DE60318146T2

DE60318146T2 - Zellenkörper für Brennstoffzelle und deren Herstellung

Info

Publication number: DE60318146T2
Application number: DE60318146T
Authority: DE
Inventors: Naoki Yokohama-shi Hara; Itaru Kamakura-shi SHIBATA; Makoto Miura-shi Uchiyama
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-01
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: JP2003323901A; US20030207166A1; EP1359635A1; JP3940946B2; EP1359635B1; US7354676B2; DE60318146D1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschichtfestoxidbrennstoffzelle, die einen Metallträger verwendet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Zellkörper für eine Brennstoffzelle, der geeignet ist, ein Zellelement (eine Einzelzelle) und einen Gasstromweg an jeder beliebigen Position auf dem Metallträger zu bilden, und geeignet ist, eine Brennstoffzelle zu erhalten, die ausgezeichnet in ihrer Leistungsdichte pro Volumen bei niedrigen Kosten ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Zellkörpers und eine Festoxidbrennstoffzellenanordnung, die einen solchen Zellkörper verwendet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den letzten Jahren erhielten Brennstoffzellen Aufmerksamkeit als saubere Energiequelle, die hocheffizient in der Erzeugung von elektrischer Energie ist, lediglich wenig giftige Abgase erzeugt und umweltfreundlich ist.
Unter einer Vielzahl von Brennstoffzellen verwendet eine Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden bezeichnet als „SOFC"), einen Oxidion-leitenden Festelektrolyt, wie ein Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (im Folgenden bezeichnet als „YSZ!") als Elektrolyt. Die SOFC ist eine Brennstoffzelle, in der die Elektroden mit durchdringenden Gasen auf beiden Oberflächen bereitgestellt werden und Brennstoffgas wie Wasserstoff und Kohlenwasserstoff einer Elektrode zugeführt wird und Sauerstoff oder Luft der anderen Elektrode zugeführt wird, wobei der Festelektrolyt als Zwischenwand verwendet wird, so dass elektrische Energie erzeugt wird.
stoff und Kohlenwasserstoff einer Elektrode zugeführt wird und Sauerstoff oder Luft der anderen Elektrode zugeführt wird, wobei der Festelektrolyt als Zwischenwand verwendet wird, so dass elektrische Energie erzeugt wird.
Die Betriebstemperatur der gewöhnlichen SOFC liegt näherungsweise bei 1000°C, da die Ionenleitfähigkeit einer Festelektrolytschicht davon nicht ausreichend ist, wenn die Temperatur der Festelektrolytschicht nicht hoch ist. Deshalb hatte die gewöhnliche SOFC Probleme bezüglich der Sicherheit, Zuverlässigkeit bei ihrem Betrieb und hoher Kosten für die hochtemperaturbeständigen Materialien und dergleichen.
Dementsprechend wurde die Realisierung eines SOFC-Betriebs bei niedriger Temperatur als wichtige Aufgabe aufgenommen. Fortschritte wurden in der Entwicklung eines Festelektrolytmaterials gemacht, das eine hohe Ionenleitfähigkeit selbst bei niedriger Temperatur bereitstellt und in der Entwicklung einer Dünnschichtelektrolyt-SOFC, die eine dünne Festelektrolytschicht verwendet und eine Überspannung der Festelektrolytschicht selbst bei niedriger Temperatur reduziert.
Bei der Entwicklung eines solchen Festelektrolytmaterials, das eine hohe Ionenleitfähigkeit bei niedriger Temperatur bereitstellt wurde, z. B. ein Festelektrolytmaterial, das einen Perovskitoxid wie LaSrGaMgO₃ und dergleichen verwendet, entwickelt, und es wurde ein Material, das bei 600°C eine gleichwertige Ionenleitfähigkeit wie die oben beschriebene YSZ, die bei 1000°C betrieben wird, aufweist, vorgeschlagen.
In der Zwischenzeit wurde eine Entwicklung der Dünnschichtelektrolyt-SOFC in D. Ghosh et al.; Electrochemical Society Proceedings, Bd. 99-19 vorgestellt. In dieser Literatur wird ein Brennstoffelektrodenmaterial als Grundmaterial verwendet und eine Elektrolytschicht, die eine Dicke aufweist, die nicht dünner ist als die Spalthohlräume auf der Oberfläche des Brennstoffelektrodenmaterials, wird darauf aufgedruckt und darauf gesintert, und dadurch die Dünnschichtelektrolyt-SOFC erzeugt, wobei die Verkleinerung der Festelektrolytschicht realisiert wird. In dieser Struktur ist es jedoch extrem schwierig, die Elektrolytschicht so zu bilden, dass sie nicht mehr als 5 μm beträgt, da die Dicke der Elektrolytschicht von den Hohlräumen des gesinterten Körpers, der die Festelektrolytschicht bildet, abhängt.
Deshalb wurde ein neues Abscheideverfahren wie ein elektrochemisches Abscheiden aus der Dampfphase (EVD-Verfahren) für die Oberfläche eines porösen Materials (S. C. Singhal,; Electrochemical Society Proceedings, Bd. 97-18) vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner extrem langsamen Abscheidungsrate nicht praktikabel.
Eine Aufgabe der Dünnschichtelektrolyt-SOFC ist es, eine dichte Dünnschichtfestelektrolytschicht, die nicht von Gasen durchdrungen wird, auf einer porösen Elektrodenoberfläche, die eine Vielzahl an Holräumen hat, zu bilden. Die japanische Offenlegungsschrift Nr. H6-88199 (1994) schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-beschichteten porösen Metallmaterials vor und wird weiter unten beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine vorbestimmte dünne Schicht auf einen Metallträger, der aus einem gesinterten Körper besteht, beschichtet, der erhalten wird indem in einer Metallmatrix ein brennbares Material, wie Kohlenstofffaser und kristalline Cellulose und ein lösliches Material wie Aluminium und lösliche Glasfaser oder dergleichen, verteilt wird. Dann wird eine dispergierte Phase durch Erhitzen oder chemische Behandlung entfernt, so dass der Metallträger porös gemacht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei dem Verfahren wie oben beschrieben, bei dem ein Substrat, das durch Sintern einer Metallmatrix und einer dispergierten Phase erhalten wurde, angewendet wird, eine dünne Schicht auf der Oberfläche davon gebildet wird und dann die dispergierte Phase entfernt wird, gibt es Probleme, wie weiter unten beschrieben, in der näheren Umgebung der Oberfläche, auf der die dünne Schicht gebildet wurde, wenn die dispergierte Phase von der Matrixphase entfernt wird. Eines der Probleme ist, dass die dispergierte Phase in die Matrix eingeschleppt zurückbleibt. Ein weiteres Problem ist, dass die dispergierte Phase die Schicht zerstört und auf die Außenseite der Matrixphase wandert. Im Fall der Brennstoffzelle, bei der jeglicher Bruch oder jegliche Delaminierung in der Elektrolytschicht, die als Zwischenwand für Gase dient, auftritt, vermischen sich Brennstoffgas und Luft miteinander, ohne zu der Erzeugung von elektrischer Energie beizutragen. Dies führt zu Problemen, wie der Erniedrigung der erzeugten elektrischen Energieleistung, dem Auftreten lokaler unnormaler Erwärmung an gebrochenen Bereichen und eventuell dem Brechen des gesamten Zellkörpers.
Zusätzlich ist der gesamte Körper des Metallträgers so gemacht, dass er porös ist, wie oben beschrieben, und deshalb ist die poröse Oberfläche in einem Bereich, auf dem der Elektrolyt nicht abgeschieden ist, freigelegt und eine Gasversiegelung kann nicht über beide Trägeroberflächen ausgeführt werden. Um dem Ausströmen von Gasen entsprechend der in der vorbenannten Veröffentlichung beschriebenen Ausführungsformen vorzubeugen, muss die Elektrolytschicht auf der gesamten Oberfläche des Metallträgers gebildet sein. Wenn der Bereich der Elektrolytschicht breiter wird, können Delaminierung und Brüche derselben schneller auftreten, da der Druck gegen die Elektrolytschicht und die Hitzebelastung, die durch den Unterschied zwischen den Wärmeexpansionskoeffizienten und derglei chen des Elektrolytmaterials und des Metallträgers verursacht wird, größer weden. Die Delaminierung und Brüche der Elektrolytschicht, die auf der Oberfläche des porösen Metallträgers verursacht werden, führen unmittelbar zum Ausströmen von Gasen, was dann ein kritischer Punkt der Brennstoffzelle ist.
Wenn die Zellen, die unter Verwendung des Trägersubstrats, das vollständig porös gemacht wurde, gebildet wurden, laminiert werden, um eine Anordnung zu bilden, sind Flanschbereiche angefügt, um die Seitenoberflächen des porösen Substrats und einen Teil der Oberfläche, auf der die Elektrolytschicht nicht gebildet ist, zu bedecken, um in der Lage zu sein, die Gasversiegelung auszuführen. Dadurch wird eine Akkumulatorplatte gebildet. In diesem Fall ist es notwendig, die Flanschbereiche und das poröse Substrat und die Flanschbereiche und einen elektrischen Energieerzeugungsbereich zusammenzufügen, während die Gasversiegelungseigenschaften davon gesichert werden.
In solch einer komplizierten Struktur, die viele unterschiedliche Arten von Materialien in den zusammengefügten Bereichen enthält, treten in dem Fall, wenn die Temperatur der Anordnung häufig angehoben und gesenkt wird, wie in einer mit Trägern zusammengefügten Anordnung, Brüche und Delaminierungen an den Bereichen der Zusammenfügung auf, aufgrund des Unterschiedes in den Wärmeexpansionskoeffizienten. Dadurch ist die Gasversiegelungseigenschaft erniedrigt, was ein Problem der Herabsetzung der Haltbarkeit verursacht.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Ausrichtung auf die oben beschriebenen Probleme gemacht, mit Bezug auf die Abscheidungstechnologie für die Festelektrolytschicht, die auf der porösen Metalloberfläche bereitgestellt wird. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Festoxidbrennstoffzelle entsprechend Anspruche 1 bereitzustellen. Sie enthält einen Zellkörper für eine Brennstoffzelle, der geeignet ist, ein Zellelement einschließlich einer dichten Festelektrolytdünnschicht und eines Gasstromwegs in erforderlichen Bereichen des Metallträgers zu bilden und ist geeignet, eine Festoxidbrennstoffzelle zu erhalten, die exzellent in ihrer Leistungsdichte pro Volumen ist, bei niedrigen Kosten, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zellkörpers für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, und eine Festoxidbrennstoffzellenanordnung unter Verwendung eines solchen Zellkörpers bereitzustellen.
Gemäß einem erstem Aspekt stellt sie vorliegende Erfindung einen Zellkörper für eine Brennstoffzelle bereit, umfassend: einen Metallträger; und eine Elektrolytschicht und eine Luftelektrodenschicht, wobei die Elektrolytschicht und die Luftelektrodenschicht auf dem Metallträger gebildet sind, wobei ein konkaver Bereich in einem beliebigen Muster auf dem Metallträger gebildet ist und ein Boden des konkaven Bereiches porös gemacht wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle entsprechend Anspruch 10 bereit. Das Verfahren umfasst: aufeinander folgende Bildung einer Elektrolytschicht und einer Luftelektrodenschicht in einem beliebigen Bereich auf einem Metallträger; und Porösmachen des Bereiches des Metallträgers, wobei auf dem Bereich Elektrolytschicht und Luftelektrodenschicht gebildet wurden.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zellkörpers für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend: Bilden einer Brennstoffelektrolytschicht, einer Elektrolytschicht und einer Luftelektrodenschicht auf einem beliebigen Bereich auf dem Metallträger, wobei Brennstoffelektrodenschicht, Elektrolytschicht und Luftelektrodenschicht aufeinander folgen oder in umgekehrter Anordnung davon; und Porösmachen des Bereiches des Metall trägers, wobei in dem Bereich Brennstoffelektrodenschicht, Elektrolytschicht und Luftelektrodenschicht gebildet wurden.
Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Brennstoffzellenanordnung bereit, umfassend: einen Zellkörper für eine Brennstoffzelle, einschließlich eines Metallträgers und einer Elektrodenschicht und einer Luftelektrodenschicht, wobei die Elektrolytschicht und die Luftelektrodenschicht auf dem Metallträger gebildet sind, wobei ein konkaver Bereich in einem beliebigen Muster auf dem Metallträger gebildet ist, ein Boden des konkaven Bereiches porös gemacht ist und die Brennstoffzellenanordnung durch Stapeln der Zellkörper gebildet ist.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Festoxidbrennstoffzelle bereit, umfassend: Einen Zellkörper für eine Brennstoffzelle einschließlich eines Metallträgers und einer Elektrolytschicht und einer Luftelektrodenschicht, wobei die Elektrolytschicht und die Luftelektrodenschicht auf dem Metallträger gebildet sind, wobei ein konkaver Bereich in einem beliebigen Muster auf dem Metallträger gebildet ist und der Boden des konkaven Bereiches porös gemacht wird.
Der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Festoxidbrennstoffzelle bereit, umfassend: eine Brennstoffzellenanordnung, einschließlich eines Zellkörpers für eine Brennstoffzelle, umfassend einen Metallträger und eine Elektrolytschicht und eine Luftelektrodenschicht, wobei die Elektrolytschicht und die Luftelektrodenschicht auf dem Metallträger gebildet sind, wobei ein konkaver Bereich in einem beliebigen Muster auf dem Metallträger gebildet wird und wobei ein Boden der konkaven Bereiche porös gemacht ist und die Brennstoffzellenanordnung durch Anordnung von Zellkörpern gebildet ist und die Brennstoffzellenanordnung durch Stapeln der Zellkörper gebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben, wobei;
1A eine perspektivische Ansicht ist die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 1 und 3 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B eine Querschnittansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 1 und 3 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A eine perspektivische Ansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
2B eine Querschnittansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 2 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A eine perspektivische Ansicht ist, die eine Form des Zellkörpers für die Röhrentypbrennstoffzelle der Ausführungsform 4 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
3B eine Querschnittansicht ist, die eine Form des Zellkörpers für die Röhrentypbrennstoffzelle der Ausführungsform 4 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
4A eine perspektivische Ansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 5 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
4B eine Querschnittansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 5 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
5A eine perspektivische Ansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 6 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
5B eine Querschnittansicht ist, die eine Form der Akkumulatorplatte für die Brennstoffzelle der Ausführungsform 6 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine Querschnittansicht ist, die ein Beispiel für eine Struktur einer Brennstoffzellenanordnung unter Verwendung einer Brennstoffakkumulatorplatte entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 eine SEM-Ansicht ist, die einen Querschnitt eines Metallträgers zeigt, der durch chemisches Ätzen porös gemacht wurde.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ein Zellkörper für eine Brennstoffzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle, die mindestens eine Elektrolytschicht und eine Luftelektrodenschicht hat, die auf einem Metallträger gebildet sind, in solch einer Weise gebildet ist, dass ein konkaver Bereich in einem beliebigen Muster auf dem Metallträger gebildet wird und der Boden des konkaven Bereiches porös gemacht wird. Deshalb ist der Zellkörper auf andere Zellteile anwendbar, die dazu gebildet sind, um funktionale dünne Schichten auf den Metall trägern zu bilden. Zum Beispiel kann der Zellkörper für eine Wasserstofftrennzelle geeignet sein, in der eine dünne Schicht einer Palladiumlegierung oder dergleichen gebildet wird, wobei die dünne Schicht eine Wasserstofftrennfunktion aufweist und für eine Gastrennzelle, in der eine dünne Schicht eine CO₂-Trennfunktion aufweist, wie eine keramische Schicht umfassend Silica, Zeolith und dergleichen, die feine Poren mit Durchmesser in Nanometer-Größe aufweisen.
Zum Beispiel ist die Funktion einer Metallfolie wie Nickel als Substrat für Vakuumabscheidung und thermisches Besprühen ausreichend, selbst wenn die Folie eine Dicke von nicht mehr als 20 μm aufweist und die Folie kann auch als Metallträger verwendet werden. Währenddessen bildet eine chemische Ätzbehandlung eines beliebigen Bereiches der Folie zahlreiche feine Poren, wie in 7 in der Folie gezeigt, was es möglich macht, Gaspermeabilität zu verleihen. Entsprechend wird eine Elektrolyt- oder Elektrodenschicht auf der Metallfolie wie oben beschrieben abgeschieden und als Substrat (ein Träger) verwendet, dann wird die Stelle der Abscheidung durch Ätzen porös gemacht, was es ermöglicht, einen dünnen und leichtgewichtigen Zellkörper zu bilden. Dadurch kann eine Verkleinerung und Gewichtsreduktion der Brennstoffzellenanordnung und der Festoxidbrennstoffzelle, wie die oben beschriebenen Zellkörper verwendet, erzielt werden. In diesem Fall kann es dem Metallträger wie oben beschrieben gestattet werden, nicht nur als der Träger für die Zellstruktur wie oben beschrieben zu agieren, sondern auch als die Brennstoffelektrode oder eine Kombination der Brennstoffelektrode und eines Kollektors in Abhängigkeit der Auswahl der Materialien verwendet zu werden.
Hierin wird bezogen auf die chemische Ätzbehandlung in der vorliegenden Erfindung eine solche bevorzugt verwendet, die geeignet ist, eine Vielzahl an feinen Poren in dem geätzten Bereich zu bilden. Zum Beispiel ist ein die Oberfläche aufrau hendes Mittel (zum Beispiel Mec Nickel Roughener 1870 (Produktname) hergestellt durch Mec Co., Ltd.) geeignet. Dieses Mittel ist ein Mittel, das zum Aufrauhen der Oberflächen von Leitungen geeignet ist, um die adhäsiven Kräfte zwischen Leitungen und Harzen im Herstellungsprozess einer bedruckten Leiterplatte zu verbessern.
Darüber hinaus ist die Metallfolie zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung nicht so uneben wie der gesinterte Körper oder das poröse Metall und sie wird während des Abscheidungsprozesses nicht porös gemacht. Deshalb ist es möglich, eine dichte Schicht zu bilden, die eine Dicke im Mikrometerbereich, zum Beispiel näherungsweise 5 μm aufweist, bei der es extrem schwierig ist, eine Schicht auf dem porösen Metall abzuscheiden. Dementsprechend wird leicht eine Zellstruktur, einschließlich der dichten Elektrodenschicht auf der Metallfolie gebildet. Dadurch wird es möglich, eine Zelle herzustellen, in der beide Elektroden und der Elektrolyt, eine Dicke von nicht mehr als einigen Zehnteln Mikrometern aufweisen.
Die Verkleinerung der jeweiligen Schichten erniedrigt die Widerstandswerte in der Richtung der Dicke davon und verbessert die erzeugte Energieleistung. Neben dem Obengenannten führt die Verkleinerung zu einer Reduktion der thermischen Belastung, die durch den Unterschied in dem Wärmeexpanionskoeffizienten zwischen den Materialien, die die entsprechenden Schichten bilden, verursacht wird und letztendlich zur Vermeidung der Delaminierung und von Brüchen, die durch die thermische Belastung verursacht werden.
Währenddessen wird dann, wenn die Metallfolie porös wie der Träger gemacht wird nur der Bereich, der den Zellkörper bildet, porös gemacht durch Ausführung von Ätzen unter Verwendung einer Maske, so dass es möglich wird, dem Träger die Gaspermeabilität zu verleihen. Dadurch wird der Bereich, der nicht den Zellkörper bildet, nicht gleichzeitig porös gemacht und deshalb ist es nicht notwendig, eine Gasbarrierenschicht zur Vermeidung der Gaspermeation in einem Bereich, wo kein Zellelement existiert, zu bilden. Daher können Elektrolytschichten, wobei jede einen kleinen Bereich aufweist, in dispergierter Weise auf dem Träger abgeschieden werden. Da die Elektrolytschicht in jeweils kleine Bereiche unterteilt werden kann, kann die inhärente Belastung der Schicht der Elektrolytschicht reduziert werden und Delaminierung von dem Träger und Brüche darin treten selten auf. Zusätzlich führen, selbst wenn die Elektrolytschicht auf der gesamten Oberfläche des Trägers gebildet ist, die Laminierung und Brüche, die außerhalb des geätzten Bereiches auftreten, nicht unmittelbar zu dem Ausströmen und es wird eine Zellstruktur mit exzellenter Haltbarkeit erhalten.
Als ein Material für den Metallträger, wie oben beschrieben, ist ein Metall oder eine Legierung, enthaltend mindestens eines der Elemente von Eisen, Nickel und Kupfer, d. h. neben Nickel und Kupfer eine Ni-Cu-Legierung, eine Ni-basierte Legierung oder dergleichen, geeignet. In speziellen Fällen sind rostfreier Stahl, Inconel (eine eingetragene Marke der INCO Company), Hasteloy (eine eingetragene Marke von Haynes International Corporation), Kover (54 Gew.-% Fe, 29 Gew.-% Ni, 17 Gew.-% Co) und Inver (64 Gew.-% Fe, 36 Gew.-% Ni) geeignet. In Anbetracht der Dicke des Metallträgers ist das zur Folie geformte Metall wie oben beschrieben, das eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 500 μm aufweist, erstrebenswert. Insbesondere wenn der Metallträger kleiner als 10 μm ist, wird der Umgang damit, in Anbetracht des Abscheidungssubstrats schwierig. Auf der anderen Seite, wenn die Dicke 500 μm überschreitet, dauert es länger, die feinen Poren des Metallträgers durch Ätzen herzustellen und zusätzlich weist der Effekt der Verkleinerung und Gewichtsreduktion keine Tendenz dazu auf uneingeschränkt erhalten zu werden. Darüber hinaus ist der oben beschriebene Fall nicht wünschenswert, aufgrund einer niedrigeren Herstellungsausbeute aufgrund der Zerstörung der beschichteten Schicht und des Auftretens von Brüchen während des Ätzprozesses. Die Dicke des Metallträgers (das Substrat) wird auf einen Bereich von 10 μm bis 500 μm festgelegt, um den Metallträger in Form einer Folie zu bilden, und dadurch ist der Träger vom Gewicht her reduziert und verkleinert, um die Leistungsdichte pro Volumen davon zu erhöhen. Zusätzlich wird davon die Wärmekapazität reduziert, was die Erwärmung der Akkumulatorplatte (oder der Anordnung) auf Betriebstemperatur erleichtert. Wie oben beschrieben, werden exzellente Effekte erzielt. Darüber hinaus wird ein weiterer exzellenter Effekt erhalten, nämlich der, dass die Herstellungskosten reduziert werden können, da die Kosten des Metallträgers niedrig sind.
In dem Zellkörper für die Brennstoffzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es für den plattenförmigen Metallträger möglich als Akkumulatorplatte verwendet zu werden. Zusätzlich ist es auch möglich, eine röhrenförmige Zelle unter Verwendung eines zylindrischen Metallträgers zu erhalten. Mit anderen Worten kann, da der Träger, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nur aus Metall besteht, der Träger leicht zu einer Mikroröhre geformt werden, deren äußerer Durchmesser wenige Millimeter oder weniger beträgt. Darüber hinaus wird, nachdem die Elektrolytschicht und die Elektrodenschicht auf dem äußeren Umfang der Metallröhre abgeschieden sind, das Ätzen von dem inneren Umfang davon ausgeführt, so dass die Metallröhre porös gemacht werden kann. Dadurch ist es möglich, eine extrem dünne Röhrenzelle, wie z. B. eine Injektionsnadel, zu erhalten. Die Röhrentypzellen, wie oben beschrieben, können zu einer Brennstoffzellenanordnung durch Anordnen einer Vielzahl davon gebildet werden. Dadurch kann eine kleine und leichtgewichtige Brennstoffzelle bereitgestellt werden.
Als fester Elektrolyt können Materialien, die allgemein üblich sind, als Hauptkomponenten verwendet werden, z. B. Material, das als Hauptkomponente stabilisiertes Zirkoniumdioxid enthaltend Neodymoxid (Nd₂O₃), Samariumoxid (Sm₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), Scandiumoxid (Sc₂O₃), oder dergleichen und Materialien, enthaltend CeO₂, Bi₂O₃, LaGaO₃ und dergleichen enthält. Diese geeigneten Materialien sind nicht auf die oben gelisteten beschränkt.
Als Brennstoffelektrodenmaterial sind zum Beispiel allgemein bekanntes Nickel, Nickelcermet, Platin und dergleichen verfügbar. Als Luftelektrodenmaterial sind zum Beispiel Perovskittypoxide, wie La_1-xSr_xMnO₃, La_1-xSr_xCoO₃, Silber und dergleichen verfügbar. Die zu verwendenden Materialien sind nicht auf diejenigen, die oben gelistet sind, beschränkt. Es ist anzumerken, dass, wie oben beschrieben, Nickel, Nickel-basierte Legierung, eine Nickel-Kupfer-Legierung und dergleichen als Metallträger verwendet werden, so dass es auch möglich ist, den Träger auch als Brennstoffelektrode zu verwenden.
Es ist anzumerken, dass in dem Fall, wo ein Zellelement, das aus Brennstoffelektrodenschicht, Elektrolytschicht und Luftelektrodenschicht aufgebaut ist, auf dem Metallträger gebildet wird, ohne dass der Metallträger auch als Brennstoffelektrode dient, es auch üblich ist, die oben beschriebenen Schichten in dieser Reihenfolge zu laminieren. Eine umgekehrte Anordnung davon ist auch anwendbar. Insbesondere ist es auch möglich, die Luftelektrodenschicht, die Elektrolytschicht und die Brennstoffelektrodenschicht in dieser Reihenfolge auf dem Träger zu laminieren. In diesem Fall wird die Verwendung eines Materials, das exzellent in seiner Oxidationsresistenz ist, zum Beispiel wie Inconel und hitzeresistenter rostfreier Stahl (Fe-20Cr-5Al und andere) als Metallträger empfohlen.
Die vorliegende Erfindung wird weiter unten im Detail, basierend auf den Beispielen beschrieben.
(Beispiel 1)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde ein Metallträger, der zu einem Rahmen zugegeben wurde, verwendet, der durch Zusammenfügen eines Rahmens erhalten wurde, hergestellt aus Inconel 601, dessen Größe 50 mm × 50 mm (äußere Abmessung), 40 mm × 40 mm (innere Abmessung) und 0,5 mm (Dicke) war, mit einer Oberfläche aus Folie, hergestellt aus Inconel 601, deren Größe 50 mm × 50 mm × 0,03 mm war. Es ist anzumerken, dass die Zusammensetzung von Inconel 601 61 Gew.-% Ni, 23 Gew.-% Cr., 14 Gew.-% Fe, 1 Gew.-% Al und dergleichen war. In einem Bereich von 30 mm × 30 mm, der in einer zentralen Position der Oberfläche lag, auf der der Rahmen des Trägers nicht gebildet war, wurden 3 Mol-% Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (im Folgenden bezeichnet als „3YSZ"), dessen Dicke 2 μm war, abgeschieden durch ein RF-Sputterverfahren bei einer Temperatur von 700°C, so dass eine Elektrolytschicht bereitgestellt wurde. Darauf folgend wurde in einem Bereich von 27 mm × 27 mm auf der 3YSZ-Schicht (Sm_0,5, Sr_0,5)CoO_3-d (im Folgenden bezeichnet als „55SSC") mit einer Dicke von 1 μm abgeschieden, wodurch eine Luftelektrodenschicht bereitgestellt wurde.
Als Nächstes wurde eine trockene Schicht auf die gesamte Oberfläche des Metallträgers aufgeklebt. Dann wurde die trockene Schicht nur in einem Bereich von 25 mm × 25 mm, angeordnet in einem zentralen Bereich der Oberfläche, auf der der Rahmen gebildet war, entfernt. Dadurch wurde die Inconel-Folie freigelegt. Eine Ätzlösung (Mec Ni Roughener (Produktname), hergestellt durch Mec Co., Ltd.) wurde auf den freigelegten Bereich für 300 Sekunden aufgesprüht, wodurch die Inconel-Folie porös gemacht wurde. Dann wurde die trockene Schicht abgelöst unter Verwendung einer alkalibasierten Reinigungslö sung. Dadurch wurde die Akkumulatorplatte 1A für die Brennstoffzelle, wie in 1A und 1B gezeigt, bereitgestellt. Es ist anzumerken, dass in den 1A und 1B das Bezugszeichen 2 die Inconel-Folie als Metallträger bezeichnet; das Bezugszeichen 3 beziffert den Rahmen, der aus Inconel besteht; das Bezugszeichen 4 bezeichnet den konkaven Bereich, der in einer Größe von 25 mm × 25 mm durch Ätzen gebildet wurde; das Bezugszeichen Nummer 4a bezeichnet den porösen Bereich, der auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 durch Ätzen gebildet wurde; das Bezugszeichen 5 bezeichnet die Elektrolytschicht und das Bezugszeichen 6 bezeichnet die Luftelektrodenschicht. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass eine Vielzahl an feinen Poren in dem porösen Bereich 4a auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 gebildet wurden. Die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren war 185 mm², was näherungsweise 30% der Fläche des konkaven Bereiches 4 entsprach.
Unter Verwendung der Akkumulatorplatte 1A für die Brennstoffzelle, die damit erhalten wurde, wurde ein Energieerzeugungstest durch H₂-O₂ mit der Inconel-Folie als Brennstoffelektrode ausgeführt. Als Ergebnis wurde eine Leistungscharakteristik von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 2)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde ein Metallträger, der zu einem Rahmen zugegeben wurde, verwendet, der durch das Zusammenfügen eines Rahmens aus einem hitzeresistenten rostfreien Stahlmaterial (Fe-20%Cr-5%A1) erhalten wurde, dessen Größe 50 mm × 50 mm (äußere Abmessung), 40 mm × 40 mm (innere Abmessung) und 0,5 mm (Dicke) war auf eine Oberfläche aus Folie, die aus Inconel 601 gebildet war, deren Größe 50 mm × 50 mm × 0,03 mm war. Auf einem Bereich von 25 mm × 25 mm, der in einer zentralen Position der Oberfläche angeordnet war, auf der der Rahmen des Trägers nicht gebildet war, wurde eine NiO-8YSZ- Cermetschicht, die 1 μm dick war (ein gemischter Verbund von NiO und 8 Mol Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid in einem Masseverhältnis von 75:25), durch das RF-Sputterverfahren bei einer Temperatur von 700°C abgeschieden. Dadurch wurde eine Brennstoffelektrodenschicht bereitgestellt. Darauf folgend wurde in einem Bereich von 30 mm × 30 mm in einer zentralen Position der oben beschriebenen Schicht 8YSZ, die 2 μm dick war, durch das RF-Sputterverfahren bei einer Temperatur von 700°C abgeschieden, wodurch eine Elektrolytschicht bereitgestellt wurde. Zusätzlich wurde in einem Bereich von 25 mm × 25 mm auf der 8YSZ-Schicht 55SSC in einer Dicke von 1 μm abgeschieden, wodurch eine Luftelektrode bereitgestellt wurde.
Als Nächstes wurde ein trockener Film auf die gesamte Oberfläche des Metallträgers aufgebracht. Dann wurde der trockene Film nur in einem Bereich von 23 mm × 23 mm in einer zentralen Position der Oberfläche, auf der der Rahmen gebildet war, entfernt. Dadurch wurde die Inconel-Folie freigelegt und es wurde eine Ätzlösung, ähnlich der aus Beispiel 2 für 300 Sekunden darauf aufgesprüht, wodurch die Inconel-Folie porös gemacht wurde. Dann wurde der trockene Film abgelöst unter Verwendung einer alkalibasierten Reinigungslösung. Dadurch wurde die Akkumulatorplatte 1B für die Brennstoffzelle, wie in 2A und 2B gezeigt, erhalten. Es ist anzumerken, dass in den 2A und 2B das Bezugszeichen 2 die Inconel-Folie als Metallträger bezeichnet; das Bezugszeichen 3 bezeichnet den Rahmen, der aus Inconel hergestellt ist; das Bezugszeichen 4 bezeichnet den konkaven Bereich, der in einer Größe von 23 mm × 23 mm durch Ätzen gebildet wurde; das Bezugszeichen 4a bezeichnet den porösen Bereich, der auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 durch Ätzen gebildet wurde; das Bezugszeichen 5 bezeichnet die Elektrodenschicht; das Bezugszeichen 6 bezeichnet die Luftelektrodenschicht; und das Bezugszeichen 7 bezeichnet die Brennstoffelektrodenschicht. Darüber hinaus nimmt die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren, die in dem porösen Be reich 4a gebildet wurden, näherungsweise 30% der Fläche des konkaven Bereiches 4 ähnlich zu dem oben beschriebenen Beispiel ein.
Unter Verwendung der Akkumulatorplatte 1B wurde für die so erhaltene Brennstoffzelle ein Leistungserzeugungstest durch H₂-O₂ ausgeführt mit NiO-8YSZ-Cermet auf der Inconel-Folie, die als Brennstoffelektrode verwendet wurde. Als Ergebnis wurde eine Leistungscharakteristik von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 3)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde eine Folie, die aus einer Ni-Cu-Legierung (42–48 Gew.-% für Ni) gebildet war, deren Größe 50 mm × 50 mm × 0,1 mm war, verwendet. Unter Erhöhung der Abscheidung einer Elektrodenschicht und dergleichen wurde die Abscheidungsoberfläche dieser Folie mit Cu plattiert. Dann wurde die Legierungsfolie zwischen zwei Metallmasken eingebracht. Diese zwei Metallmasken waren aus rostfreiem Stahl und hatten Durchgangslöcher von 30 mm × 30 mm im Quadrat bzw. 26 mm × 26 mm im Quadrat. Darüber hinaus wurde das Dazwischeneinbringen so ausgeführt, dass die plattierte Oberfläche der Metallfolie durch das Durchdringungsloch von 30 mm × 30 mm freigelegt wurde. Samariumoxid enthaltendes Cer (Ce_0,8, Smo_0,2)O_2-d (im Folgenden als „2SDC" bezeichnet) wurde mit einer Dicke von 2 μm auf der oben beschriebenen Durchdringungslochoberfläche von 30 mm × 30 mm im Quadrat durch Verwendung eines GD-Verfahrens (ein Gasabscheideverfahren) abgeschieden, wodurch eine Elektrodenschicht bereitgestellt wurde. Anschließend wurde auf der Oberfläche der oben beschriebenen Elektrolytschicht 5SSC mit einer Dicke von 1 μm in einer Größe von 25 mm × 25 mm durch Verwendung einer Maske abgeschieden, wodurch eine Luftelektrode bereitgestellt wurde.
Als Nächstes wurde die abgeschiedene Legierungsfolie in die Ätzlösung wie oben beschrieben für 10 Minuten zusammen mit der Metallmaske eingetaucht und die mit der Elektrolytschicht und der Luftelektrodenschicht beschichteten Bereiche auf der Folie wurden porös gemacht. Nach dem oben beschriebenen Prozess wurde die Folie aus der Ätzlösung genommen, dann gewaschen und getrocknet. Dadurch wurde die Akkumulatorplatte 1C für die Brennstoffzelle, die eine ähnliche Form wie die in 1A und 1B gezeigte aufwies (ausgeschlossen des Inconel-Rahmens 3) erhalten. Es ist anzumerken, dass die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren, die in dem porösen Bereich 4a gebildet wurden, näherungsweise 35% der Fläche des konkaven Bereiches 4 einnahmen.
Darüber hinaus wurde die Akkumulatorplatte 1C für die Brennstoffzelle, die somit erhalten wurde, gelötet, um sie auf einem Rahmen aus Aluminiumoxid zu fixieren, dessen Größe 50 mm × 50 mm war. Als ein Ergebnis des Leistungserzeugungstestes durch H₂-O₂ unter Verwendung des Metallträgers (Cu-Ni-Legierungsfolie) als Brennstoffelektrode, wurde eine Leistungsgüte von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 4)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde ein Rohr, das aus Hasteloy C-276 gebildet war, dessen Größe 2,0 mm (äußerer Durchmesser), 0,05 mm (Dicke) und 50 mm (Länge) war, verwendet. Es ist anzumerken, dass die Zusammensetzung des Hasteloy C-276 57 Gew.-% Ni, 16 Gew.-% Cr, 16 Gew.-% Mo, 6 Gew.-% Fe und dergleichen war. Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (8YSZ) wurde auf der Oberfläche des Rohres in einer Dicke von 2 μm in einem Bereich von 30 mm Weite unter Verwendung eines GD-Verfahrens abgeschieden. Der oben beschriebene Prozess wurde in einem Stadium ausgeführt, wo das Rohr innerhalb eines Bereiches von 10 mm von beiden Enden auf beiden Oberflächen da von, auf der inneren und der äußeren, maskiert war. Dadurch wurde eine Elektrolytschicht bereitgestellt. Anschließend wurde 55SSC abgeschieden, um eine 1 μm dicke Schicht in einem Bereich von 25 mm Weite auf der Elektrolytoberfläche unter Verwendung einer Maske zu bilden. Dadurch wurde eine Luftelektrode bereitgestellt.
Als Nächstes wurde das abgeschiedene Rohr in die gleiche Ätzlösung wie oben beschrieben für 10 Minuten eingetaucht, um geätzt zu werden. Dadurch wurde ein konkaver Bereich auf der inneren Oberfläche des Bereiches, der mit dem Elektrolyt und den Luftelektroden auf dem Rohr beschichtet war, gebildet, und zur selben Zeit wurde der Boden des konkaven Bereiches porös gemacht. Anschließend wurde das Erzeugnis aus der Ätzlösung genommen, wurde gewaschen und getrocknet. Dadurch wurde die Zelle 20 für die Röhrentypbrennstoffzelle, wie in 3A und 3B gezeigt, erhalten. Es ist anzumerken, dass in den 3A und 3B das Bezugszeichen 2 das Hasteloy-Rohr als Metallträger bezeichnet; das Bezugszeichen 4 den konkaven Bereich, der durch Ätzen gebildet wurde, bezeichnet, das Bezugszeichen 4a den porösen Bereich, der auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 gebildet wurde, bezeichnet das Bezugszeichen 5 die Elektrolytschicht bezeichnet; und das Bezugszeichen 6 die Luftelektrodenschicht bezeichnet. Darüber hinaus nahm die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren, die in dem porösen Bereich 4a auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 gebildet wurden, näherungsweise 30% der Fläche des konkaven Bereiches 4 ein.
Darüber hinaus wurde die Zelle 20 für die Röhrentypbrennstoffzelle, die so erhalten wurde, gelötet, um auf einem Rahmen aus Aluminiumoxid fixiert zu werden, der eine Größe von 50 mm × 50 mm hatte. Als ein Ergebnis des Leistungserzeugungstestes durch H₂-O₂ unter Verwendung des Metallträgers (des Hasteloy-Rohres) als Brennstoffelektrode wurde eine Leistungsgüte von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 5)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde 42-Legierungsfolie (Fe-42 Gew.-% Ni), deren Größe 50 mm × 0,15 mm war, verwendet. In einem Bereich von einem Durchmesser von 30 mm um die zentrale Position des Metallträgers wurde eine 2 μm dicke NiO-55SDC-Cermetschicht (ein Verbund, gebildet aus NiO und 50 Mol Samarium-substituiertem Ceroxid in einem Masseverhältnis von 70:30) unter Verwendung eines RF-Sputterverfahrens bei einer Temperatur von 700°C abgeschieden. Dadurch wurde eine Brennstoffelektrodenschicht bereitgestellt. Anschließend wurde in einem Bereich von einem Durchmesser von 35 mm um die zentrale Position des Substrates eine 4 μm dicke 3YSZ unter Verwendung des RF-Sputterverfahrens bei einer Temperatur von 700°C abgeschieden. Dadurch wurde eine Elektrolytschicht bereitgestellt. Zusätzlich wurde in einem Bereich von einem Durchmesser von 20 mm auf der 3YSZ-Schicht 55SSC in einer Dicke von 1 μm abgeschieden, wodurch eine Luftelektrode bereitgestellt wurde.
Als Nächstes wurde ein trockener Film auf die gesamte Oberfläche des Metallträgers aufgeklebt. Der trockene Film wurde nur in einem Bereich von einem Durchmesser von 20 mm um die zentrale Position der Oberfläche, auf der die Elektrolytschicht und dergleichen nicht gebildet war, entfernt. Dadurch wurde die 42-Legierungsfolie freigelegt und es wurde eine Ätzlösung, ähnlich der aus Beispiel 1, darauf für 300 Sekunden aufgesprüht, wodurch die 42-Legierungsfolie porös gemacht wurde. Dann wurde der trockene Film abgelöst unter Verwendung einer alkalibasierten Reinigungslösung. Dadurch wurde die Akkumulatorplatte 1D für die Brennstoffzelle erhalten. Es ist anzumerken, dass in den 4A und 4B das Bezugszeichen 2 die 42-Legierung als den Metallträger bezeichnet; das Bezugszeichen 4 den konkaven Bereich, der in einer Größe von einem Durchmesser von 20 mm durch Ätzen gebildet wurde, bezeichnet; das Bezugs zeichen 4a den porösen Bereich, der auf dem Boden des konkaven Bereiches 4 durch Ätzen gebildet wurde, bezeichnet; das Bezugszeichen 5 die Elektrolytschicht bezeichnet; das Bezugszeichen 6 die Luftelektrodenschicht bezeichnet und das Bezugszeichen 7 die Brennstoffelektrodenschicht bezeichnet. Darüber hinaus nahm die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren, die in dem porösen Bereich 4a gebildet wurden, näherungsweise 30% der Fläche des konkaven Bereiches 4 ähnlich zu den oben beschriebenen Beispielen ein.
Unter Verwendung der Akkumulatorplatte 1D für die so erhaltene Brennstoffzelle wurde ein Leistungserzeugungstest durch H₂-O₂ mit NiO-8YSZ-Cermet auf der Inconel-Folie, die als Brennstoffelektrode hergenommen wurde, ausgeführt. Als ein Ergebnis wurde die Leistungsgüte von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 6)
Als Substrat (ein Metallträger) wurde ein Metallträger, der zu einem Rahmen zugegeben wurde, verwendet, der durch Zusammenfügen eines Rahmens, der aus Inconel 601 hergestellt war, dessen Größe 50 mm × 50 mm (äußere Abmessung), 40 mm × 40 mm (innere Abmessung) und 0,5 mm (Dicke) war, auf eine Oberfläche aus Folie, die aus Inconel 601 gemacht war, deren Größe 50 mm × 50 mm × 0,03 mm war. Auf der Oberfläche, auf der kein Rahmen gebildet war, wurde eine 2 μm dicke 3YSZ-Dünnschicht unter Verwendung eines RF-Sputterverfahrens bei einer Temperatur von 700°C an vier aufgeteilten Stellen abgeschieden, deren jeweilige Größe 10 mm × 10 mm war. Dann wurde 55SSC mit einer Dicke von 2 μm auf Flächen mit einer Größe von 8 mm × 8 mm auf die entsprechenden besputterten Bereiche wie oben beschrieben, abgeschieden. Anschließend wurde ein trockener Film auf die gesamte Oberfläche des Metallträgers aufgebracht. Der trockene Film wurde nur in den Bereichen von 8 mm × 8 mm in den zentralen Bereichen, auf denen die 3YSZ-Schichten gebildet waren, in den Flächen von 10 mm × 10 mm entsprechend entfernt. Dadurch wurde die Inconel-Folie freigelegt und es wurde eine Ätzlösung ähnlich der aus Beispiel 1 darauf für 300 Sekunden aufgesprüht, wodurch die Inconel-Folie porös gemacht wurde. Dann wurde der trockene Film unter Verwendung einer alkalibasierten Reinigungslösung abgelöst. Dadurch wurde die Akkumulatorplatte 1E für die Brennstoffzelle mit vier Einzelzellen wie in 5A und 5B gezeigt, erhalten. Aus diesem Anlass nahm die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren, die in den porösen Bereichen 4a gebildet wurde, näherungsweise 30% der Fläche des konkaven Bereiches 4 ähnlich der oben beschriebenen Beispiele 1 und 2 ein.
Unter Verwendung der Akkumulatorplatte 1E für die Brennstoffzelle, die so erhalten wurde, wurde ein Leistungserzeugungstest durch H₂-O₂ mit der Inconel-Folie als der Brennstoffelektrode ausgeführt. Als ein Ergebnis wurde die Leistungscharakteristik von 100 mW/cm² bei 600°C erhalten.
(Beispiel 7)
6 zeigt ein Beispiel der Struktur einer Festoxidbrennstoffzelle unter Verwendung einer Brennstoffzellenanordnung, ausgeführt durch Stapeln einer Vielzahl an Akkumulatorplatten für die Brennstoffzelle, die ähnlich zu Beispiel 2 wie oben beschrieben hergestellt wurden. In 6 bezeichnet das Bezugszeichen 2 den Metallträger. Das Bezugszeichen 4a bezeichnet den porösen Bereich des Metalles, der durch Ätzen porös gemacht wurde; das Bezugszeichen 5 bezeichnet die Elektrolytschicht; das Bezugszeichen 6 bezeichnet die Luftelektrodenschicht; und das Bezugszeichen 7 bezeichnet die Brennstoffelektrodenschicht. Zusätzlich bezeichnet das Bezugszeichen 8 die Kollektorplatte; das Bezugszeichen 9 bezeichnet den porösen Kollektor, der aus einem elektrisch leitenden Material gebildet wurde; das Bezugszeichen 10 bezeichnet den Separator, der aus einem elektrisch leitenden Material ist; und das Bezugszeichen 11 bezeichnet die Gasversiegelung.
In der Festoxidbrennstoffzelle, die in 6 gezeigt ist, ist Luft, die durch das Rohr zugeführt wird, dazu geeignet, über die entsprechende Akkumulatorplatte 1B in der Zeichnung zu strömen. HC (Kohlenwasserstoff), das das Brennstoffgas ist, ist dazu geeignet, unterhalb der Akkumulatorplatte 1B in der Zeichnung zu strömen. Es ist anzumerken, dass, obwohl die Festoxidbrennstoffzelle mit zwei Akkumulatorplatten 1B für die Brennstoffzelle in 6 dargestellt ist, um es einfacher erläutern zu können, dass selbstverständlich auch noch mehr Akkumulatorplatten 1B dazu gestapelt sein können.
Es ist anzumerken, dass obwohl der Rahmen in Abhängigkeit des gegebenen Beispiels da sein kann oder nicht, keine besonderen Beschränkungen hinsichtlich der Existenz des Rahmens in der vorliegenden Erfindung auferlegt sind. Die Existenz des Rahmens hat einen Wert darin, dass sie das Verbiegen oder Verdrillen einer extrem dünnen Metallfolie verhindert, wenn die Folie in jedem Prozess gehandhabt wird. Auf der anderen Seite hat die Abwesenheit eines Rahmens den Wert, dass dies dazu befähigt, die Schlagresistenz zu verbessern, da die inhärente Belastung in der Zelle oder die thermische Belastung durch die Biegsamkeit und Neigung der Folie entspannt werden können.

Claims

Festoxidbrennstoffzelle, umfassend: – einen Metallträger (2), der einen konkaven Bereich (4) auf einer unteren Oberfläche davon und eine Vielzahl an feinen Poren (4a) aufweist, die eine obere Oberfläche davon bis zum Boden des konkaven Bereichs (4) durchdringen; und – eine Elektrolytschicht (5) und eine Elektrodenschicht (6, 7), wobei entweder die Elektrolytschicht (5) oder die Elektrodenschicht (6, 7) auf den feinen Poren (4a) auf der oberen Oberfläche des Metallträgers (2) gebildet sind.
Festoxidbrennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Summe der Hohlraumflächen der feinen Poren (4a) kleiner ist als die Fläche des konkaven Bereiches (4).
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Metallträger (2) ein Metall ist, das mindestens eines der Elemente Eisen, Nickel und Kupfer enthält.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke des Metallträgers (2) in einem Bereich von 10 μm bis 500 μm liegt.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Metallträger (2) als Brennstoffelektrode (7) verwendet wird, wobei die Elektrolytschicht (5) auf der oberen Oberfläche des Metallträgers (2) gebildet ist und eine Luftelektrodenschicht (6) auf der Elektrolytschicht (5) gebildet ist.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Brennstoffelektrode (7) auf der oberen Oberfläche des Metallträgers (2) gebildet ist, wobei die Elektrolytschicht (5) auf der Brennstoffelektrode (7) gebildet ist und eine Luftelektrodenschicht (6) auf der Elektrolytschicht (5) gebildet ist.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Metallträger (2) zylindrisch ist.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Festoxidbrennstoffzelle (1D) kreisförmig ist.
Festoxidbrennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Metallträger (2) eine Vielzahl an konkaven Bereichen (4) aufweist und als Brennstoffelektrode verwendet wird, wobei die Vielzahl an Elektrolytschichten (5) auf den feinen Poren (4a) gebildet ist, und eine Vielzahl an Luftelektrodenschichten (6) auf den Elektrolytschichten (5) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle umfassend, dass: eine Elektrolytschicht (5) oder eine Elektrodenschicht (6, 7) an einer beliebigen Stelle auf einer oberen Oberfläche eines Metallträgers (2) gebildet wird und nach Bildung der Elektrolytschicht (5) oder der Elektrodenschicht (6, 7) auf der oberen Oberfläche des Metallträgers (2), der Bereich des Metallträgers (2) der die Elektrolytschicht (5) oder die Elektrodenschicht (6, 7) aufweist, porös gemacht wird, wobei die Bodenoberfläche des Metallträgers (2) derart gebildet wird, dass sie einen konkaven Bereich in einem beliebigen Muster aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Festoxidbrennstoffzelle nach Anspruch 10, wobei auf einer unteren Oberfläche des Metallträgers (2) eine chemische Ätzbehandlung ausgeführt wird, um den Metallträger (2) porös zu machen.
Festoxidbrennstoffzellenanordnung umfassend: – eine Festoxidbrennstoffzelle (1A, 1B, 1D, 1E) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei die Brennstoffzellenanordnung durch Stapeln von Festoxidbrennstoffzellen (1A, 1B, 1D, 1E) gebildet wird.