DE102016210868A1

DE102016210868A1 - Elektrochemische Reaktionseinheit und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016210868A1
Application number: DE102016210868.9A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Sato; Makoto Kuribayashi; Tomoki Murata; Takahiro MASUMOTO; Tomo-o Tanaka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-12-22
Also published as: JP6283330B2; US9997797B2; JP2017010710A; US20160372758A1

Abstract

Es wird eine elektrochemische Reaktionseinheit angegeben, die enthält: eine Einheitszelle mit einer Elektrolytschicht sowie mit einer Kathode und einer Anode, die einander in einer ersten Richtung zugewandt sind; einen Stromsammler, der auf einer Kathodenseite der Einheitszelle angeordnet ist; und eine elektrisch leitende, poröse Bondingschicht. Ein Bondingbereich enthält einen Blockteil und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil. Der Blockteil enthält eine Pore mit einem Durchmesser, der 20% oder mehr der Dicke des Bondingbereichs in der ersten Richtung ausmacht. Der Blockteil erstreckt sich von einem der gegenüberliegenden Enden in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung des Bondingbereichs und erreicht und umfasst die die Porenanforderung erfüllende Pore. Der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil ist zu dem anderen Ende des Bondingbereichs hin angeordnet und weist einen kleineren durchschnittlichen Durchmesser der Poren auf als der Blockteil.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Erfindungsfeld
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Reaktionseinheit.
2. Stand der Technik
Ein bekannter Typ von Brennstoffzelle für das Erzeugen von Strom unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ist eine Festoxidbrennstoffzelle (nachfolgend auch als „SOFC” bezeichnet), die Elektrolytschichten mit einem darin enthaltenen Festoxid aufweist. Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheit (nachfolgend auch als „Stromerzeugungseinheit” bezeichnet), die die kleinste Stromerzeugungseinheit einer SOFC ist, weist eine Einheitszelle auf, die eine Elektrolytschicht sowie eine Kathode und eine Anode, die einander mit dazwischen der Elektrolytschicht zugewandt sind, umfasst. Weiterhin sind elektrisch leitende Stromsammler jeweils auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Einheitszelle angeordnet und ausgebildet, um durch die Einheitszelle erzeugten Strom zu sammeln. Die Kathode und der entsprechende Stromsammler sind durch eine elektrisch leitende Bondingschicht miteinander elektrisch verbunden und gebondet. Die Bondingschicht ist eine poröse Schicht mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten Poren.
[Patentdokument 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2011-99159
3. Problemstellung der Erfindung
In dem oben genannten herkömmlichen Aufbau wird zum Beispiel aufgrund einer Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gliedern wie etwa der Kathode und den Stromsammlern eine mechanische Spannung (z. B. eine Zugspannung) in der Bondingschicht erzeugt. Dadurch kann ein Riss verursacht werden, der sich von der Außenfläche der Bondingschicht in das Innere der Bondingschicht ausbreitet. Wenn die Bondingschicht wie in dem oben genannten Aufbau eine poröse Schicht ist, kann die erzeugte mechanische Spannung durch die Poren gestreut werden, sodass die Ausbreitung eines in der Außenfläche beginnenden Risses in das Innere der Bondingschicht verhindert werden kann. Und je größer der durchschnittliche Durchmesser der Poren in der Bondingschicht ist, desto größer ist die durch die Poren vorgesehene Streufähigkeit für mechanische Spannungen, sodass die Ausbreitung eines Risses zuverlässiger beschränkt werden kann.
Wenn jedoch wie weiter unten beschrieben, die Durchmesser der Poren in der Bondingschicht vergrößert werden, um die Ausbreitung eines Risses zu beschränken, kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Stromsammler und der Kathode beeinträchtigt werden. Zum Beispiel sind in der Nachbarschaft zu einer Schnittfläche zwischen der Bondingschicht und der Kathode eine Vielzahl von Kontaktteilen, an denen die Bondingschicht und die Kathode miteinander in Kontakt sind, entlang der Schnittfläche mit dazwischen einer Pore aufgereiht. Je größer der durchschnittliche Durchmesser der Poren in der Bondingschicht ist, desto größer sind die Breiten der Kontaktteile entlang der Schnittfläche und desto größer werden die Intervalle zwischen den Kontaktteilen. Weil dabei der pro Einheitsfläche jedes Kontaktteils fließende Strom größer wird, wird die pro Einheitsfläche jedes Kontaktteils erzeugte Joule-Wärme größer. Und auch wenn eine Pore mit einem relativ großen Durchmesser in der Nachbarschaft der Schnittfläche zwischen der Bondingschicht und der Kathode vorhanden ist, wird die pro Einheitsfläche eines Kontaktteils erzeugte Joule-Wärme größer, weil der pro Einheitsfläche des Kontaktteils am Umfang der Pore fließende Strom größer wird. Wenn also der durchschnittliche Durchmesser von Poren in der Bondingschicht groß ist oder wenn eine Pore mit einem relativ großen Durchmesser lokal vorhanden ist, tritt eine Stromkonzentration auf, in der Strom zwischen der Bondingschicht und der Kathode in einer lokal konzentrierten Weise fließt, wodurch eine große Joule-Wärme erzeugt wird und somit der Stromsammler, die Kathode usw. thermisch beschädigt werden. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Stromsammler und der Kathode beeinträchtigt werden. Eine derartige auf die Durchmesser der Poren zurückzuführende Stromkonzentration kann in der Nachbarschaft der Schnittfläche zwischen der Bondingschicht und dem Stromsammler auftreten.
Ein derartiges Problem ist auch in einer Elektrolysezelleneinheit gegeben, die die kleinste Einheit einer Festoxidelektrolysezelle (nachfolgend als „SOEC” bezeichnet) für das Erzeugen von Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser ist. Im Folgenden werden eine Stromerzeugungseinheit und eine Elektrolysezelleneinheit gesammelt als elektrochemische Reaktionseinheit bezeichnet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung nimmt auf das vorstehend geschilderte Problem Bezug, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, die Ausbreitung eines Risses in einer Bondingschicht zu beschränken und die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied sicherzustellen.
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst, indem (1) eine elektrochemische Reaktionseinheit vorgesehen wird, die umfasst: eine Einheitszelle einschließlich einer Elektrolytschicht, die ein Festoxid enthält, und einer Kathode und einer Anode, die einander in einer ersten Richtung mit dazwischen der Elektrolytschicht zugewandt sind; einen Stromsammler, der auf einer Kathodenseite der Einheitszelle angeordnet ist; und eine elektrisch leitende, poröse Bondingschicht, die den Stromkollektor und die Kathode miteinander bondet. In wenigstens einem Schnitt der Bondingschicht parallel zu der ersten Richtung enthält ein zwischen dem Stromsammler und der Kathode angeordneter Bondingbereich einen Blockteil und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil. Der Blockteil ist ein Teil, in dem wenigstens eine Pore, die eine Porenanforderung, dass der Durchmesser in der ersten Richtung 20% oder mehr der Dicke des Bondingbereichs in der ersten Richtung ausmacht, erfüllt, wenigstens auf der Seite des Bondingbereichs einer Schnittfläche zwischen der Kathode und dem Bondingbereich oder auf der Seite des Bondingbereichs einer Schnittfläche zwischen dem Stromsammler und dem Bondingbereich ausgebildet ist. Der Blockteil erstreckt sich nach innen von einem der gegenüberliegenden Enden in der zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung des Bondingbereichs, das der die Porenanforderung erfüllenden Pore näher ist, und erreicht und umfasst die die Porenanforderung erfüllende Pore. Der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil ist zu dem anderen Ende des Bondingbereichs in Bezug auf den Blockteil hin angeordnet und weist Poren mit einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser auf als der Blockteil.
Gemäß der elektrochemischen Reaktionseinheit enthält in wenigstens einem Schnitt der Bondingschicht parallel zu der ersten Richtung der zwischen dem Stromsammler und der Kathode angeordnete Bondingbereich den Blockteil und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil. Der Blockteil ist ein Teil, in dem wenigstens eine Pore, die die Porenanforderung, dass der Durchmesser in der ersten Richtung 20% oder mehr der Dicke des Bondingbereichs in der ersten Richtung ausmacht, erfüllt, wenigstens auf der Seite des Bondingbereichs der Schnittfläche zwischen der Kathode und dem Bondingbereich oder auf der Seite des Bondingbereichs der Schnittfläche zwischen dem Stromsammler und dem Bondingbereich ausgebildet ist. Der Blockteil erstreckt sich nach innen von einem der gegenüberliegenden Enden in der zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung des Bondingbereichs, das der die Porenanforderung erfüllenden Pore näher ist, und erreicht und umfasst die die Porenanforderung erfüllende Pore. Der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil ist zu dem anderen Ende des Bondingbereichs in Bezug auf den Blockteil hin angeordnet und weist Poren mit einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser auf als der Blockteil.
Eine Pore, die die Porenanforderung erfüllt und in dem Blockteil enthalten ist, kann die Ausbreitung eines aufgrund einer Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Komponentengliedern der elektrochemischen Reaktionseinheit erzeugten Risses zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil beschränken. Und weil der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil Poren mit einem kleineren durchschnittlichen Durchmesser aufweist als der Blockteil, kann eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied (der Kathode oder dem Stromsammler) beschränkt werden. Es kann also die Ausbreitung eines Risses beschränkt werden und es kann die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden, indem die lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied beschränkt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform (2) der oben beschriebenen elektrochemischen Reaktionseinheit (1) ist in dem wenigstens einen Schnitt die Gesamtbreite in der zweiten Richtung der Blockteile kleiner als 1/2 der Breite in der zweiten Richtung des Bondingbereichs.
Gemäß der elektrochemischen Reaktionseinheit (2) kann im Vergleich zu einem Fall, in dem die Gesamtbreite in der zweiten Richtung der Blockteile gleich oder größer als 1/2 der Breite in der zweiten Richtung des Bondingbereichs ist, die lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied beschränkt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform (3) der elektrochemischen Reaktionseinheit (1) oder (2) weist der Stromsammler eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die zu der Kathode vorstehen, wobei die Kathode und wenigstens die Hälfte der Vielzahl von Vorsprüngen durch die Bondingschicht miteinander gebondet werden.
Gemäß der elektrochemischen Reaktionseinheit (3) kann im Vergleich zu dem Fall, in dem die Kathode und weniger als die Hälfte der Vielzahl von Vorsprüngen miteinander durch die Bondingschicht, die den Blockteil und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil enthält, gebondet sind, die Ausbreitung eines Risses beschränkt werden und kann eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied beschränkt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform (4) der elektrochemischen Reaktionseinheit (1) oder (2) weist der Stromsammler eine Vielzahl von Vorsprüngen auf, die zu der Kathode vorstehen, wobei die Kathode und alle aus der Vielzahl von Vorsprüngen durch die Bondingschicht miteinander gebondet werden.
Gemäß der elektrochemischen Einheit (4) wird im Vergleich zu einem Fall, in dem die Kathode und ein Teil der Vielzahl von Vorsprüngen durch die Bondingschicht, die den Blockteil und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil enthält, gebondet werden, die Ausbreitung eines Risses beschränkt und kann eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied beschränkt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (5) kann die elektrochemische Reaktionseinheit von (1) bis (4) derart konfiguriert sein, dass in dem wenigstens einen Schnitt der Blockteil auf beiden gegenüberliegenden Seiten in der zweiten Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils ausgebildet ist.
Weil gemäß der elektrochemischen Reaktionseinheit (5) der Blockteil auf beiden gegenüberliegenden Seiten in der zweiten Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils ausgebildet ist, kann die Ausbreitung eines Risses in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil zuverlässiger beschränkt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (6) der elektrochemischen Reaktionseinheit von (1) bis (5) ist die Bondingschicht aus einem Spinelloxid ausgebildet.
Weil gemäß der elektrochemischen Reaktionseinheit (6) die Bondingschicht aus einem Spinelloxid mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, kann eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht und einem gebondeten Glied effektiver beschränkt werden.
Die in dieser Spezifikation beschriebene Technik kann auf verschiedene Weise implementiert werden, wie zum Beispiel als eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheit, ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheiten, ein Stromerzeugungsmodul mit einem Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem mit einem Stromerzeugungsmodul, eine Elektrolysezelleneinheit, ein Elektrolysezellenstapel mit einer Vielzahl von Elektrolysezelleneinheiten, ein Wasserstofferzeugungsmodul mit einem Elektrolysezellenstapel und ein Wasserstofferzeugungssystem mit einem Wasserstofferzeugungsmodul.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Aussehen eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die einen XZ-Schnitt des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Linie II-II von 1 zeigt.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen YZ-Schnitt des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Linie III-III von 1 zeigt.
4 ist eine erläuternde Ansicht des gleichen XZ-Schnitts wie in 2 und zeigt zwei benachbarte Stromerzeugungseinheiten 102.
5 ist eine erläuternde Ansicht des gleichen YZ-Schnitts wie in 3 und zeigt zwei benachbarte Stromerzeugungseinheiten 102.
6 ist eine erläuternde Ansicht des XZ-Schnitts eines kathodenseitigen Stromsammlers 134 und einer Bondingschicht 138.
7 ist eine erläuternde Ansicht des XZ-Schnitts des kathodenseitigen Stromsammlers 134 und einer Bondingschicht 138a gemäß einer ersten Modifikation.
8 ist eine erläuternde Ansicht des XZ-Schnitts eines kathodenseitigen Stromsammlers 134b und einer Bondingschicht 138b gemäß einer zweiten Modifikation.
9 ist eine erläuternde Ansicht des XZ-Schnitts eines Brennstoffzellenstapels 100c gemäß einer dritten Modifikation.
10 ist eine erläuternde Ansicht des XZ-Schnitts eines Stromsammlers 135c und einer Bondingschicht 138c gemäß der dritten Modifikation.
Liste der Bezugszeichen
In den Zeichnungen werden die folgenden Bezugszeichen verwendet, um verschiedene Komponenten anzugeben: 22: Schraube; 24: Mutter; 26: Isolationsschicht; 27: Gasdurchgangsglied; 28: Körperteil; 29: Verzweigungsteil; 100, 100c: Brennstoffzellenstapel; 102, 102c: Stromerzeugungseinheit; 104, 106: Endplatte; 108: Verbindungsloch; 110: Einheitszelle; 112, 112c: Elektrolytschicht; 114, 114b, 114c: Kathode; 116, 116c: Anode; 120: Trennglied; 121: Loch; 124: Bondingglied; 130: kathodenseitiger Rahmen; 131: Loch; 132: Oxidationsgas-Zuführverbindungsloch; 133: Oxidationsgas-Ausführverbindungsloch; 134, 134b: kathodenseitiger Stromsammler; 135: Stromsammlerelement; 135b: Vorsprung; 135c: Stromsammler; 136: Mantel; 138, 138a, 138b, 138c: Bondingschicht; 140: anodenseitiger Rahmen; 141: Loch; 142: Brennstoffgas-Zuführverbindungsloch; 143: Brennstoffgas-Ausführverbindungsloch; 144: anodenseitiger Stromsammler; 145: elektrodenzugewandter Teil; 146: verbindungsgliedzugewandter Teil; 147: Verbindungsteil; 149: Abstandglied; 150, 150b, 150c: Verbindungsglied; 161: Oxidationsgas-Einführverteiler; 162: Oxidationsgas-Ausführverteiler; 166: Luftkammer; 171: Brennstoffgas-Einführverteiler; 172: Brennstoffgas-Ausführverteiler; 176: Brennstoffkammer; 400, 400a, 400b, 400c: Bondingbereich; 410, 410a, 410b, 410c: Blockteil: 420, 420a, 420b, 420c: Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil; 510: Brennstoffgas-Flusskanal; 520: Elektrodenhalterung; P: Pore.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.
A. Ausführungsform
A-1. Aufbau
1 ist eine perspektivische Ansicht, die das äußere Aussehen eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. 2 ist eine erläuternde Ansicht, die einen XZ-Schnitt des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Linie II-II von 1 zeigt. Und 3 ist eine erläuternde Ansicht, die einen YZ-Schnitt des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Linie III-III von 1 zeigt. 1 bis 3 geben die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse an, die jeweils orthogonal zueinander sind, um die Ausrichtung zu spezifizieren. Dabei wird die positive Z-Achsenrichtung als die Richtung nach oben bezeichnet und wird die negative Z-Achsenrichtung als die Richtung nach unten bezeichnet, wobei der Brennstoffzellenstapel 100 jedoch tatsächlich auch mit einer anderen Ausrichtung angeordnet werden kann. Das gleiche gilt für 4 und die folgenden Zeichnungen.
Der Brennstoffzellenstapel 100 enthält eine Vielzahl von (sieben in dieser Ausführungsform) Stromerzeugungseinheiten 102 und ein Paar von Endplatten 104 und 106. Die sieben Stromerzeugungseinheiten 102 sind in einer vorbestimmten Anordnungsrichtung (in der vertikalen Richtung in dieser Ausführungsform) angeordnet. Das Paar der Endplatten 104 und 106 ist angeordnet, um eine Anordnung der sieben Stromerzeugungseinheiten 102 aus der vertikalen Richtung zu halten. Die Anordnungsrichtung (die vertikale Richtung) entspricht der ersten Richtung der Erfindung; die Richtung orthogonal zu der vertikalen Richtung (die Richtung in der XY-Ebene) entspricht der zweiten Richtung der Erfindung; und die Stromerzeugungseinheit 102 entspricht der elektrochemischen Reaktionseinheit und der Brennstoffzellen-Stromerzeugung der Erfindung.
Der Brennstoffzellenstapel 100 weist eine Vielzahl von (acht in dieser Ausführungsform) Löchern auf, die darin ausgebildet sind und sich in der vertikalen Richtung durch periphere Teile um die Z-Achsenrichtung der Komponentenschichten (der Stromerzeugungseinheiten 102 und der Endplatten 104 und 106) herum erstrecken, wobei die in den Schichten ausgebildeten entsprechenden Löcher miteinander in der vertikalen Richtung kommunizieren, um Verbindungslöcher 108 zu bilden, die sich in der vertikalen Richtung von einer Endplatte 104 zu der anderen Endplatte 106 erstrecken. In der folgenden Beschreibung können einzelne Löcher, die jeweils ein Verbindungsloch 108 bilden und in den einzelnen Schichten des Brennstoffzellenstapels 100 ausgebildet sind, ebenfalls als Verbindungslöcher 108 bezeichnet werden.
Schrauben 22, die sich in der vertikalen Richtung erstrecken, werden in die entsprechenden Verbindungslöcher 108 eingesteckt, wobei der Brennstoffzellenstapel 100 mittels der Schrauben 22 und mittels mit gegenüberliegenden Enden der Schrauben 22 eingreifenden Muttern 24 geklemmt wird. Wie in 2 und 3 gezeigt, sind Isolationsschichten 26 zwischen den mit den einen Enden (oberen Enden) der Schrauben 22 eingreifenden Muttern 24 und der oberen Fläche der Endplatte 104, die das obere Ende des Brennstoffzellenstapels 100 bildet, und weiterhin zwischen den mit den anderen Enden (unteren Enden) der Schrauben 22 eingreifenden Muttern 24 und der unteren Fläche der Endplatte 106, die das untere Ende des Brennstoffzellenstapels 100 bildet, angeordnet. Jedoch sind in jedem Bereich, in dem ein weiter unten beschriebenes Gasdurchgangsglied 27 vorgesehen ist, das Gasdurchgangsglied 27 und die Isolationsschichten 26, die jeweils an dem oberen Ende und an dem unteren Ende des Gasdurchgangsglieds 27 angeordnet sind, zwischen der Mutter 24 und der Oberfläche der Endplatte 106 angeordnet. Die Isolationsschicht 26 ist zum Beispiel aus einer Mikaschicht, einer Keramikfaserschicht, einer Keramikkompaktschicht, einer Glasschicht oder einem Glas-Keramik-Verbundmaterial ausgebildet.
Der Außendurchmesser eines Schaftteils jeder Schraube 22 ist kleiner als der Innendurchmesser jedes Verbindungslochs 108. Dementsprechend ist ein Zwischenraum zwischen der Außenumfangsfläche des Schaftteils jeder Schraube 22 und der Innenumfangsfläche jedes Verbindungslochs 108 vorhanden. Wie in 1 und 2 gezeigt, funktioniert ein durch die Schraube 22 (die Schraube 22A) um den Mittelpunkt einer Seite des Umfangs um die Z-Achsenrichtung des Brennstoffzellenstapels 100 (einer Seite auf der positiven Seite in der X-Achsenrichtung der zwei Seiten parallel zu der Y-Achse) und das Verbindungsloch 108, in das die Schraube 22A eingesteckt ist, definierter Zwischenraum als ein Oxidationsgas-Einführverteiler 161, in den Oxidationsgas OG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 eingeführt wird. Der Gaseinführverteiler 161 dient als ein Gasflusskanal für das Zuführen des Oxidationsgases OG zu den Stromerzeugungseinheiten 102, während ein durch die Schraube 22 (die Schraube 22B) um den Mittelpunkt der anderen Seite gegenüber der oben genannten Seite (einer Seite auf der negativen Seite in der X-Achsenrichtung der zweiten Seiten parallel zu der Y-Achse) und das Verbindungsloch 108, in das die Schraube 22B eingesteckt ist, definierter Zwischenraum als ein Oxidationsgas-Ausführverteiler 162 dient, von dem aus den Luftkammern 166 der Stromerzeugungseinheiten 102 ausgeführtes Oxidationsabgas OOG zu außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 ausgeführt wird. In dieser Ausführungsform wird zum Beispiel Luft als das Oxidationsgas OG verwendet.
Wie in 1 und 3 gezeigt, funktioniert ein durch die Schraube 22 (die Schraube 22D) um den Mittelpunkt einer Seite des Umfangs um die Z-Achsenrichtung des Brennstoffzellenstapels 100 (einer Seite auf der positiven Seite in der Y-Achsenrichtung von zwei Seiten parallel zu der X-Achse) und das Verbindungsloch 108, in das die Schraube 22D eingesteckt ist, definierter Zwischenraum als ein Brennstoffgas-Einführverteiler 171, in den ein Brennstoffgas FG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 eingeführt wird und der das Brennstoffgas FG zu den Stromerzeugungseinheiten 102 zuführt. Weiterhin funktioniert ein durch die Schraube 22 (die Schraube 22E) um den Mittelpunkt der anderen Seite gegenüber der oben genannten Seite (einer Seite auf der negativen Seite in der Y-Achsenrichtung von zwei Seiten parallel zu der X-Achse) und das Verbindungsloch 108, in das die Schraube 22E eingesteckt ist, definierter Zwischenraum als ein Brennstoffgas-Ausführverteiler 172, von dem das aus den Brennstoffkammern 176 der Stromerzeugungseinheiten 102 ausgeführte Brennstoffabgas FOG zu außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 ausgeführt wird. In dieser Ausführungsform wird zum Beispiel ein aus Stadtgas reformiertes wasserstoffreiches Gas als das Brennstoffgas FG verwendet.
Der Brennstoffzellenstapel 100 weist vier Gasdurchgangsglieder 27 auf. Jedes Gasdurchgangsglied 27 umfasst einen rohrförmigen Körperteil 28 und einen rohrförmigen Verzweigungsteil 29, der von einer Seitenfläche des Körperteils 28 verzweigt. Das Loch des Verzweigungsteils 29 kommuniziert mit dem Loch des Körperteils 28. Ein Gasrohr (nicht gezeigt) ist mit dem Verzweigungsteil 29 jedes Gasdurchgangsglieds 27 verbunden. Wie in 2 gezeigt, kommuniziert das Loch des Körperteils 28 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position der Schraube 22A, die teilweise den Oxidationsgas-Einführverteiler 161 definiert, mit dem Oxidationsgas-Einführverteiler 161, während das Loch des Körperteils 28 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position der Schraube 22B, die teilweise den Oxidationsgas-Ausführverteiler 162 definiert, mit dem Oxidationsgas-Ausführverteiler 162. Weiterhin kommuniziert wie in 3 gezeigt das Loch des Körperteils 28 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position der Schraube 22D, die teilweise den Brennstoffgas-Einführverteiler 171 definiert, mit dem Brennstoffgas-Einführverteiler 171, während das Loch des Körperteils 28 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position der Schraube 22E, die teilweise den Brennstoffgas-Ausführverteiler 172 definiert, mit dem Brennstoffgas-Ausführverteiler 172 kommuniziert.
(Aufbau der Endplatten 104 und 106)
Die zwei Endplatten 104 und 106 sind elektrisch leitende Glieder, die jeweils eine quadratische, flache Plattenform aufweisen und zum Beispiel aus Edelstahl ausgebildet sind. Eine Endplatte 104 ist über der obersten Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet, und die andere Endplatte 106 ist unter der untersten Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet. Eine Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten 102 wird unter Druck zwischen den zwei Endplatten 104 und 106 gehalten. Die obere Endplatte 104 funktioniert als ein positiver Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100, und die untere Endplatte 106 funktioniert als ein negativer Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100.
(Aufbau der Stromerzeugungseinheit 102)
4 ist eine erläuternde Ansicht des gleichen XZ-Schnitts wie in 2 und zeigt zwei benachbarte Stromerzeugungseinheiten 102. Und 5 ist eine erläuternde Ansicht des gleichen YZ-Schnitts wie in 3 und zeigt zwei benachbarte Stromerzeugungseinheiten 102.
Wie in 4 und 5 gezeigt, umfasst die als die kleinste Stromerzeugungseinheit dienende Stromerzeugungseinheit 102 eine Einheitszelle 110, ein Trennglied 120, einen kathodenseitigen Rahmen 130, einen kathodenseitigen Stromsammler 134, einen anodenseitigen Rahmen 140, einen anodenseitigen Stromsammler 144 und ein Paar von Verbindungsgliedern 150, die als die oberste Schicht und die unterste Schicht der Stromerzeugungseinheit 102 dienen. Löcher in Entsprechung zu den Verbindungslöchern 108, in die die Schrauben 22 eingesteckt werden, sind in Umfangsteilen um die Z-Achsenrichtung herum des Trennglieds 120, des kathodenseitigen Rahmens 130, des anodenseitigen Rahmens 140 und der Verbindungsglieder 150 ausgebildet.
Das Verbindungsglied 150 ist ein elektrisch leitendes Glied mit einer im Wesentlichen quadratischen, flachen Plattenform, das zum Beispiel aus einem Cr (Chrom) enthaltenden Metall wie etwa einem ferritischen Edelstahl ausgebildet ist. Das Verbindungsglied 150 stellt die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 sicher und verhindert eine Mischung der Reaktionsgase zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102. In dieser Ausführungsform sind zwei Stromerzeugungseinheiten 102 nebeneinander angeordnet, wobei sich die zwei Stromerzeugungseinheiten 102 ein Verbindungsglied 150 teilen. Das heißt, dass das obere Verbindungsglied 150 einer gegebenen Stromerzeugungseinheit 102 als ein unteres Verbindungsglied 150 einer benachbart darüber liegenden Stromerzeugungseinheit 102 dient. Und weil der Brennstoffzellenstapel 100 die zwei Endplatten 104 und 106 aufweist, weist die oberste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 kein oberes Verbindungsglied 150 auf und weist die unterste Stromerzeugungseinheit 102 kein unteres Verbindungsglied 150 auf (siehe 2 und 3).
Die Einheitszelle 110 enthält eine Elektrolytschicht 112 sowie eine Kathode 114 und eine Anode 116, die einander in der vertikalen Richtung (in einer Anordnungsrichtung der Stromerzeugungseinheiten 102) mit dazwischen der Elektrolytschicht 112 zugewandt sind. Die Einheitszelle 110 dieser Ausführungsform ist eine Einheitszelle des Anoden-gehaltenen Typs, in der die Anode 116 die Elektrolytschicht 112 und die Kathode 114 hält.
Die Elektrolytschicht 112 ist ein Glied, das eine im Wesentlichen quadratische, flache Plattenform aufweist und aus einem Festoxid wie etwa YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid), ScSZ (Scandium-stabilisiertes Zirkondioxid), SDC (Samarium-dotiertes Ceroxyd), GDC (Gadolinium-dotiertes Ceroxyd) oder einem Oxid des Perowskit-Typs ausgebildet ist. Die Kathode 114 ist ein Glied, das eine im Wesentlichen quadratische, flache Plattenform aufweist und zum Beispiel aus einem Oxid des Perowskit-Typs (z. B. aus LSDF (Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit), LSM (Lanthan-Strontium-Manganoxid) oder LNF (Lanthan-Nickel-Ferrit)) ausgebildet ist. Die Anode 116 ist ein Glied, das eine im Wesentlichen quadratische, flache Plattenform aufweist und zum Beispiel aus Ni (Nickel), einem Cermet von Ni und Keramikpulver oder einer Ni-basierten Legierung ausgebildet ist. Die Einheitszelle 110 (die Stromerzeugungseinheit 102) dieser Ausführungsform ist also eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die ein Festoxid als einen Elektrolyt verwendet.
Das Trennglied 120 ist ein Rahmenglied, das ein im Wesentlichen quadratisches Loch 121, das in einem mittigen Bereich ausgebildet ist und sich in der vertikalen Richtung erstreckt, aufweist und zum Beispiel aus einem Metall ausgebildet ist. Ein Teil des Trennglieds 120 um das Loch 121 herum ist einem Umfangsteil der Fläche der Elektrolytschicht 112 auf der Seite der Kathode 114 zugewandt. Das Trennglied 120 ist mit der Elektrolytschicht 112 (Einheitszelle 110) mittels eines Bondingglieds 124 aus einem Hartlötmaterial (z. B. einem Ag-Lot) gebondet und ist zwischen dem zugewandten Teil und der Elektrolytschicht 112 angeordnet. Das Trennglied 120 trennt die Luftkammer 166, die der Kathode 114 zugewandt ist, und die Brennstoffkammer 176, die der Anode 116 zugewandt ist, voneinander, um ein Gaslecken von einer Elektrodenseite zu der anderen Elektrodenseite durch einen Umfangsteil der Einheitszelle 110 zu beschränken. Die Einheitszelle 110, mit der das Trennglied 120 gebondet ist, wird auch als Trennglied-befestigte Einheitszelle bezeichnet.
Der kathodenseitige Rahmen 130 ist ein Rahmenglied, das ein im Wesentlichen quadratisches Loch 131 aufweist, das in einem mittigen Bereich ausgebildet ist und sich in der vertikalen Richtung erstreckt, wobei es zum Beispiel aus einem Isolator wie etwa Mika ausgebildet ist. Das Loch 131 des kathodenseitigen Rahmens 130 bildet zum Teil die Luftkammer 166, die der Kathode 114 zugewandt ist. Der kathodenseitige Rahmen 130 ist in Kontakt mit einem Umfangsteil der Oberfläche auf einer Seite gegenüber der Elektrolytschicht 112 des Trennglieds 120 und mit einem Umfangsteil der Oberfläche des Verbindungsglieds 150 auf einer Seite zu der Kathode 114 hin. Der kathodenseitige Rahmen 130 isoliert die zwei Verbindungsglieder 150 in der Stromerzeugungseinheit 102 elektrisch voneinander. Weiterhin weist der kathodenseitige Rahmen 130 ein darin ausgebildetes Oxidationsgas-Zuführverbindungsloch 132 auf, das eine Verbindung zwischen dem Oxidationsgas-Einführverteiler 161 und der Luftkammer 166 herstellt, und weist ein darin ausgebildetes Oxidationsgas-Ausführverbindungsloch 133 auf, das eine Verbindung zwischen der Luftkammer 166 und dem Oxidationsgas-Ausführverteiler 162 herstellt.
Der anodenseitige Rahmen 140 ist ein Rahmenglied, das ein im Wesentlichen quadratisches Loch 141, das in einem mittigen Bereich ausgebildet ist und sich in der vertikalen Richtung erstreckt, aufweist und zum Beispiel aus einem Metall ausgebildet ist. Das Loch 141 des anodenseitigen Rahmens 140 bildet zum Teil die Brennstoffkammer 176, die der Anode 116 zugewandt ist. Der anodenseitige Rahmen 140 ist in Kontakt mit einem Umfangsteil der Oberfläche auf einer Seite zu der Elektrolytschicht 112 des Trennglieds 120 hin und mit einem Umfangsteil der Fläche des Verbindungsglieds 150 auf einer Seite zu der Anode 116 hin. Weiterhin weist der anodenseitige Rahmen 140 ein darin ausgebildetes Brennstoffgas-Zuführverbindungsloch 142 auf, das eine Verbindung zwischen dem Brennstoffgas-Einführverteiler 171 und der Brennstoffkammer 176 herstellt, und weist ein darin ausgebildetes Brennstoffgas-Ausführverbindungsloch 143 auf, das eine Verbindung zwischen der Brennstoffkammer 176 und dem Brennstoffgas-Ausführverteiler 172 herstellt.
Der anodenseitige Stromsammler 144 ist in der Brennstoffkammer 176 angeordnet. Der anodenseitige Stromsammler 144 umfasst einen verbindungsgliedzugewandten Teil 146, einen elektrodenzugewandten Teil 145 und einen Verbindungsteil 147, der den elektrodenzugewandten Teil 145 und den verbindungsgliedzugewandten Teil 146 miteinander verbindet, und ist zum Beispiel aus Nickel, einer Nickellegierung oder Edelstahl ausgebildet. Der elektrodenzugewandte Teil 145 ist in Kontakt mit der Oberfläche der Anode 116 auf einer Seite gegenüber der Elektrolytschicht 112, und der verbindungsgliedzugewandte Teil 146 ist in Kontakt mit der Oberfläche des Verbindungsglieds 150 auf einer Seite zu der Anode 116 hin. Weil jedoch, wie weiter oben genannt, die Stromerzeugungseinheit 102 an der untersten Position in dem Brennstoffzellenstapel 100 kein unteres Verbindungsglied 150 aufweist, ist der verbindungsgliedzugewandte Teil 146 in der untersten Stromerzeugungseinheit 102 in Kontakt mit der unteren Endplatte 106.
Weil der anodenseitige Stromsammler 144 derart konfiguriert ist, verbindet der anodenseitige Stromsammler 144 die Anode 116 und das Verbindungsglied 150 (oder die Endplatte 106) elektrisch miteinander. Ein Abstandsglied 149 aus zum Beispiel Mika ist zwischen dem elektrodenzugewandten Teil 145 und dem verbindungsgliedzugewandten Teil 146 angeordnet. Deshalb folgt der anodenseitige Stromsammler 144 einer durch einen Temperaturzyklus und eine Druckvariation des Reaktionsgas verursachten Verformung der Stromerzeugungseinheit 102 und hält somit eine gute elektrische Verbindung durch den anodenseitigen Stromsammler 144 zwischen der Anode 116 und dem Verbindungsglied 150 (oder der Endplatte 106) aufrecht.
Der kathodenseitige Stromsammler 134 ist in der Luftkammer 166 angeordnet. Der kathodenseitige Stromsammler 134 umfasst eine Vielzahl von Stromsammelelementen 135, die jeweils eine im Wesentlichen rechteckige Säulenform aufweisen und zum Beispiel aus einem Metall, das Cr (Chrom) enthält, wie etwa einem ferritischen Edelstahl ausgebildet sind. Der kathodenseitige Stromsammler 134 ist in Kontakt mit der Oberfläche einer Seite der Kathode 114 gegenüber der Elektrolytschicht 112 und mit der Oberfläche des Verbindungsglieds 150 zu der Seite der Kathode 114 hin. Weil jedoch wie weiter oben genannt, die Stromerzeugungseinheit 102 an der obersten Position in dem Brennstoffzellenstapel 100 kein oberes Verbindungsglied 150 aufweist, ist der kathodenseitige Stromsammler 134 in der obersten Stromerzeugungseinheit 102 in Kontakt mit der oberen Endplatte 104. Weil der kathodenseitige Stromsammler 134 derart konfiguriert ist, verbindet der kathodenseitige Stromsammler 134 die Kathode 114 und das Verbindungsglied 150 (oder die Endplatte 104) elektrisch miteinander. In dieser Ausführungsform sind der kathodenseitige Stromsammler 134 und das Verbindungsglied 150 als ein einstückiges Glied ausgebildet. Das heißt, dass ein Teil mit einer flachen Form orthogonal zu der vertikalen Richtung (Z-Achsenrichtung) des einstückigen Glieds als das Verbindungsglied 150 funktioniert und die Vielzahl der Stromsammelelemente 135, die von dem Teil mit einer flachen Plattenform zu der Kathode 114 vorstehen, gesammelt als der kathodenseitige Stromsammler 134 funktionieren. Der kathodenseitige Stromsammler 134 oder ein einstückiges Glied, das den kathodenseitigen Stromsammler 134 und das Verbindungsglied 150 umfasst, entspricht dem Stromsammler der Erfindung. Weiterhin entsprechen die Stromsammelelemente 135, die den kathodenseitigen Stromsammler 134 bilden, den Vorsprüngen der Erfindung.
Wie in 4 und 5 gezeigt, ist die Oberfläche des kathodenseitigen Stromsammlers 134 mit einem elektrisch leitenden Mantel 136 bedeckt. Der Mantel 136 ist zum Beispiel aus einem Spinelloxid (z. B. M₁₅Co_1,5O₄, MnCo₂O₄, ZnCo₂O₄, ZnMn₂O₄, ZnMnCoO₄ oder CuMn₂O₄) ausgebildet. Der Mantel 136 ist auf der Oberfläche des kathodenseitigen Stromsammlers 134 durch ein herkömmlich bekanntes Verfahren wie etwa ein Sprühbeschichten, Tintenstrahldrucken, Schleuderbeschichten, Tauchbeschichten, Plattieren, Sputtering oder Thermosprühen ausgebildet. Weil wie weiter oben genannt, in dieser Ausführungsform der kathodenseitige Stromsammler 134 und das Verbindungsglied 150 als ein einstückiges Glied ausgebildet sind, ist tatsächlich eine Oberfläche des kathodenseitigen Stromsammlers 134, die als eine Grenzfläche zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und dem Verbindungsglied 150 dient, nicht mit dem Mantel 136 bedeckt, während eine Oberfläche des Verbindungsglieds 150, die wenigstens dem Oxidationsgas-Flusskanal zugewandt ist (insbesondere eine Oberfläche des Verbindungsglieds 150 auf der Seite zu der Kathode 114 hin, eine Oberfläche des Verbindungsglieds 150, die dem Verbindungsloch 108 des Oxidationsgas-Einführverteilers 161 zugewandt ist, eine Oberfläche des Verbindungsglieds 150, die dem Verbindungsloch 108 des Oxidationsgas-Ausführverteilers 162 zugewandt ist, usw.), mit dem Mantel 136 bedeckt. In einigen Fällen wird ein Chromoxidfilm durch eine thermische Behandlung auf dem kathodenseitigen Stromsammler 134 ausgebildet. In diesem Fall ist der Mantel 136 nicht der Chromoxidfilm, sondern eine Schicht, die derart ausgebildet ist, dass sie den kathodenseitigen Stromsammler 134, auf dem der Chromoxidfilm ausgebildet ist, bedeckt. In der folgenden Beschreibung ist, sofern dies nicht eigens anders angegeben ist, unter dem kathodenseitigen Stromsammler 134 (oder dem Stromsammelelement 135) „der kathodenseitige Stromsammler 134 (oder das Stromsammelelement 135), der (bzw. das) mit dem Mantel 136 bedeckt ist” zu verstehen.
Die Kathode 114 und der kathodenseitige Stromsammler 134 werden durch eine elektrisch leitende, poröse Bondingschicht 138 miteinander gebondet. Die Bondingschicht 138 ist zum Beispiel aus einem Material, das Zn, Mn, Co und/oder Cu enthält, und insbesondere aus einem Spinelloxid (z. B. M₁₅Co_1,5O₄, MnCo₂O₄, ZnCo₂O₄, ZnMn₂O₄, ZnMnCoO₄ oder CuMn₂O₄) ausgebildet. Die Bondingschicht 138 wird zum Beispiel wie folgt ausgebildet: eine Bondingpaste wird durch Drucken auf Teilen der Oberfläche der Kathode 114, die entsprechenden Endteilen der Stromsammelelemente 135 des kathodenseitigen Stromsammlers 134 zugewandt sind, aufgetragen. Dann wird in einem Zustand, in dem die Endteile der Stromsammelelemente 135 gegen die Paste gedrückt werden, ein Brennen unter vorbestimmten Bedingungen durchgeführt. Die Bondingschicht 138 verbindet die Kathode 114 und den kathodenseitigen Stromsammler 134 elektrisch miteinander. In der vorstehenden Beschreibung wird der kathodenseitige Stromsammler 134 als in Kontakt mit der Oberfläche der Kathode 114 beschrieben. Genau genommen ist die Bondingschicht 138 zwischen der Kathode 114 und dem kathodenseitigen Stromsammler 134 (der mit der Schicht 136 bedeckt ist) angeordnet. In dieser Ausführungsform sind der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 aus entsprechenden Spinelloxiden mit den gleichen Hauptkomponentenelementen ausgebildet. Die Hauptkomponentenelemente sind Metallelemente, die für das Bilden eines Spinelloxids verwendet werden. Ein Spinelloxid wird durch das Durchführen einer Röntgenbeugung und einer Elementaranalyse identifiziert.
A-2. Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100
Wenn wie in 2 und 4 gezeigt das Oxidationsgas OG durch ein Gasrohr (nicht gezeigt), das mit dem Verzweigungsteil 29 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position des Oxidationsgas-Einführverteilers 161 verbunden ist, zugeführt wird, wird das Oxidationsgas OG zu dem Oxidationsgas-Einführverteiler 161 durch die Löcher des Verzweigungsteils 29 und den Körperteil 28 des Gasdurchgangsglieds 27 zugeführt und dann von dem Oxidationsgas-Einführverteiler 161 zu den Luftkammern 166 durch die Oxidationsgas-Zuführverbindungslöcher 132 der Stromerzeugungseinheiten 102 zugeführt. Und wenn wie in 3 und 5 gezeigt das Brennstoffgas FG durch ein Gasrohr (nicht gezeigt), das mit dem Verzweigungsteil 29 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position des Brennstoffgas-Einführverteilers 171 verbunden ist, zugeführt wird, wird das Brennstoffgas FG zu dem Brennstoffgas-Einführverteiler 171 durch die Löcher des Verzweigungsteils 29 und den Körperteil 28 des Gasdurchgangsglieds 27 zugeführt und dann von dem Brennstoffgas-Einführverteiler 171 zu den Brennstoffkammern 176 durch die Brennstoffgas-Zuführverbindungslöcher 142 der Stromerzeugungseinheiten 102 zugeführt.
Wenn das Oxidationsgas OG zu der Luftkammer 166 der Stromerzeugungseinheit 102 zugeführt wird und das Brennstoffgas FG zu der Brennstoffkammer 176 der Stromerzeugungseinheit 102 zugeführt wird, erzeugt die Einheitszelle 110 Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Oxidationsgas OG und dem Brennstoffgas FG. Die Stromerzeugungsreaktion ist eine exothermische Reaktion. In jeder Stromerzeugungseinheit 102 ist die Kathode 114 der Einheitszelle 110 elektrisch mit einem Verbindungsglied 150 durch den kathodenseitigen Stromsammler 134 (und auch den Mantel 136 und die Bondingschicht 138) verbunden, während die Anode 116 elektrisch mit dem anderen Verbindungsglied 150 durch den anodenseitigen Stromsammler 144 verbunden ist. Weiterhin sind eine Vielzahl der Stromerzeugungseinheiten 102 in dem Brennstoffzellenstapel 100 elektrisch in Reihe verbunden. Dementsprechend wird in den Stromerzeugungseinheiten 102 erzeugter Strom von den Endplatten 104 und 106, die als Ausgangsanschlüsse des Brennstoffzellenstapels 100 funktionieren, ausgegeben. Und weil in dem SOFC ein Strom mit einer relativ hohen Temperatur (z. B. 700°C bis 1000°C) erzeugt wird, kann der Brennstoffzellenstapel 100 durch einen Heizer (nicht gezeigt) beim Starten erhitzt werden, bis die hohe Temperatur mittels der durch die Stromerzeugung erzeugten Wärme aufrechterhalten werden kann.
Wie in 2 und 4 gezeigt, wird das von den Luftkammern 166 der Stromerzeugungseinheiten 102 ausgeführte Oxidationsabgas OOG durch die Oxidationsgas-Ausführverbindungslöcher zu dem Oxidationsgas-Ausführverteiler 162 ausgeführt, geht durch die Löcher des Körperteils 28 und den Verzweigungsteil 29 des Gasdurchgangsglieds 27 an der Position des Oxidationsgas-Ausführverteilers 162 und wird dann zu außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 durch ein Gasrohr (nicht gezeigt), das mit dem Verzweigungsteil 29 verbunden ist, ausgeführt. Weiterhin wird wie in 3 und 5 gezeigt das von den Brennstoffkammern 176 der Stromerzeugungseinheiten 102 ausgeführte Brennstoffabgas FOG durch die Brennstoffgas-Ausführverbindungslöcher 143 zu dem Brennstoffgas-Ausführverteiler 172 ausgeführt, geht durch die Löcher des Körperteils 28 und den Verzweigungsteil 29 des Gasdurchgangsglieds 27, das an der Position des Brennstoffgas-Ausführverteilers 172 vorgesehen ist, und wird dann zu außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 durch ein Gasrohr (nicht gezeigt), das mit dem Verzweigungsteil 29 verbunden ist, ausgeführt. Außerdem wird eine als „Cr-Diffusion” bezeichnete Erscheinung, in welcher der die Oberfläche des kathodenseitigen Stromsammlers 134 bedeckende Mantel 136 eine Freisetzung und Diffusion von Cr aus der Oberfläche des kathodenseitigen Stromsammlers 134 verursacht, beschränkt.
A-3. Detaillierter Aufbau des kathodenseitigen Stromsammlers 134 und der Bondingschicht 138
6 zeigt einen ZX-Schnitt des kathodenseitigen Stromsammlers 134 und der Bondingschicht 138 parallel in der vertikalen Richtung (Z-Achsenrichtung). Wie in 2, 3 und 6 gezeigt, ist die Bondingschicht 138 in einem Bereich zwischen der Kathode 114 und der Oberfläche jedes Stromsammelelements 135, die der Kathode 114 zugewandt ist, vorhanden. In dieser Ausführungsform dagegen erstreckt sich die Bondingschicht 138 nach außen (in einer Richtung orthogonal zu der vertikalen Richtung) von einem dazwischen liegenden Bereich (einem weiter unten beschriebenen Bondingbereich 400), in dem die Kathode 114 und das Stromsammelelement 135 einander zugewandt sind, und erstreckt sich nach oben entlang von Seitenflächen LF des Stromsammelelements 135, das sich von einer Bodenfläche BF des Stromsammelelements 135 zu einer Seite gegenüber der Kathode 114 erstreckt.
Wie in 6 gezeigt, enthält in einem Schnitt der Bondingschicht 138 parallel zu der vertikalen Richtung (ZX-Schnitt) der Bondingbereich 400 der Bondingschicht 138 zwischen der Kathode 114 und allen Stromsammelelementen 135 zwei Blockteile 410 und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420. In dem XY-Schnitt der Bondingschicht 138 befindet sich der Bondingbereich 400 dort, wo die Bondingschicht 138 entlang der gesamten Länge einer geraden Linie in der vertikalen Richtung von der Kathode 114 zu dem Stromsammelelement 135 vorhanden ist, und dient als ein Strompfad zwischen der Kathode 114 und dem Stromsammelelement 135. In dieser Ausführungsform ist also der Bondingbereich 400 nicht der Bereich des gesamten XZ-Schnitts der Bondingschicht 138, sondern fällt mit dem dazwischen liegenden Bereich (einem Teil des Bereichs des gesamten XZ-Schnitts), in dem die Kathode 114 und das Stromsammelelement 135 einander zugewandt sind (einem Bereich zwischen den erweiterten gegenüberliegenden Seitenflächen LF des Stromsammelelements 135), zusammen und enthält keine äußeren Bereiche, die extern in der horizontalen Richtung des dazwischen liegenden Bereichs angeordnet sind.
Die zwei Blockteile 410 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Bondingbereichs 400 in einer Richtung (X-Achsenrichtung, auch als horizontale Richtung bezeichnet) orthogonal zu der vertikalen Richtung angeordnet. Mit anderen Worten sind in dem Bondingbereich 400 die zwei Blockteile 410 einander in der horizontalen Richtung zugewandt, wobei dazwischen der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 angeordnet ist. Von den zwei Blockteilen 410 enthält ein Blockteil 411 an einem Ende (auf der negativen Seite in der X-Achsenrichtung) des Bondingbereichs 400 eine Pore P1, die eine Porenanforderung erfüllt und auf der Seite des Bondinbereichs 400 der Schnittfläche zwischen der Kathode 114 und dem Bodingbereich 400 (Bondingschicht 138) ausgebildet ist. Die Porenanforderung besteht darin, dass der auf einer geraden Linie L durch die Pore und parallel zu der vertikalen Richtung gemessene vertikale Durchmesser H1 der Pore 20% oder mehr der Dicke H2 in der vertikalen Richtung des Bondingbereichs 400 ausmacht. Der Blockteil 411 ist ein Teil zwischen einem der gegenüberliegenden Enden des Bondingbereichs 400, der näher zu der Pore P1 ist (einem Ende auf der negativen Seite in der X-Achsenrichtung), und einer Position, die die Pore P1 enthält (einem Ende der Pore P1 auf der positiven Seite in der X-Achsenrichtung). In dem Blockteil 411 steht die Pore P1 von einem Ende des Blockteils 411 nach außen vor. Im Folgenden wird die Breite des Blockteils 411 in der horizontalen Richtung durch D1 wiedergegeben.
Von den zwei Blockteilen 410 enthält ein Blockteil 412 an dem anderen Ende (auf der positiven Seite in der X-Achsenrichtung) des Bondingbereichs 400 Poren P2 und P3, die die Porenanforderung erfüllen und auf der Seite des Bondingbereichs 400 der Schnittfläche zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und dem Bondingbereich 400 (Bondingschicht 138) ausgebildet sind. Der Blockteil 412 ist ein Teil zwischen dem anderen Ende des Bondingbereichs 400 näher an den Poren P2 und P3 (einem Ende auf der positiven Seite in der X-Achsenrichtung) und einer Position, die die Poren Ps und P3 enthält (einem Ende auf der negativen Seite in der X-Achsenrichtung der Pore P2, die der mittleren Position in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400 am nächsten ist). Der Blockteil 412 enthält die zwei Poren P2 und P3 vollständig. Im Folgenden wird die Breite des Blockteils 412 in der horizontalen Richtung durch D2 wiedergegeben.
Die Gesamtbreite in der horizontalen Richtung der Blockteile 410 (die Gesamtbreite aller Blockteile 410 (D1 + D2)) ist kleiner als 1/2 der Breite D4 in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400 und insbesondere kleiner als 1/4 der Breite D4. Die Breite in der horizontalen Richtung eines einzelnen Blockteils 410 ist kleiner als 1/2 der Breite in der horizontalen Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 und insbesondere kleiner als 1/4 der Breite in der horizontalen Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420.
Der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 ist zwischen und in Nachbarschaft zu den zwei Blockteilen 410 angeordnet. Der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält keine Pore, die die Porenanforderung erfüllt, wobei der durchschnittliche Durchmesser der Poren des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 kleiner als derjenige der Poren (einschließlich der Poren P1 bis P3) des Blockteils 410 ist. Wenn wie in 6 gezeigt der Bondingbereich 400 eine Vielzahl von Poren, die die Porenanforderung erfüllen, enthält, nämlich die Poren P1 bis P3, ist der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 ein Zwischen-Poren-Teil, der die längste Distanz (W1) in der horizontalen Richtung (die größte Breite in der horizontalen Richtung) zwischen den die Porenanforderung erfüllenden benachbarten Poren innerhalb einer Vielzahl von Zwischen-Poren-Teilen zwischen die Porenanforderung erfüllenden benachbarten Poren aufweist. Weil insbesondere die Distanz W1 zwischen den Poren P1 und P2 länger als die Distanz W2 zwischen den Poren P2 und P3 ist, ist der Zwischen-Poren-Teil zwischen den Poren P1 und P2 der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420. Nachfolgend wird die Breite in der horizontalen Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 durch D3 angegeben. Vorzugsweise macht die Breite D3 in der horizontalen Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 1/2 oder mehr der Breite D4 in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400 aus.
Der Bondingbereich 400, der die Blockteile 410 und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält, kann wie folgt hergestellt werden. Bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 100 wird eine Bondingpaste, zu der ein Porenbildungsmaterial wie etwa Kunstharzperlen, Kohlenstoff oder ein Bindemittel zugesetzt ist, durch Drucken auf Bereiche der Oberfläche der Kathode 114, die den Bodenflächen BF der Stromsammelelemente 135 zugewandt sind, aufgetragen. Dann wird die aufgetragene Bondingschichtpaste durch die Bodenflächen BF der Stromsammelelemente 135 zerdrückt, sodass die Umfangsteile der aufgetragenen Bondingschichtpaste von den Seitenflächen LF der Stromsammelelemente 135 nach außen vorstehen oder sich entlang der Seitenflächen LF nach oben erstrecken im Vergleich zu dem Zustand vor dem Zerdrücken. Daraus resultiert, dass Poren in einem mittleren Teil der aufgetragenen Bondingschichtpaste nach außen gedrückt werden (in einer Richtung orthogonal zu einer Zerdrückungsrichtung). In diesem Zustand wird ein Brennen durchgeführt. Indem ein derartiges Herstellungsverfahren verwendet wird, werden die Porenanforderung erfüllende Poren aus dem Inneren des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 beseitigt, um die die Porenanforderung erfüllenden Poren P1 bis P3 in den Blockteilen 410 zu bilden. Weiterhin können die Blockteile 410 einen größeren durchschnittlichen Durchmesser der Poren aufweisen als der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420, der innerhalb der Blockteile 410 angeordnet ist.
A-4. Verfahren zur Analyse der Bondingschicht 138
Zuerst wird ein Bild für das Analysieren der Bondingschicht 138 und insbesondere ein Bild für das Analysieren von die Porenanforderung erfüllenden Poren und der durchschnittlichen Durchmesser von Poren des Blockteils 410 und des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 wie folgt erhalten. Zum Beispiel wird ein Rasterelektronenmikroskop (REM) vorbereitet, um ein Bild zu erfassen, das die gesamte Bondingschicht 138 in den vertikalen und horizontalen Richtungen abdeckt und in 10 horizontale Segmentbereiche geteilt ist, sodass die Schnittfläche zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und der Bondingschicht 138 in dem obersten Segmentbereich angeordnet ist und die Schnittfläche zwischen der Bondingschicht 138 und der Kathode 114 in dem untersten Segmentbereich angeordnet ist. Dann wird das Bild für eine Verwendung in der Analyse erfasst. Ein binarisiertes Bild, das durch eine Einarisierung eines durch das REM betrachteten Bilds erhalten wird, kann als das Bild für die Analyse verwendet werden. Wenn sich jedoch die Poren in dem binarisierten Bild stark in der Form von den tatsächlichen Poren unterscheiden, kann ein durch das REM betrachtetes Rohbild im Kontrast angepasst werden und kann das angepasste Bild für die Verwendung als das Bild für die Analyse binarisiert werden. Weiterhin kann ein durch das REM betrachtetes Rohbild als das Bild für eine Analyse verwendet werden. Das REM kann eingestellt werden, um ein Bild mit einer 5000- bis 20000-fachen Vergrößerung zu erhalten. Das Verfahren zum Erhalten eines Bilds für eine Analyse ist nicht auf das vorstehend beschriebene beschränkt, das auf verschiedene Weise modifiziert werden kann, um ein geeignetes Bild für die Analyse zu erhalten.
Dann werden die durchschnittlichen Durchmesser von Poren in den Blockteilen 410 und in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 wie folgt bestimmt. Eine Vielzahl von geraden Linien parallel zu der vertikalen Richtung (in dieser Ausführungsform in der Z-Achsenrichtung) werden auf einem erhaltenen REM-Bild mit vorbestimmten Intervallen (z. B. mit einem Intervall von 1 μm bis 5 μm) in der horizontalen Richtung gezogen. Poren auf jeder geraden Linie werden hinsichtlich der Längen der Liniensegmente über die Poren gemessen, wobei der Durchschnitt der gemessenen Längen als der durchschnittliche Wert von Poren auf der geraden Linie genommen wird. Die durchschnittlichen Werte von Poren auf der Vielzahl von gerade Linien, die auf den einzelnen Teilen (den Blockteilen 410 und dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420) gezogenen sind, werden gemittelt, um die endgültigen durchschnittlichen Durchmesser der Poren der einzelnen Teile zu erhalten.
A-5. Effekte der Ausführungsform
Wie oben beschrieben wird in dem Brennstoffzellenstapel 100 dieser Ausführungsform an jedem Blockteil 410 des Bondingbereichs 400 der Bondingschicht 138 wenigstens eine Pore, die die Porenanforderung erfüllt, wenigstens auf der Seite des Bondingbereichs 400 der Schnittfläche zwischen der Kathode 114 und dem Bondingbereich 400 oder auf der Seite des Bondingbereichs 400 der Schnittfläche zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und dem Bondingbereich 400 ausgebildet. Daraus resultiert, dass wie oben beschrieben die Blockteile 410 die Ausbreitung eines zum Beispiel durch eine Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Komponentengliedern des Brennstoffzellenstapels 100 erzeugten Risses zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 beschränken.
Aufgrund von zum Beispiel einer Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Komponentengliedern des Brennstoffzellenstapels 100 wie etwa der Kathode 114 und des kathodenseitigen Stromsammlers 134 wird eine mechanische Spannung in der Bondingschicht 138 erzeugt. Daraus resultiert, dass ein sich von der Außenfläche der Bondingschicht 138 in das Innere der Bondingschicht 138 ausbreitender Riss gebildet werden kann. Je größer der Durchmesser einer in der Bondingschicht 138 ausgebildeten Pore ist, desto größer ist der die Pore definierende Bereich der Innenwandfläche in der Bondingschicht 138. Deshalb kann eine in der Bondingschicht 138 erzeugte mechanische Spannung in einer größeren Anzahl von Richtungen gestreut werden. Die in Streurichtungen gerichtete Kraft kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden.
In den Streurichtungen gerichtete Kraft f = F/A
wobei F die erzeugte mechanische Spannung ist und A die die Pore definierende Fläche der Innenwandfläche in der Bondingschicht 138 ist.
Die vorstehende Formel gibt an, dass, je größer der Durchmesser einer Pore ist, desto größer die die Pore definierende Fläche der Innenwandfläche in der Bondingschicht 138 ist. Dementsprechend wird eine kleinere Kraft f in die Streurichtungen gerichtet. Das bedeutet, dass, je größer der Durchmesser einer Pore ist, desto größer die Streufähigkeit der Pore für mechanische Spannungen ist. Weiterhin hat ein Experiment, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 betrieben wurde, um eine Stromerzeugungsoperation (einen Wärmezyklus) 100 mal zu wiederholen, ergeben, dass, wenn die Porenanforderung erfüllt wird und also der Durchmesser in der vertikalen Richtung einer Pore 20% oder mehr der Dicke in der vertikalen Richtung des Bondingbereichs 400 ausmacht, die Ausbreitung eines Risses in dem Bondingbereich 400 mit der Dicke mit einer großen Wahrscheinlichkeit gestoppt werden kann. Deshalb beschränken die Blockteile 410, in denen eine Pore die Porenanforderung erfüllt, die Ausbreitung eines Risses von Teilen der Außenfläche der Bondingschicht 138 nahe den Blockteilen 410 in das Innere der Bondingschicht 138 und also zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420.
Weiterhin enthält der in dem Bondingbereich 400 der Bondingschicht 138 enthaltene Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 keine die Porenanforderung erfüllende Pore und weist einen kleineren durchschnittlichen Durchmesser der Poren auf als die Blockteile 410. Daraus resultiert, dass wie oben beschrieben der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und der Kathode 114 sicherstellt.
Wie in 6 in einem vergrößerten Maßstab gezeigt, sind in der Nachbarschaft zu der Grenze (der Schnittfläche) zwischen der Kathode 114 und der Bondingschicht 138 eine Vielzahl von Kontaktteilen U, wo die Kathode 114 und die Bondingschicht 138 in Kontakt miteinander sind, entlang der Grenze mit dazwischen einer Pore P aufgereiht. Der Blockteil 410 enthält die die Porenanforderung erfüllende Pore P1 und ist auf der Seite der Bondingschicht 400 der Schnittfläche zwischen der Kathode 114 und dem Bondingbereich 400 ausgebildet, während der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 keine die Porenanforderung erfüllende Pore enthält. Daraus resultiert, dass die Breite R2 in der horizontalen Richtung jedes Kontaktteils U in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 schmäler als die Breite R1 in der horizontalen Richtung jedes Kontaktteils U in dem Blockteil 410 ist. Weiterhin ist das Intervall Q2 zwischen den Kontaktteilen U in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 schmäler als das Intervall Q1 zwischen den Kontaktteilen U in dem Blockteil 410. Daraus resultiert, dass in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 im Vergleich zu dem Blockteil 410 der durch jeden Kontaktteil U fließende Strom klein ist. Dementsprechend ist die in jedem Kontaktteil U erzeugte Joule-Wärme klein.
Deshalb ist es in dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 im Vergleich zu dem Blockteil 410 unwahrscheinlich, dass eine thermische Beeinträchtigung der Kathode 114, des kathodenseitigen Stromsammlers 134 usw. auftritt, sodass also eine Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der Kathode 114 und dem kathodenseitigen Stromsammler 134 beschränkt wird. Das heißt, dass der Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 eine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem kathodenseitigen Stromsammler 134 und der Kathode 114 sicherstellt. Wie oben beschrieben, wird gemäß dieser Ausführungsform in der Bondingschicht 138 die Ausbreitung eines Risses beschränkt und kann die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden, indem eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138 und einem gebondeten Glied beschränkt wird. Mit anderen Worten kann die Bondingschicht 138 die Ausbreitung eines Risses beschränken und eine elektrische Leitfähigkeit sicherstellen.
Weiterhin ist die Gesamtbreite in der horizontalen Richtung der Blockteile 410 (die Gesamtbreite aller Blockteile 410 (D1 + D2)) kleiner als 1/2 der Breite D4 in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400. Daraus resultiert, dass gemäß dieser Ausführungsform im Vergleich zu einem Fall, in dem die Gesamtbreite in der horizontalen Richtung der Blockteile 410 gleich oder größer als 1/2 der Breite D4 in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400 ist, eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138 und einem gebondeten Glied in den Blockteilen 410, die einen relativ großen durchschnittlichen Durchmesser der Poren aufweisen, beschränkt wird, sodass die Bondingschicht 138 insgesamt eine hohe elektrische Leitfähigkeit sicherstellen kann.
Weiterhin ist der Bondingbereich 400, der die Blockteile 410 und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält, in allen Bondingschichten 138 zwischen der Kathode 114 und der Vielzahl von Stromsammelelementen 135 des kathodenseitigen Stromsammlers 134 ausgebildet. Daraus resultiert, dass im Vergleich zu einem Aufbau, in dem der Bondingbereich 400, der die Blockteile 410 und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält, nur in den Bondingschichten 138 zwischen der Kathode 114 und einem Teil der Stromsammelelemente 135 ausgebildet ist, die gesamte Bondingschicht 138 eine hohe elektrische Leitfähigkeit sicherstellen kann, indem sie die Ausbreitung eines Risses beschränkt und eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138 und einem gebondeten Glied beschränkt.
Und weil gemäß dieser Ausführungsform in dem Bondingbereich 400 der Blockteil 410 auf beiden horizontal gegenüberliegenden Seiten des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420 ausgebildet ist, kann die Ausbreitung eines Risses zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 von horizontal gegenüberliegenden Seiten beschränkt werden. Und weil die Bondingschicht 138 aus einem Spinelloxid mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, kann eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138 und einem gebondeten Glied effektiver beschränkt werden.
B. Modifikationen
Die hier offenbarte Technik ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, die auf verschiedene Weise modifiziert werden kann, um andere Ausführungsformen zu bilden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Zum Beispiel sind die folgenden Modifikationen möglich.
7 zeigt einen XZ-Schnitt des kathodenseitigen Stromsammlers 134 und einer Bondingschicht 138a gemäß einer ersten Modifikation. In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Breite in der horizontalen Richtung der Bondingschicht 138 breite als die Breite (die Distanz zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen LF) in der horizontalen Richtung des Stromsammelelements 135. Jedoch ist in dieser Modifikation wie in 7 gezeigt die Breite in der horizontalen Richtung der Bondingschicht 138a schmäler als die Breite in der horizontalen Richtung des Stromsammelelements 135. In einem derartigen Aufbau ist ein Bondingbereich 400a ein Teil des XZ-Schnitts der Bondingschicht 138a, wo die Bondingschicht 138a entlang der gesamten Länge einer geraden Linie in der vertikalen Richtung von der Kathode 114 zu dem Stromsammelelement 135 vorhanden ist, und dient somit als ein Strompfad zwischen der Kathode 114 und dem Stromsammelelement 135. Deshalb ist in dieser Modifikation der Bondingbereich 400a nicht der Bereich des gesamten XZ-Schnitts der Bondingschicht 138a, sondern fällt mit einem Bereich zwischen der Kathode 114 und dem Stromsammelelement 135 und zwischen vertikalen Linien, die durch gegenüberliegende Enden der Grenze (der Schnittfläche) zwischen der Bondingschicht 138a und dem Stromsammelelement 135 gehen, zusammen und enthält keine äußeren Bereiche, die extern in der horizontalen Richtung des Bereichs angeordnet sind. Insbesondere ist die Breite D4a in der horizontalen Richtung des Bondingbereichs 400a gleich der Länge der Grenze.
In dieser Modifikation weist der Bondingbereich 400a einen Blockteil 410a auf, der nur auf einer Seite (der linken Seite in 7) in der horizontalen Richtung eines Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420a ausgebildet ist und in dem eine die Porenanforderung erfüllende Pore Pa auf der Seite des Bondingbereichs 400a einer Schnittfläche zwischen der Kathode 114 und dem Bondingbereich 400a ausgebildet ist. Auch in diesem Aufbau kann die Ausbreitung eines Risses von einem Teil der Außenfläche der Bondingschicht 138a nahe dem Blockteil 410a in das Innere der Bondingschicht 138a und somit zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420a beschränkt werden. In dem Aufbau, in dem der Blockteil 410a nur auf der linken oder rechten Seite des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420a ausgebildet ist, macht vorzugsweise, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen, die Breite D3a in der horizontalen Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils 420a 60% oder mehr oder 75% oder mehr der horizontalen Breite D4a des Bondingbereichs 400a aus. Und vorzugsweise ist die Breite D1a in der horizontalen Richtung des Blockteils 410a kleiner als 1/3 oder kleiner als 1/4 der horizontalen Breite D4a des Bondingbereichs 400a.
8 zeigt einen XZ-Schnitt eines kathodenseitigen Stromsammlers 134b und einer Bondingsschicht 138b gemäß einer zweiten Modifikation. In der oben beschriebenen Ausführungsform stehen die Stromsammelelemente 135 des kathodenseitigen Stromsammlers 134 von dem Verbindungsglied 150 vor. In dieser Modifikation dagegen stehen Vorsprünge 135b von einer Kathode 114b zu einem Verbindungsglied 150b vor. Die Vorsprünge 135b sind aus dem gleichen Material ausgebildet wie die Kathode 114b, wobei die Vorsprünge 135b und die Kathode 114b als ein einstückiges Glied ausgebildet sind. Die Bondingschicht 138b bondet die Vorsprünge 135b und die untere flache Oberfläche des Verbindungsglieds 150b miteinander. Das Zwischenglied 150b entspricht dem Stromsammler der Erfindung.
Ein dazwischen liegender Bereich der Bondingschicht 138b, in dem der Vorsprung 135b und das Verbindungsglied 150b einander in der vertikalen Richtung zugewandt sind, ist ein Bondingbereich 400b. Der Bondingbereich 400b enthält zwei Blockteile 410b, in dem eine Pore Pb, die die Porenanforderung erfüllt, ausgebildet ist, und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420b. Die zwei Blockteile 410b sind einander in der horizontalen Richtung mit dazwischen dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420b zugewandt. Daraus resultiert, dass in der Bondingschicht 138b die Ausbreitung eines Risses beschränkt wird und die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden kann, indem die lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138b und einem gebondeten Objekt beschränkt wird.
9 zeigt einen XZ-Schnitt eines Brennstoffzellenstapels 100c gemäß einer dritten Modifikation. Und 10 zeigt einen XZ-Schnitt eines Stromsammlers 135c und einer Bondingschicht 138c gemäß der dritten Ausführungsform. 9 verzichtet auf eine Darstellung der im Folgenden beschriebenen Bondingschicht 138c (siehe 10). Wie in 9 gezeigt, weist der Brennstoffzellenstapel 100c dieser Modifikation eine Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten 102c auf, die mit einem dazwischen gelassenen vorbestimmten Intervall angeordnet sind. Die Vielzahl von Stromerzeugungseinheiten 102c sind elektrisch in Reihe durch die Stromsammler 135c verbunden, die jeweils zwischen den benachbarten Stromerzeugungseinheiten 102c angeordnet sind. Jede Stromerzeugungseinheit 102c weist eine flache Säulenform auf und umfasst ein Elektrodenhalteglied 520, eine Anode 116c, eine Festelektrolytschicht 112c, eine Kathode 114c und ein Verbindungsglied 150c.
Das Elektrodenhalteglied 520 ist ein säulenförmiges Glied, das einen elliptischen Querschnitt aufweist und aus einem porösen Material ausgebildet ist. Das Elektrodenhalteglied 520 weist eine Vielzahl von Brennstoffgas-Flusskanälen 510 auf, die darin ausgebildet sind und sich in einer Erstreckungsrichtung des Säulenglieds erstrecken. Die Anode 116c bedeckt eine von zwei parallelen, flachen Flächen, die zum Teil die Seitenfläche des Elektrodenhalteglieds 520 bildet, und bedeckt zwei gekrümmte Flächen, die zum Teil die Seitenfläche des Elektrodenhalteglieds 520 bilden und Endteile der flächen Flächen miteinander verbinden. Die Festelektrolytschicht 112c bedeckt die Seitenfläche der Anode 116c. Die Kathode 114c bedeckt den Teil der Seitenfläche der Festelektrolytschicht 112c, der an der flachen Fläche des Elektrodenhalteglieds 520 angeordnet ist. Das Verbindungsglied 150c ist an der flachen Fläche des Elektrodenhalteglieds 520 vorgesehen, an der die Anode 116c und die Festelektrolytschicht 112c nicht vorgesehen sind. Der Stromsammler 135c verbindet die Kathode 114c der Stromerzeugungseinheit 102c und das Verbindungsglied 150c der benachbarten Stromerzeugungseinheit 102c miteinander.
Wie in 10 gezeigt, bondet die Bondingschicht 138c den Stromsammler 135c und die untere flache Fläche der Kathode 114c miteinander. Ein Bondingbereich 400c ist zwischen dem am weitesten rechts liegenden Teil der linken Seitenwand (auf der negativen Seite in der X-Achsenrichtung) der Bondingschicht 138c und dem am weitesten links liegenden Teil der rechten Seitenwand (auf der positiven Seite in der X-Achsenrichtung) der Bondingschicht 138c angeordnet. Der Bondingbereich 400c enthält zwei Blockteile 410c, in den die Pore Pc, die die Porenanforderung erfüllt, ausgebildet ist, und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420c. Die zwei Blockteile 410c sind einander in der horizontalen Richtung mit dazwischen dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420c zugewandt. Daraus resultiert, dass in der Bondingschicht 138c die Ausbreitung eines Risses beschränkt wird und die elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden kann, indem die lokale Stromkonzentration in den Stromfluss zwischen der Bondingschicht 138c und einem gebondeten Glied beschränkt wird.
In dieser Modifikation ist die Gesamtbreite in der horizontalen Richtung der zwei Blockteile 410c (= D1c + D2c) gleich oder größer als 1/2 der Breite D4c in der horizontalen Richtung des Bonding-Bereichs 400c. Durch die Verwendung eines derartigen Aufbaus kann die Ausbreitung eines Risses zu dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 effektiver beschränkt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform kann der Bondingbereich 400, der die Blockteile 410 und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält, nur in den Bondingschichten 138 zwischen der Kathode 114 und einem Teil der Stromsammelelemente 135 des kathodenseitigen Stromsammlers 134 ausgebildet werden. Vorzugsweise macht der Teil der Stromsammelelemente 135 eine Hälfte oder mehr aller Stromsammelelemente 135 aus. Indem ein derartiger Aufbau verwendet wird, kann im Vergleich zu einem Fall, in dem die Kathode 114 und weniger als die Hälfte der Stromsammelelemente 135 durch die Bondingschichten 138, in denen der Bondingbereich 400 mit den Blockteilen 410 und dem Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 ausgebildet ist, miteinander gebondet sind, die Ausbreitung eines Risses beschränkt werden und eine lokale Stromkonzentration in dem Stromfluss zwischen den Bondingsschichten 138 und gebondeten Gliedern (der Kathode 114 und den Stromsammelelementen 135) beschränkt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl der Stromerzeugungseinheiten 102 in dem Brennstoffzellenstapel 100 lediglich beispielhaft und wird gemäß der erforderlichen Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 100 usw. bestimmt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform greift eine Mutter 24 in jedes der gegenüberliegenden Enden der Schraube 22 ein. Die Schraube 22 kann jedoch auch einen Kopf aufweisen, wobei in diesem Fall nur eine Mutter 24 in das Ende der Schraube 22 gegenüber dem Kopf eingreift.
In der oben beschriebenen Ausführungsform funktionieren die Endplatten 104 und 106 als Ausgangsanschlüsse. Es können aber auch andere Glieder, die jeweils mit den Endplatten 104 und 106 verbunden sind (z. B. elektrisch leitende Platten, die jeweils zwischen der Endplatte 104 und der Stromerzeugungseinheit 102 und zwischen der Endplatte 106 und der Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet sind) als Ausgangsanschlüsse funktionieren.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden Zwischenräume zwischen den Außenumfangsflächen der Schaftteile der Schrauben 22 und den Innenumfangsflächen der Verbindungslöcher 108 als Verteiler verwendet. Es können jedoch auch Axiallöcher in den Schaftteilen der Schrauben 22 ausgebildet sein, um als Verteiler verwendet zu werden. Weiterhin können die Verteiler auch separat zu den Verbindungslöchern 108, in die die Schrauben 22 eingesteckt werden, vorgesehen sein.
Wenn in der oben beschriebenen Ausführungsform zwei Stromerzeugungseinheiten 102 nebeneinander angeordnet sind, teilen sich die zwei benachbarten Stromerzeugungseinheiten 102 ein einzelnes Zwischenglied 150. Jedoch können die zwei Stromerzeugungseinheiten 102 auch in diesem Fall entsprechende Zwischenglieder 150 aufweisen. Weiterhin weist in der oben beschriebenen Ausführungsform die oberste Stromerzeugungseinheit 102 in dem Brennstoffzellenstapel 100 kein oberes Verbindungsglied 150 auf und weist die unterste Stromerzeugungseinheit 102 in dem Brennstoffzellenstapel 100 kein unteres Verbindungsglied 150 auf. Diese Verbindungsglieder 150 können jedoch auch vorgesehen sein und müssen in diesem Fall beseitigt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind der kathodenseitige Stromsammler 134 und das dazu benachbarte Verbindungsglied 150 als ein einstückiges Glied ausgebildet. Sie können jedoch auch als separate Glieder ausgebildet sein. Weiterhin kann in der oben beschriebenen Ausführungsform der anodenseitige Stromsammler 144 einen Aufbau aufweisen, der demjenigen des kathodenseitigen Stromsammlers 134 ähnlich ist, sodass also der anodenseitige Stromsammler 144 und das benachbarte Verbindungsglied 150 als ein einstückiges Glied ausgebildet sein können. Es kann auch der anodenseitige Rahmen 140 anstelle des kathodenseitigen Rahmens 130 ein Isolator sein. Weiterhin können der kathodenseitige Rahmen 130 und der anodenseitige Rahmen 140 einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die für das Ausbilden der Glieder verwendeten Materialien lediglich beispielhaft. Es können auch andere Materialien für die Glieder verwendet werden. Zum Beispiel ist in der oben beschriebenen Ausführungsform der kathodenseitige Stromsammler 134 aus einem Cr enthaltenden Metall ausgebildet. Jedoch kann der kathodenseitige Stromsammler 134 auch aus einem anderen Material ausgebildet sein, solange der kathodenseitige Stromsammler 134 mit dem Mantel 136 bedeckt ist. Weiterhin ist die Form jedes Stromsammelelements 135 des kathodenseitigen Stromsammlers 134 nicht auf eine rechteckige Säulenform beschränkt, sondern kann auch eine beliebige andere Form annehmen, solange jedes Stromsammelelement 135 von der Seite des Verbindungsglieds 150 zu der Kathode 114 vorsteht.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 jeweils aus Spinelloxiden ausgebildet, die die gleichen Hauptkomponentenelemente enthalten. Der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 können jedoch auch aus entsprechenden Spinelloxiden mit verschiedenen Hauptkomponentenelementen ausgebildet sein. Weiterhin sind in der oben beschriebenen Ausführungsform der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 aus entsprechenden Spinelloxiden ausgebildet, die Zn und/oder Mn sowie Co und/oder Cu enthalten. Der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 können jedoch auch aus entsprechenden Spinelloxiden ohne diese Elemente ausgebildet sein. In der oben beschriebenen Ausführungsform sind der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 aus entsprechenden Spinelloxiden ausgebildet. Der Mantel 136 und die Bondingschicht 138 können jedoch auch aus anderen Materialien wie etwa Oxiden des Perowskit-Typs ausgebildet sein. Wenn der Stromsammler aus einem Material besteht, das keiner Cr-Diffusion und keinem ähnlichen Problem unterliegt, kann der Stromsammler auch ohne einen Mantel vorgesehen sein.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird das wasserstoffreiche Brennstoffgas FG erhalten, indem ein Stadtgas reformiert wird. Das Brennstoffgas FG kann jedoch auch aus anderen Materialien wie etwa einem LP-Gas, Kerosin, Methanol oder Benzin erhalten werden oder es kann reiner Wasserstoff als das Brennstoffgas FG verwendet werden.
In dieser Beschreibung ist „ein Aufbau, in dem ein Glied (oder ein bestimmter Teil des Glieds; dies gilt auch für die folgende Beschreibung) B und ein Glied C einander mit dazwischen einem Glied A zugewandt sind” nicht auf einen Aufbau beschränkt, in dem das Glied A dem Glied B oder dem Glied C benachbart ist, sondern kann auch ein Aufbau sein, in dem ein anderes Komponentenelement zwischen dem Glied A und dem Glied B oder zwischen dem Glied A und dem Glied C angeordnet ist. Zum Beispiel kann ein Aufbau, in dem eine andere Schicht zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Kathode 114 angeordnet ist, ein Aufbau sein, in dem die Kathode 114 und die Anode 116 einander mit dazwischen der Elektrolytschicht 112 zugewandt sind.
In der oben beschriebenen Ausführungsform (oder in den oben beschriebenen Modifikationen; dies gilt auch für die folgende Beschreibung) weisen alle in dem Brennstoffzellenstapel 100 enthaltene Stromerzeugungseinheiten 102 einen Aufbau auf, in dem der Bondingbereich 400 der Bondingschicht 138 den Blockteil 410 und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil 420 enthält. Wenn jedoch wenigstens eine der Stromerzeugungseinheiten 102 in dem Brennstoffzellenstapel 100 einen derartigen Aufbau aufweist, kann die Ausbreitung eines Risses beschränkt werden und kann eine elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform nimmt auf eine SOFC zum Erzeugen von Strom unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen in einem Brennstoffgas enthaltenem Wasserstoff und in einem Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff Bezug, wobei die Erfindung jedoch auch auf eine Elektrolysezelleneinheit, die die kleinste Einheit einer Festoxidelektrolysezelle (SOEC) für das Erzeugen von Wasserstoff unter Verwendung der Elektrolyse von Wasser ist, und auf einen Elektrolysezellenstapel mit einer Vielzahl von Elektrolysezelleneinheiten angewendet werden kann. Weil der Aufbau des Elektrolysezellenstapels öffentlich bekannt ist und zum Beispiel in dem offengelegten japanischen Patent (kokai) Nr. 2014-207120 beschrieben wird, wird hier auf eine detaillierte Beschreibung desselben verzichtet, wobei der Elektrolysezellenstapel allgemein einen ähnlichen Aufbau aufweist wie der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben beschriebenen Ausführungsform. Das heißt, dass der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben beschriebenen Ausführungsform auch ein „Elektrolysezellenstapel” sein kann und die Stromerzeugungseinheit 102 auch eine „Elektrolysezelleneinheit` sein kann. In dem Betrieb des Elektrolysezellenstapels wird jedoch eine Spannung zwischen der Kathode 114 und der Anode 116 derart angelegt, dass die Kathode 114 eine positive Elektrode (Anode) ist und die Anode 116 eine negative Elektrode (Kathode) ist, und wird Wasserdampf als Materialgas durch das Verbindungsloch 108 zugeführt. Dies hat eine Elektrolyse von Wasser in den Elektrolysezelleneinheiten zur Folge, wodurch Wasserstoffgas in den Brennstoffkammern 176 erzeugt wird und Wasserstoff zu außerhalb des Elektrolysezellenstapels durch das Verbindungsloch 108 ausgeführt wird. Auch in der Elektrolysezelleneinheit und dem Elektrolysezellenstapel mit den oben genannten Aufbauten kann ähnlich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform durch die Verwendung eines Aufbaus, in dem der Bondingbereich der Bondingschicht den Blockteil und den Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil enthält, die Ausbreitung eines Risses beschränkt werden und eine elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden.
Die oben beschriebene Ausführungsform wird mit Bezug auf eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) beschrieben, wobei die Erfindung jedoch auch auf andere Typen von Brennstoffzellen (oder Elektrolysezellen) wie etwa eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC), eine Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC) oder eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) angewendet werden kann.
Die Erfindung wurde im Detail anhand von Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass verschiedene Änderungen an den Formen und den Details der hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der durch die folgenden Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-123586 vom 19. Juni 2015, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011-99159 [0002]
JP 2014-207120 [0097]
JP 2015-123586 [0100]

Claims

Elektrochemische Reaktionseinheit, umfassend: eine Einheitszelle einschließlich einer Elektrolytschicht, die ein Festoxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode, die einander in einer ersten Richtung mit dazwischen der Elektrolytschicht zugewandt sind, einen Stromsammler, der auf einer Kathodenseite der Einheitszelle angeordnet ist, und eine elektrisch leitende, poröse Bondingschicht, die den Stromsammler und die Kathode miteinander bondet, wobei in wenigstens einem Schnitt der Bondingschicht parallel zu der ersten Richtung ein zwischen dem Stromsammler und der Kathode angeordneter Bondingbereich enthält: einen Blockteil, in dem wenigstens eine Pore, die eine Porenanforderung, dass der Durchmesser in der ersten Richtung 20% oder mehr der Dicke des Bondingbereichs in der ersten Richtung ausmacht, erfüllt, wenigstens auf der Seite des Bondingbereichs einer Schnittfläche zwischen der Kathode und dem Bondingbereich oder auf der Seite des Bondingbereichs einer Schnittfläche zwischen dem Stromsammler und dem Bondingbereich ausgebildet ist, wobei sich der Blockteil von einem der gegenüberliegenden Enden in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung des Bondingbereichs, das näher zu der die Porenanforderung erfüllenden Pore ist, nach innen erstreckt und die die Porenanforderung erfüllende Pore erreicht und umfasst, und einen Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteil, der zu dem anderen Ende des Bondingbereichs in Bezug auf den Blockteil hin angeordnet ist und einen kleineren durchschnittlichen Durchmesser der Poren als der Blockteil aufweist.
Elektrochemische Reaktionseinheit nach Anspruch 1, wobei in dem wenigstens einen Schnitt die Gesamtbreite in der zweiten Richtung der Blockteile kleiner als 1/2 der Breite in der zweiten Richtung des Bondingbereichs ist.
Elektrochemische Reaktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Stromsammler eine Vielzahl von Vorsprüngen, die zu der Kathode vorstehen, aufweist, und die Kathode und wenigstens die Hälfte der Vielzahl von Vorsprüngen durch die Bondingschicht miteinander gebondet sind.
Elektrochemische Reaktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Stromsammler eine Vielzahl von Vorsprüngen, die zu der Kathode vorstehen, aufweist, und die Kathode und alle aus der Vielzahl von Vorsprüngen durch die Bondingschicht miteinander gebondet sind.
Elektrochemische Reaktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem wenigstens einen Schnitt der Blockteil auf beiden gegenüberliegenden Seiten in der zweiten Richtung des Elektrische-Leitfähigkeit-Sicherstellungsteils ausgebildet ist.
Elektrochemische Reaktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bondingschicht aus einem Spinelloxid ausgebildet ist.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheit für das Erzeugen von Strom, die die elektrochemische Reaktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheiten, wobei wenigstens eine aus der Vielzahl von Brennstoffzellen-Stromerzeugungseinheiten die elektrochemische Reaktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.