DE19842265C2

DE19842265C2 - Festelektrolyt-Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE19842265C2
Application number: DE19842265A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Taira
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: US6294279B1; JPH1197038A; DE19842265A1; JP3478080B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle und ein Verfah ren zur Herstellung der Festelektrolyt-Brennstoffzelle.

Eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle umfaßt eine Vielzahl von dreischichtigen Filmen, die jeweils eine Brennstoffelektrode, einen Festelektrolytfilm und eine Luftelektrode umfassen. Jeder dreischichtige Film besitzt eine flache plattenartige Form und wird üblicherweise entweder von einem selbständig stehenden Filmsystem oder einem gestützten Filmsystem getragen.

Bei dem selbständig stehenden Filmsystem, wie es in der bruchstückartigen Schnitt ansicht des dreischichtigen Films in Fig. 1 gezeigt ist, trägt ein Festelektrolytfilm 2, der dicker als die Brennstoffelektrode 1 oder die Luftelektrode 3 des dreischichtigen Films 4 ist, der die Brennstoffzelle umfaßt, das Gefüge des dreischichtigen Films 4.

Bei dem abgestützten Filmsystem wird der Aufbau des dreischichtigen Films von an deren Teilen als dem Festelektrolytfilm gehalten, und wie in der bruchstückartigen Schnittansicht des dreischichtigen Films in Fig. 2A gezeigt ist, kann das Gefüge des dreischichtigen Films 4 dadurch abgestützt werden, daß die Dicke der Luftelektrode 3 so festgelegt wird, daß sie größer als die der Brennstoffelektrode 1 und des Feste lektrolytfilms 2 ist, oder daß die Dicke der Brennstoffelektrode 1 größer als die des Festelektrolytfilms 2 und der Luftelektrode 3 festgelegt wird, wie in Fig. 2B angege ben ist.

Obwohl das selbständig stehende Filmsystem einen einfachen Aufbau besitzt, liegt das Problem darin, daß der Innenwiderstand der Zelle groß wird, weil der Festelek trolytfilm dick ist.

Bei dem gestützten Filmsystem kann die Dicke des Festelektrolytfilms selber redu ziert werden, und der Innenwiderstand der Zelle kann so gesteuert werden, daß er niedrig ist. Aber das Material der Luftelektrode aus (La, Sr) MnO₃ besitzt eine niedri gere Festigkeit als YSZ (mit Yttrium stabilisierte Zirkonerde), die im allgemeinen als das Material für den Festelektrolytfilm verwendet wird, und die Luftelektrode ist durchlässig, so daß es dem Luftgas erlaubt ist, durch die Elektrode zu wandern. Deshalb muß dann, wenn z. B. die Luftelektrode als Stützschicht verwendet wird, ihre Dicke ziemlich groß sein, damit eine Stützfestigkeit, die äquivalent zu der des Fest elektrolytfilms bei dem selbständig stehenden Filmsystem ist, vorgesehen wird. Das gleiche trifft zu, wenn statt der Luftelektrode die Brennstoffelektrode als Stützschicht verwendet wird.

Somit ist die Zelle, die die Basiseinheit für die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ist, im Falle des gestützten Filmsystems dicker als die bei dem selbständig stehen den Filmsystem, und als eine Folge davon besteht ein Problem darin, daß das Volu men der Festelektrolyt-Brennstoffzelle vergrößert wird. Gleichzeitig müssen die elek trischen Eigenschaften der Elektrode und die Reaktivität mit dem Festelektrolytfilm, mit dem die Elektrode verbunden ist, voll berücksichtigt werden, und es ist bis jetzt schwierig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbindungselements zu regu lieren, das den Zellen hinzugefügt wurde, um benachbarte Zellen elektrisch mitein ander zu verbinden, indem das Gas den in Betracht kommenden Elektroden zuge führt wird.

Angesichts des oben Gesagten besteht ein Bedarf nach einer Festelektrolyt-Brenn stoffzelle, die eine Stützfestigkeit besitzt, die ähnlich der Struktur ist, bei der der Fest elektrolytfilm die Stützschicht ist, obwohl hier der Festelektrolytfilm nicht die Stütz schicht ist, bei der das Größerwerden des Volumens gesteuert wird, und bei der der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen der Stützschicht und dem Verbindungsele ment problemlos reguliert werden kann. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Festelektrolyt-Brennstoffzelle benötigt.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle ausgerichtet, die diese Bedingungen erfüllt. Die Festelektrolyt-Brennstoffzelle umfaßt einen drei schichtigen Film, bei dem eine Luftelektrode auf einer Oberfläche des Festelektrolyt films angeordnet ist und eine Brennstoffelektrode auf der anderen Fläche angeordnet ist, eine Stützschicht, die eine Oberfläche aufweist, die mit der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode des dreischichtigen Films verbunden ist, und eine Sammel schicht, die mit der anderen Oberfläche der Stützschicht verbunden ist, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelektrode und die Sammelschicht, oder die Luftelektrode und die Sammelschicht elektrisch miteinander durch Bohrungen verbunden sind, die in der Dickenrichtung der Hauptfläche der Stützschicht ausgebil det sind.

Wenn bei der Herstellung einer derartigen Festelektrolyt-Brennstoffzelle die Form körper für den Festelektrolytfilm, die Luftelektrode, die Brennstoffelektrode, die Stütz schicht, in der Löcher in der Dickenrichtung der Hauptfläche ausgebildet sind, und die Sammelschicht jeweils laminiert werden, um einen laminierten Körper zu bilden, wird der laminierte Körper gepreßt, und das Material des geformten Körpers für die Luftelektrode oder die Brennstoffelektrode, und das Material der Sammelschicht wer den in die Bohrung der Stützschicht gefüllt, und die Luftelektrode oder die Brenn stoffelektrode können problemlos mit der Sammelschicht durch die Bohrung in der Stützschicht verbunden werden.

In ähnlicher Weise können der Formkörper für den Festelektrolytfilm, die Luftelektro de, die Brennstoffelektrode und die Stützschicht, in der Löcher in der Dickenrichtung der Hauptfläche ausgebildet sind, jeweils laminiert werden, um einen Laminatkörper zu bilden, der Laminatkörper wird gebacken, und die Oberfläche der Stützschicht wird mit einer Paste des Elektrodenmaterials für die Sammelschicht überzogen, um die Sammelschicht zu bilden, und wenn das Elektrodenmaterial für die Sammel schicht in die Bohrung eingefüllt ist, die in der Stützschicht ausgebildet ist, kann die Luftelektrode oder die Brennstoffelektrode leicht mit der Sammelschicht durch die Bohrung in der Stützschicht verbunden werden.

Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen ver schiedene Formen gezeigt, die im Augenblick bevorzugt werden, wobei aber zu ver stehen ist, daß die Erfindung nicht auf die gezeigten genauen Anordnungen und Mittel begrenzt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine bruchstückartige Schnittansicht des dreischichtigen Films in einer her kömmlichen Festelektrolyt-Brennstoffzelle des selbständig stehenden Film systems,

Fig. 2A eine bruchstückartige Schnittansicht des dreischichtigen Films, bei dem die Luftelektrode die Stützschicht in einer herkömmlichen Festelektrolyt-Brenn stoffzelle des gestützten Filmsystems ist,

Fig. 2B eine bruchstückartige Schnittansicht des dreischichtigen Films, bei dem die Brennstoffelektrode die Stützschicht in einer herkömmlichen Festelektrolyt- Brennstoffzelle des gestützten Filmsystems ist,

Fig. 3 eine bruchstückartige Schnittansicht der Brennstoffelektrode, des Festelek trolytfilms, der Luftelektrode, der Stützschicht und der Sammelschicht nach dem Pressen in der Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfin dung,

Fig. 4 eine bruchstückartige Schnittansicht der Sammelschicht, der Stützschicht, der Luftelektrode, des Festelektrolytfilms und der Brennstoffelektrode nach dem Backen der Sammelschicht in der Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Brenn stoffelektrode, des Festelektrolytfilms, der Luftelektrode, der Stützschicht, in der Bohrungen ausgebildet sind, und der Sammelschicht vor dem Pressen in der Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine bruchstückartige Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 5,

Fig. 7 eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Stütz schicht, in der Bohrungen ausgebildet sind, der Luftelektrode, des Festelek trolytfilms und der Brennstoffelektrode in der Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung,

Fig. 8 eine bruchstückartige Schnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 7,

Fig. 9 eine bruchstückartige Schnittansicht der Brennstoffelektrode, des Festelek trolytfilms, der Luftelektrode und der Sammelschicht des Vergleichsbei spiels 1,

Fig. 10 eine bruchstückartige Schnittansicht der Brennstoffelektrode, des Festelek trolytfilms, der Luftelektrode und der Sammelschicht des Vergleichsbei spiels 2,

Fig. 11 eine bruchstückartige Schnittansicht der Festelektrolyt-Brennstoffzelle in einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin dung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer erläutert.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung einen dreischichtigen Film 4, eine Stützschicht 5 und eine Sammelschicht 6. Die Stützschicht 5 ist zwischen dem dreischichtigen Film 4 und der Sammelschicht 6 angeordnet. Die Stützschicht 5, der dreischichtige Film 4 und die Sammelschicht 6 bilden eine Zelleinheit der Festelektrolyt-Brennstoffzelle.

Der dreischichtige Film umfaßt eine Brennstoffelektrode 1, einen Festelektrolytfilm 2 und eine Luftelektrode 3 und ist so aufgebaut, daß die Luftelektrode 3 auf einer Oberfläche des Festelektrolytfilms 2 angeordnet ist, und daß die Brennstoffelektrode 1 auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytfilms 2 angeordnet ist.

Eine Hauptfläche der Stützschicht 5 ist mit der Luftelektrode 3 verbunden, und die andere Hauptfläche der Stützschicht 5 ist mit der Sammelschicht 6 verbunden. Die Stützschicht 5 besitzt eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen 7, die sich zwischen deren beiden Hauptflächen erstrecken, und die Luftelektrode 3 und die Sammel schicht 6 stehen durch diese Durchgangsbohrungen 7 miteinander in Kontakt und sind durch diese elektrisch miteinander verbunden. Bei der speziell in Fig. 3 gezeig ten Struktur ragen sowohl die Luftelektrode 3 als auch die Sammelschicht 6 in Rich tung auf die Durchgangsbohrungen 7 vor, um den physischen sowie den elektrischen Kontakt herzustellen.

Die Luftelektrode 3 und die Sammelschicht 6 können auch einen anderen Aufbau aufweisen, um den physischen und den elektrischen Kontakt zwischen ihnen zu er zielen. Zum Beispiel können die Durchgangsbohrungen 7 der Stützschicht 5 im we sentlichen nur mit dem vorstehenden Abschnitt der Sammelschicht 6 ausgefüllt sein, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Obwohl die Stützschicht 5 in der in Fig. 3 bzw. Fig. 4 gezeigten Festelektrolyt-Brenn stoffzelle auf der Luftelektrode 3 ausgebildet ist, kann die Stützschicht 5 auch auf der Brennstoffelektrode 1 vorgesehen werden, und die Brennstoffelektrode 1 kann sich in Kontakt mit der Sammelschicht 6 befinden und elektrisch damit verbunden sein.

Bei diesem Aufbau werden weder der Festelektrolytfilm, noch die Luftelektrode, noch die Brennstoffelektrode des dreischichtigen Films als Stützschicht verwendet, son dern es wird ein anderes unabhängiges Element als Stützschicht eingesetzt. Deshalb wird die Festelektrolyt-Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung durch die Auswahl eines geeigneten Materials für die Stützschicht mit einer Festigkeit versehen, die ähnlich der der Stützstruktur des dreischichtigen Films des selbständig stehenden Systems ist, während das Größerwerden des Volumens der Festelektrolyt-Brenn stoffzelle verhindert wird.

Und obwohl die Stützfestigkeit der Stützschicht in Betracht gezogen werden sollte, müssen ihre elektrischen Eigenschaften nicht berücksichtigt werden, was sich von dem Fall unterscheidet, bei dem die Luftelektrode oder die Brennstoffelektrode die Stützschicht darstellen. Als eine Folge davon wird es leichter, den Wärmeausdeh nungskoeffizienten zwischen der Stützschicht und dem Verbindungselement einzu stellen.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf speziellere Bei spiele beschrieben.

Beispiel 1

Lanthanoxid, Strontiumkarbonat, Mangankarbonat, Zirkonoxid, Yttriumoxid und Nic keloxid werden als die Ausgangsrohstoffe vorbereitet.

Ein Pulver aus der Mischung von Nickeloxid und Zirkonoxid, dem 8 Mol-% Yttrium oxid hinzugefügt wird, wird als das Material für die Brennstoffelektrode aus den Ausgangsrohmaterialien hergestellt. Ein Bindemittel (Polyvinylbutyral-Bindemittel) und eine geeignete Menge an Lösungsmittel (Ethanol und Toluol) werden dem Pulver hinzugefügt, um einen Brei zu erhalten, und eine Grünfolie für die Brennstoffelektro de wird mit einer Dicke von 50 µm aus dem Brei unter Verwendung des Rakelverfah rens hergestellt. Die Grünfolie wird auf die Abmessungen von 160 mm (in der Länge) × 160 mm (in der Querrichtung) zugeschnitten.

Dann wird ein Zirkonoxid-Pulver, dem 8 Mol% Yttriumoxid hinzugefügt worden sind, aus den Anfangsrohmaterialien als das Material für den Festelektrolytfilm hergestellt. Das Bindemittel und das Lösungsmittel werden dem Pulver in einer geeigneten Men ge hinzugefügt, um den Brei in einer ähnlichen Weise zu erhalten, wie dies bei der Grünfolie für die Brennstoffelektrode durchgeführt worden ist, und die Grünfolie für den Festelektrolytfilm wird mit einer Dicke von 50 µm aus dem Brei unter Verwen dung des Rakelverfahrens hergestellt. Die Grünfolie wird längs und quer auf die glei chen Abmessungen zugeschnitten wie die Grünfolie für die Brennstoffelektrode.

Ein Pulver aus La_0,7Sr_0,3MnO₃ wird aus den Anfangsrohmaterialien als das Material für die Luftelektrode und das Material für die Sammelschicht vorbereitet. Das Binde mittel und das Lösungsmittel werden dem Pulver in einer geeigneten Menge hinzu gefügt, um den Brei in ähnlicher Weise zu erhalten, wie dies für die Grünfolie für die Brennstoffelektrode geschehen ist, und Grünfolien für die Luftelektrode und die Sammelschicht werden mit einer Dicke von 100 µm aus dem Brei unter Verwendung des Rakelverfahrens hergestellt und in der Längsrichtung und in der Querrichtung auf die gleichen Abmessungen zurechtgeschnitten wie die Grünfolie für die Brenn stoffelektrode.

Ein Zirkonoxid-Pulver, dem 3 Mol-% Yttriumoxid hinzugefügt wurden, wird aus den Ausgangsrohstoffen als das Material für die Stützschicht hergestellt. Das Bindemittel und das Lösungsmittel werden dem Pulver in einer geeigneten Menge hinzugefügt, um den Brei in einer ähnlichen Weise zu erhalten, wie dies für die Grünfolie für die Brennstoffelektrode erfolgt ist, und eine Grünfolie für die Stützschicht wird mit einer Dicke von 200 µm aus dem Brei unter Verwendung des Rakelverfahrens hergestellt, und die Grünfolie wird längs und quer auf die gleichen Abmessungen zurechtge schnitten wie die Grünfolie für die Brennstoffelektrode. Außerdem werden Durch gangsbohrungen mit einem Durchmesser von etwa 3 mm in der Dickenrichtung der Hauptfläche der Grünfolie für die Stützschicht ausgestanzt, wobei deren Umfangs kantenteil intakt gelassen wird und die Umfangsendteile der Bohrungen in einem Ab stand von 1 mm voneinander gehalten werden.

Die jeweiligen Grünfolien werden in der Reihenfolge der Brennstoffelektrode 1, des Festelektrolytfilms 2, der Luftelektrode 3, der Stützschicht 5 mit Bohrungen 7, die in der Dickenrichtung ausgebildet sind, und der Sammelschicht 6 aufeinandergestapelt, um den Laminatkörper zu bilden, wie in der teilweise auseinandergezogenen per spektivischen Ansicht in Fig. 5 gezeigt ist.

Eine bruchstückartige Schnittansicht ist in Fig. 6 gezeigt, die entlang der Linie A-A aufgenommen ist, die durch den mittleren Teil der Bohrung 7 in der Stützschicht 5 in der teilweise auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht in Fig. 5 wandert.

Dann wird der Reihe nach der laminierte Körper in einem Plastikbeutel plaziert, dem Beutel wird die Luft abgesaugt, um einen Unterdruckzustand herzustellen, und der laminierte Körper wird unter Verwendung einer warmen hydrostatischen Presse (im folgenden kurz "Hydropresse" genannt) gepreßt, um den laminierten Körper zu bil den, der in Fig. 3 gezeigt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für die Luftelektrode 3 und die Sammelschicht 6 ein übliches Elektrodenmaterial (La_0,7Sr_0,3 MnO₃) verwendet, und aufgrund der Druckbeaufschlagung beim Pressen mit der warmen Hydropresse wird das Elektrodenmaterial in die Bohrungen (die Teile zwi schen den gestrichelten Linien) in der Stützschicht 5 ausgehend von der Luftelektro de 3 und der Sammelschicht 6 oberhalb und unterhalb der Stützschicht 5 eingefüllt, und als eine Folge davon wird die Luftelektrode 3 elektrisch mit der Sammelschicht 6 durch die Bohrungen in der Stützschicht 5 verbunden.

Dann wird der gepreßte laminierte Körper aus dem Plastikbeutel herausgenommen und 2 Stunden lang bei einer Temperatur von 1300°C gebacken, um einen Sinter körper zu erhalten.

Beispiel 2

Die Grünfolien, die jeweils für die Brennstoffelektrode, den Festelektrolytfilm, die Luftelektrode und die Stützschicht verwendet werden, werden in ähnlicher Weise wie beim Beispiel 1 hergestellt.

Genauer gesagt werden Lanthanoxid, Strontiumkarbonat, Mangankarbonat, Zirkon oxid, Yttriumoxid und Nickeloxid jeweils als die Ausgangsrohmaterialien vorbereitet. Ein Pulver wird aus den Ausgangsrohstoffen hergestellt, das Bindemittel und das Lösungsmittel werden dem Pulver hinzugefügt, um einen Brei zu erhalten, und die Grünfolie (50 µm Dicke) für die Brennstoffelektrode, die Grünfolie (50 µm Dicke) für den Festelektrolytfilm, die Grünfolie (100 µm Dicke) für die Luftelektrode, und die Grünfolie (200 µm Dicke) für die Stützschicht werden jeweils hergestellt.

Die jeweils erhaltenen Grünfolien werden wie beim Beispiel 1 auf Abmessungen von 160 mm (in der Längsrichtung) × 160 mm (in der Querrichtung) zugeschnitten.

Löcher von etwa 3 mm Durchmesser werden in der Dickenrichtung der Hauptfläche der Grünfolie für die Stützschicht von ihren Umfangskanten aus nach innen gerichtet ausgestanzt, und die Umfangsendteile der Löcher werden in einem Abstand von 1 mm entfernt voneinander gehalten.

Die jeweiligen Grünfolien werden in der Reihenfolge der Brennstoffelektrode 1, des Festelektrolytfilms 2, der Luftelektrode 3 und der Stützschicht 5, die die Bohrungen bzw. Löcher aufweist, die in der Dickenrichtung ausgebildet sind, aufeinandergesta pelt, um den laminierten Körper zu bilden, wie in der teilweise auseinandergezoge nen perspektivischen Ansicht von Fig. 7 gezeigt ist, und der laminierte Körper wird 2 Stunden lang bei der Temperatur von 1300°C gebacken, um einen Sinterkörper zu erhalten.

Fig. 8 ist eine bruchstückartige Schnittansicht des Sinterkörpers, die entlang der Linie B-B aufgenommen ist, die sich durch den mittleren Teil der Löcher 7 in der Stütz schicht 5 in der teilweise auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht von Fig. 7 erstreckt.

Das gleiche Pulver aus La_0,7Sr_0,3MnO₃ wie bei dem Material für die Luftelektrode wird als das Material für die Sammelschicht hergestellt, und ein Lösungsmittel wird dem Pulver hinzugefügt, um die Paste des Elektrodenmaterials für die Sammelschicht herzustellen.

Die Paste des Elektrodenmaterials für die Sammelschicht wird im Siebdruckverfah ren auf der Oberfläche der Stützschicht des vorher erhaltenen Sinterkörpers aufge bracht, um die Sammelschicht mit einer Dicke von 100 µm zu bilden, und dann wird die Sammelschicht getrocknet und anschließend gebacken.

Fig. 4 ist eine bruchstückartige Schnittansicht der Sammelschicht, die auf der Ober fläche der Stützschicht ausgebildet und gebacken wird. Bei dem vorliegenden Aus führungsbeispiel wird ein allgemein übliches Elektrodenmaterial (La_0,7Sr_0,3MnO₃) für die Luftelektrode 3 und die Sammelschicht 6 benutzt, und aufgrund des Aufbringens der Paste des Elektrodenmaterials für die Sammelschicht auf der Oberfläche der Stützschicht durch das Siebdruckverfahren wird das Elektrodenmaterial in die Löcher (die Teile zwischen den gestrichelten Linien) in der Stützschicht 5 gefüllt, und als ei ne Folge davon wird die Luftelektrode 3 elektrisch mit der Sammelschicht 6 durch die Löcher in der Stützschicht 5 verbunden.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Elektrodenmaterial (La_0,7Sr_0,3 MnO₃), das in die Löcher in den Stützschichten 5 gefüllt wird, durchlässig, und das Luftgas kann in einer ähnlichen Weise wie bei der porösen Luftelektrode 3 und der porösen Sammelschicht 6 hindurchdringen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Stützschicht mit einer Fläche von 256 cm² (Abmessungen: 160 mm (längs) × 160 mm (quer)) und einer Dicke von 200 µm hergestellt, und Zirkonoxid, dem 3 Mol-% Yttriumoxid hinzugefügt wurden, wird als ein Material mit einer hohen Festigkeit verwendet. Somit kann selbst dann, wenn die Fläche der Stützschicht noch bis auf 400 cm² erhöht wird, die Dicke auf etwa 500 µm gedrückt werden.

Außerdem werden, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angegeben ist, keine elektrischen Eigenschaften in der unabhängigen Stützschicht benötigt, da sie nicht als Elektrode verwendet wird, und wenn z. B. Al₂O₃ etc. zu der Stützschicht aus ZrO₂ hinzugefügt wird, die 3 Mol-% Y₂O₃ enthält, das eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist, können die Festigkeit der Stützschicht und der Wärmeausdehnungskoeffi zient weiter verbessert werden.

Vergleichsbeispiel 1

Die Struktur des stützenden Filmsystems, bei dem die Luftelektrode die Stützschicht ist, wird als ein Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Das gleiche Material mit der gleichen Dicke wie bei den Beispielen 1 und 2 wird für die Brennstoffelektrode und den Fest elektrolytfilm verwendet, während eine Luftelektrode dicker als die der Ausführungs beispiele 1 und 2 ausgebildet wird, um eine Stützfestigkeit, die äquivalent zu der der Beispiele 1, 2 ist, bei denen die unabhängige Stützschicht verwendet wird, mit dem gleichen Material vorzusehen, wie es bei den Beispielen 1 und 2 verwendet worden ist.

Genauer gesagt wird das Vergleichsbeispiel hergestellt, indem die jeweiligen Grünfo lien für die Brennstoffelektrode (50 µm Dicke), für den Festelektrolytfilm (50 µm Dic ke), für die Luftelektrode (1000 µm Dicke) und für die Sammelschicht (10 µm Dicke) in der gleichen Weise hergestellt werden wie diejenigen von Beispiel 1. Bei der Struktur des Vergleichsbeispiels ist die Luftelektrode ausreichend dick, und somit wird eine Grünfolie für die Sammelschicht verwendet, die dünner (10 µm Dicke) als die vom Beispiel 1 ist.

Die Grünfolien werden in der Reihenfolge der Brennstoffelektrode, des Festelektro lytfilms, der Luftelektrode und der Sammelschicht laminiert, um den Laminatkörper zu bilden, der laminierte Körper wird in einen Plastikbeutel gesteckt, dem Beutel wird die Luft abgesaugt, um einen Vakuumzustand herzustellen, und der laminierte Körper wird unter Verwendung der warmen Hydropresse gepreßt.

Dann wird der gepreßte Laminatkörper aus dem Plastikbeutel herausgenommen und 2 Stunden lang bei der Temperatur von 1300°C gebacken, um einen Sinterkörper zu erhalten.

Fig. 9 ist eine bruchstückartige Schnittansicht des erhaltenen Sinterkörper, in der 1 die Brennstoffelektrode bezeichnet, 2 den Festelektrolytfilm bezeichnet, 3 die Luft elektrode bezeichnet, und 6 die Sammelschicht bezeichnet.

Vergleichsbeispiel 2

Als ein Vergleichsbeispiel 2 wird die Struktur des selbständig stehenden Filmsystems hergestellt, bei dem der Festelektrolytfilm die Stützschicht ist. Das gleiche Material mit der gleichen Dicke wie bei den Beispielen 1 und 2 wird für die Brennstoffelektrode verwendet, während eine Grünfolie für den Festelektrolytfilm dicker als diejenigen der Beispiele 1 und 2 hergestellt wird, um die Stützfestigkeit vorzusehen, die äquivalent zu der der Beispiele 1 und 2 ist, die die unabhängige Stützschicht aufweisen. Die Luftelektrode ist so dick wie die Brennstoffelektrode.

Genauer gesagt werden die jeweiligen Grünfolien für die Brennstoffelektrode (50 µm Dicke), für den Festelektrolytfilm (200 µm Dicke), für die Luftelektrode (50 µm Dicke) und für die Sammelschicht (10 µm Dicke) in einer ähnlichen Weise wie die von Bei spiel 1 hergestellt.

Die Grünfolien werden in der Reihenfolge der Brennstoffelektrode, des Festelektro lytfilms, der Luftelektrode und der Sammelschicht laminiert, um den laminierten Kör per zu bilden, der laminierte Körper wird in einen Plastikbeutel gesteckt, dem Beutel wird die Luft abgesaugt, um einen Vakuumzustand herzustellen, und der Laminat körper wird unter Verwendung der warmen Hydropresse gepreßt.

Dann wird der gepreßte laminierte Körper aus dem Plastikbeutel herausgenommen und 2 Stunden lang bei der Temperatur von 1300°C gebacken, um einen Sinterkör per zu erhalten.

Fig. 10 ist eine bruchstückartige Schnittansicht des erhaltenen Sinterkörpers, in der 1 die Brennstoffelektrode bezeichnet, 2 den Festelektrolytfilm bezeichnet, 3 die Lufte lektrode bezeichnet, und 6 die Sammelschicht bezeichnet.

Die jeweiligen Herstellungskonditionen der Brennstoffelektrode, des Festelektrolyt films, der Luftelektrode, der Stützschicht und der Sammelschicht sind in Tabelle 1 für das Beispiel 1, das Beispiel 2, das Vergleichsbeispiel 1 und das Vergleichsbeispiel 2 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich wird, beträgt die Dicke der Luftelektrode, die im Ver gleichsbeispiel 1 auch als die Stützschicht verwendet wird, 1000 µm, während die Dicke der Luftelektrode, die von der unabhängigen Stützschicht getragen wird, in den Beispielen 1 und 2 bei 100 µm liegt, was 1/10 der Dicke der Luftelektrode des Ver gleichsbeispiels 1 darstellt, und die gesamte Dicke (einschließlich der Dicke von 200 µm der Stützschicht) beträgt 300 µm und eine Dicke von 1/3 oder weniger als die der Luftelektrode des Vergleichsbeispiels 1. Die gesamte Dicke wird 500 µm, einschließ lich der restlichen Komponenten, d. h. des Festelektrolytfilms von 50 µm, der Brenn stoffelektrode von 50 µm, und der Sammelelektrode von 100 µm, was die Hälfte oder weniger der gesamten Dicke von 1110 µm des Vergleichsbeispiels 1 darstellt. Vergli chen mit der Gesamtdicke von 310 µm beim Vergleichsbeispiel 2 erhöht sich die Ge samtdicke bei den Beispielen 1 und 2 auf 500 µm. Aber bei den Beispielen 1 und 2 kann die Dicke des Festelektrolytfilms von 200 µm wie beim Vergleichsbeispiel 2 auf 50 µm reduziert werden, und der Innenwiderstand der Zelle wird unterdrückt und die Zellenleistung wird verbessert.

Die Sammelschicht vermittelt den Kontakt zwischen der Elektrode und einem Verbin dungselement (in der Figur nicht angegeben) und ist vorgesehen, um den Verlust an Strom zu unterdrücken, der in der Elektrodenfläche fließt, wenn der Strom, der in der Nähe des Mittelpunkts des Gasflußdurchgangs erzeugt wird, in der Querrichtung der Elektrodenfläche fließt. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist die Luft elektrode nur 100 µm dick, und der Widerstand wird erhöht, wenn Elektronen fließen. Die Sammelschicht ist vorgesehen, um mit dem erhöhten Widerstand fertig zu wer den und die Elektrode mit dem Verbindungselement zu verbinden, weil die unabhän gige Stützschicht zwischen der Elektrode und dem Verbindungselement vorhanden ist. Im Falle der Struktur des Vergleichsbeispiels 1 ist keine unabhängige Stütz schicht vorgesehen, und der Widerstand ist klein, weil die Luftelektrode 1000 µm dick ist, und es gibt einige Fälle, bei denen keine Sammelschicht vorgesehen ist. Die Durchlässigkeit jeder Luftelektrode und jeder Sammelschicht bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 wird auf etwa 40% festgelegt.

Bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen ist die Stützschicht auf der Luftelektro denseite angeordnet, aber ungeachtet dessen kann die Stützschicht bei der vorlie genden Erfindung auch auf der Brennstoffelektrodenseite angeordnet werden. Au ßerdem können die Stützschicht 5, die Löcher aufweist, und die Sammelschicht 6 jeweils auf der Seite der Brennstoffelektrode 1 und der Seite der Luftelektrode 3 quer zum Festelektrolytfilm 2 angeordnet werden, wie in der bruchstückartigen Schnittan sicht von Fig. 11 gezeigt ist, und die Brennstoffelektrode 1 und die Sammelschicht 6 bzw. die Luftelektrode 3 und die Sammelschicht 6 sind durch die Löcher in der Stütz schicht 5 elektrisch miteinander verbunden. Der Sammelkörper mit einer solchen Struktur kann in den vorliegenden Ausführungsbeispielen durch jedes bekannte Verfahren des Grünfoliensystems und des Elektrodenmaterialpastensystems herge stellt werden.

Die Dicke der Festelektrolyt-Brennstoffzelle des gestützten Filmsystems kann im Vergleich zu der Struktur, bei der die herkömmliche Luftelektrode oder Brennstoffe lektrode die Stützschicht ist, auf die Hälfte oder weniger reduziert werden. Somit kann das Volumen der Festelektrolyt-Brennstoffzelle reduziert werden, um einen Beitrag zur Miniaturisierung der Zelle zu leisten, und die damit zusammenhängenden Materialkosten können ebenfalls reduziert werden.

Verglichen mit dem selbständig stehenden Filmsystem, bei dem der Festelektrolytfilm die Stützschicht ist, kann eine ähnliche Stützfestigkeit erzielt werden, die Dicke des Festelektrolytfilms kann reduziert werden, und der Innenwiderstand der Zelle kann gesteuert werden.

Bei der vorliegenden Erfindung stellt keine der Elektroden des dreischichtigen Films die Stützschicht dar, sondern es wird eine unabhängige Stützschicht verwendet, und die elektrischen Eigenschaften der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode wer den aufgrund dieser Struktur nicht beeinträchtigt. Somit kann der Wärmeausdeh nungskoeffizient problemlos reguliert werden, wenn das Verbindungselement gegen über der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode des dreischichtigen Films ange ordnet wird.

Außerdem kann die Luftelektrode oder die Brennstoffelektrode elektrisch mit der Sammelschicht verbunden werden, indem das Elektrodenmaterial der Luftelektrode, der Brennstoffelektrode oder der Sammelschicht in die Löcher gefüllt wird, die in der Stützschicht durch ein relativ einfaches Herstellungsverfahren ausgebildet worden sind.

Es sind zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart worden, aber verschiedene Arten der Durchführung der hier offenbarten Grundsätze werden als im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche liegend betrachtet. Deshalb ist es selbstver ständlich, daß der Rahmen der Erfindung nicht eingeschränkt werden soll, mit Aus nahme dessen, was in den Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit
einem dreischichtigen Film, bei dem ein Luftelektrodenfilm auf einer Oberflä che eines Festelektrolytfilms angeordnet ist und ein Brennstoffelektrodenfilm auf der anderen Fläche des Festelektrolytfilms angeordnet ist,
einer Stützschicht, die erste und zweite Oberflächen und mindestens eine Boh rung aufweist, die in der Dickenrichtung der Hauptfläche der Stützschicht aus gebildet ist, wobei die erste Oberfläche mit einem Elektrodenfilm des dreischichtigen Films verbunden ist, und
einer Sammelschicht, die mit der zweiten Oberfläche der Stützschicht verbun den ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschicht durch die Bohrung elektrisch mit der Elektrode verbunden ist, die mit der ersten Fläche verbunden ist.

2. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht eine Vielzahl von Bohrungen enthält, und daß die Sammelschicht elektrisch durch eine Vielzahl der Bohrungen mit der Elektrode ver bunden ist, die mit der ersten Oberfläche verbunden ist.

3. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche mit dem Luftelektrodenfilm des dreischichtigen Films ver bunden ist.

4. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschicht durch die Bohrung hindurch elektrisch mit der Elektrode, die mit der ersten Oberfläche verbunden ist, mittels eines Abschnitts zumin dest entweder der Sammelschicht oder der Elektrode verbunden ist, der sich in die Bohrung erstreckt.

5. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelschicht mit der Elektrode, die mit der ersten Oberfläche verbunden ist, durch die Bohrung mittels eines elektrisch leitenden Materials, das in der Bohrung angeordnet ist, elektrisch verbunden ist.

6. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche mit dem Brennstoffelektrodenfilm des dreischichtigen Films verbunden ist.

7. Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen nach Anspruch 2 umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ne beneinanderliegende Brennstoffzellen ein Verbindungselement umschließen.

8. Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen nach Anspruch 1 umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ne beneinanderliegende Brennstoffzellen ein Verbindungselement umschließen.

9. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren, gekennzeichnet durch:
das Vorsehen eines dreischichtigen Films, bei dem sich ein Luftelektrodenfilm auf einer Oberfläche eines Festelektrolytfilms befindet, und sich eine Brenn stoffelektrode auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytfilms befindet, das Vorsehen einer Stützschicht, die erste und zweite Oberflächen und min destens eine Bohrung in der Dickenrichtung der Hauptfläche davon aufweist, das Anordnen der ersten Oberfläche der Stützschicht auf einer Elektrodenfilm oberfläche des dreischichtigen Films,
das Anordnen einer Sammelschicht auf der zweiten Oberfläche der Stütz schicht, um dadurch einen vielschichtigen Körper zu bilden, und
das Laminieren des Körpers unter Druck, um eine elektrische Verbindung zwi schen der Elektrode und der Sammelschicht durch die Bohrungen zu errich ten.

10. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß die Stützschicht eine Vielzahl von Bohrungen ent hält und eine elektrische Verbindung durch eine Vielzahl dieser Bohrungen hergestellt wird.

11. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche mit dem Luftelektrodenfilm des dreischichtigen Films verbunden ist.

12. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung durch die Bohrung er richtet wird, indem bewirkt wird, daß sich mindestens ein Abschnitt zumindest entweder der Sammelschicht oder der Elektrode in die Bohrung erstreckt.

13. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung durch die Bohrung dadurch errichtet wird, daß ein elektrisch leitendes Material vorgesehen wird, das sich in der Bohrung befindet.

14. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche mit dem Brennstoffelektro denfilm des dreischichtigen Films verbunden ist.

15. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß der geschichtete Film gebacken wird, bevor die Sammelschicht auf der zweiten Oberfläche angeordnet wird.

16. Festelektrolyt-Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, da durch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitende Paste vor dem Backen in die Bohrungen eingeführt wird.