aufweist, die zweite Schicht eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht aufweist, wobei das Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle umfasst: einen Schritt zum Auftragen einer Aufschlämmung des Auftragen einer ersten Aufschlämmung, die ein Material ist, das die erste Schicht bildet, und/oder einer zweiten Aufschlämmung, die ein Material ist, das die zweite Schicht bildet, auf eine Oberfläche des Substratrohrs, die dem Nicht-Stromerzeugungsteil entspricht; und einen Brennschritt des Brennens der ersten Aufschlämmung und/oder der zweiten Aufschlämmung zusammen mit einer dritten Aufschlämmung, die auf eine Oberfläche des Substratrohrs, die dem Stromerzeugungsteil entspricht, aufgetragen wird und ein Material ist, das die Anode und den Elektrolyten bildet.
  • Bei dem obigen Aspekt (8) wird in der Brennstoffzelle mit der obigen Konfiguration die erste Schicht und/oder die zweite Schicht, welche die Gasabdichtungsfolie bilden, zusammen mit der Anode und dem Elektrolyten in dem Stromerzeugungsteil gebrannt. Da die Sintertemperaturen der Anode und des Elektrolyten in dem Stromerzeugungsteil relativ hoch sind, wird die Gasabdichtungsfolie in diesem Aspekt ebenfalls bei einer hohen Sintertemperatur gebildet. Infolgedessen ist es möglich, die Gasabdichtungsfolie mit einer höheren Dichte zu erhalten, wodurch die Einzelbrennstoffzelle eine gute Sauerstoff-Ionen-Isolationseigenschaft aufweist. Ferner ist es möglich, die Anzahl der Schritte zur Herstellung der Einzelbrennstoffzelle zu verringern, was sich vorteilhaft auf die Kosten auswirkt.
  • (9) In einem anderen Aspekt des obigen Aspekts (8) umfasst der Schritt des Auftragens der Aufschlämmung das Auftragen der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche, und der Schritt des Brennens umfasst das Brennen der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung zusammen mit der dritten Aufschlämmung.
  • Bei dem obigen Aspekt (9) werden sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht, die den Gasabdichtungsfolie bilden, zusammen mit der Anode und dem Elektrolyten in dem Stromerzeugungsteil gebrannt. Auf diese Weise ist es möglich, die Dichte sowohl der ersten Schicht als auch der zweiten Schicht zu erhöhen, um eine Einzelbrennstoffzelle mit einer besseren Sauerstoffionen-Isolationseigenschaft zu erhalten. Ferner ist es möglich, die Anzahl der Schritte zur Herstellung der Einzelbrennstoffzelle weiter zu verringern, und es ist möglich, die Einzelbrennstoffzelle mit der obigen Konfiguration zu niedrigeren Kosten zu erhalten.
  • (10) In einem anderen Aspekt des obigen Aspekts (8) umfasst der Schritt des Auftragens der Aufschlämmung das Auftragen der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche, und der Schritt des Brennens umfasst das Brennen der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung zusammen mit der dritten Aufschlämmung.
  • Bei dem obigen Aspekt (10) wird die erste oder die zweite Schicht der Gasabdichtungsfolie zusammen mit der Anode und dem Elektrolyten in dem Stromerzeugungsteil gebrannt. Dadurch, dass jede Schicht, aus der die Gasabdichtungsfolie gebildet ist, einzeln gebrannt wird, ist es möglich, eine Gasabdichtungsfolie von höherer Qualität zu erhalten.
  • (11) In einem anderen Aspekt des obigen Aspekts (10) wird nach dem Brennschritt der Gasabdichtungsfolie gebildet, indem die andere der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche des nicht energieerzeugenden Teils aufgetragen wird und die andere der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung bei einer Temperatur gebrannt wird, die niedriger ist als eine Temperatur in dem Brennschritt.
  • Bei dem obigen Aspekt (11) wird die andere Schicht der Gasabdichtungsfolie, die nicht zusammen mit der Anode und dem Elektrolyten in dem Stromerzeugungsteil gebrannt wird, nach dem Brennschritt der einen Schicht bei einer niedrigeren Brenntemperatur gebrannt. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten eines Defekts, wie zum Beispiel eines Risses, während des Brennens zu verhindern, und es ist möglich, die Gasabdichtungsfolie von höherer Qualität zu erhalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Einzelbrennstoffzelle
    103
    Substratrohr
    105
    Stromerzeugungsteil
    107
    Interkonnektor
    109
    Anode
    110
    Nicht-Stromerzeugungsteil
    111
    Elektrolyt
    113
    Kathode
    115
    Leiterfolie
    117
    Gasabdichtungsfolie
    117a
    erste Schicht
    117b
    zweite Schicht
    120
    Stromkollektorteil
    130
    Ausgangsende
    132
    Messlinie
    134
    Spannungsprüfgerät
    136
    Stromzufuhr
    138
    Leckstrom-Messungsteil
    203
    Brennstoffzellenkartusche
    215
    Stromerzeugungskammer
    217
    Brenngaszufuhrbehälter
    219
    Brenngasauslassbehälter
    221
    Oxidationsmittelzufuhrbehälter
    223
    Oxidationsmittelauslassbehälter
    225a
    Obere Rohrplatte
    225b
    untere Rohrplatte
    227
    Wärmeisolationskörper
    227a
    oberer Wärmeisolationskörper
    227b
    unterer Wärmeisolationskörper
    229a
    oberes Gehäuse
    229b
    unteres Gehäuse
    231a
    Brenngaszufuhrloch
    231b
    Brennstoffauslassloch
    233a
    Oxidationsmittelzufuhrloch
    233b
    Oxidationsmittelauslassöffnung
    235a
    Oxidationsmittelzufuhrspalt
    235b
    Oxidationsmittelauslassspalt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2020 [0001]
    • JP 218971 [0001]
    • JP 6633236 B [0005]

Claims (11)

  1. Einzelbrennstoffzelle, umfassend: ein Stromerzeugungsteil, in welchem eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil, welches das Stromerzeugungsteil nicht aufweist; und eine Gasabdichtungsfolie zum zumindest teilweise Bedecken einer Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils, wobei die Gasabdichtungsfolie eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweist, die aufeinander laminiert sind, wobei die erste Schicht eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht aufweist, und wobei die zweite Schicht eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht aufweist.
  2. Einzelbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Schicht auf der ersten Schicht angeordnet ist.
  3. Einzelbrennstoffzelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Nicht-Stromerzeugungsteil eine Leiterfolie aufweist, die elektrisch mit dem Stromerzeugungsteil verbunden ist, die sich in einem Endabschnitt befindet, und wobei die Gasabdichtungsfolie eingerichtet ist, zumindest teilweise eine Oberfläche der Leiterfolie zu bedecken.
  4. Einzelbrennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Nicht-Stromerzeugungsteil einen Interkonnektor zur elektrischen Verbindung der Stromerzeugungsteile aufweist, und wobei die Gasabdichtungsfolie eingerichtet ist, eine Oberfläche des Verbindungsstücks zumindest teilweise zu bedecken.
  5. Einzelbrennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schicht stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthält.
  6. Einzelbrennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Schicht MTiO3 (M: Erdalkalimetall) enthält.
  7. Brennstoffzellenkartusche, umfassend: die Einzelbrennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6; und einen Wärmeisolationskörper, der eine Stromerzeugungskammer mit der Einzelbrennstoffzelle umgibt, wobei die Gasabdichtungsfolie an einer dem Wärmeisolationskörper gegenüberliegenden Position angeordnet ist.
  8. Herstellungsverfahren für eine Einzelbrennstoffzelle, umfassend: ein Stromerzeugungsteil, in welchem eine Anode, ein Elektrolyt und eine Kathode gestapelt sind; ein Nicht-Stromerzeugungsteil, welches das Stromerzeugungsteil nicht aufweist; eine Gasabdichtungsfolie zum zumindest teilweise Bedecken einer Oberfläche des Nichtstromerzeugungsteils; und ein Substratrohr zum Tragen des Stromerzeugungsteils, des Nicht-Stromerzeugungsteils und der Gasabdichtungsfolie, wobei die Gasabdichtungsfolie eine erste und eine zweite Schicht aufweist, die aufeinander laminiert sind, die erste Schicht eine geringere elektronische Leitfähigkeit als die zweite Schicht hat, die zweite Schicht eine geringere Sauerstoffionenleitfähigkeit als die erste Schicht aufweist, wobei das Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle umfasst: einen Schritt des Auftragens einer Aufschlämmung, bei dem eine erste Aufschlämmung, bei der es sich um ein Material handelt, das die erste Schicht bildet, und/oder eine zweite Aufschlämmung, bei der es sich um ein Material handelt, das die zweite Schicht bildet, auf eine Oberfläche des Substratrohrs aufgetragen wird, die dem Nicht-Stromerzeugungsteil entspricht; und einen Brennschritt, bei dem die erste Aufschlämmung und/oder die zweite Aufschlämmung zusammen mit einer dritten Aufschlämmung gebrannt wird, welche auf eine Oberfläche des Substratrohrs aufgetragen wird, die dem Stromerzeugungsteil entspricht und ein Material ist, das die Anode und den Elektrolyten bildet.
  9. Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt des Auftragens der Aufschlämmung das Auftragen der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche umfasst, und wobei der Brennschritt das Brennen der ersten Aufschlämmung und der zweiten Aufschlämmung zusammen mit der dritten Aufschlämmung umfasst.
  10. Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt des Auftragens der Aufschlämmung das Auftragen der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche umfasst, und wobei der Brennschritt das Brennen des ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung zusammen mit der dritten Aufschlämmung umfasst.
  11. Herstellungsverfahren für die Einzelbrennstoffzelle gemäß Anspruch 10, wobei nach dem Brennschritt die Gasabdichtungsfolie gebildet wird, indem die jeweils andere der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung auf die Oberfläche des Nicht-Stromerzeugungsteils aufgetragen wird und jeweils die andere der ersten Aufschlämmung oder der zweiten Aufschlämmung bei einer Temperatur gebrannt wird, die niedriger ist als eine Temperatur in dem Brennschritt.
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