(57)【要約】  本開示は、陰極層、陰極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する陽極層を具備する第１セルを含む一体化されたＳＯＦＣ積層体に関する。又、ＳＯＦＣ積層体は、陰極層、陰極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する陽極層を具備する第２セルをも含む。ＳＯＦＣ積層体は、第１セルと第２セルの間のセラミック相互接続層をも更に含み、セラミック相互接続層は、第１セルとセラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第１高温結合領域を有する。又、セラミック相互接続層は、第２セルとセラミック相互接続層の間の界面領域に沿った第２高温結合領域をも含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極層、前記陰極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する陽極層を具備する第１セルと、
陰極層、前記陰極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する陽極を具備する第２セルと、
前記第１セルと前記第２セルの間のセラミック相互接続層であって、前記第１セルと前記セラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第１高温結合領域を、そして、前記第２セルと前記セラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第２高温結合領域を具備するセラミック相互接続層と、
を有する一体化されたＳＯＦＣ積層体。
【請求項２】
前記セラミック相互接続層は、クロミウムを含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項３】
前記セラミック相互接続層は、希土類元素を更に含む請求項２記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項４】
前記セラミック相互接続層は、ランタン、ストロンチウム、カルシウム、コバルト、ガリウム、イットリア、及びマグネシウムから構成されたグループから選択された元素を含む請求項３記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項５】
前記セラミック相互接続層は、ＬａＳｒＣｒＯ3を含む請求項４記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項６】
前記第１及び第２高温結合領域は、前記セラミック相互接続層と前記第１セルの間の拡散結合と、前記セラミック相互接続層と前記第２セルの間の拡散結合を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項７】
前記第１高温結合領域及び第２高温結合領域は、前記セラミック相互接続層の種及び前記個々の第１セル及び第２セルの前記セラミック相互接続層に隣接する層からの種を含む請求項６記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項８】
前記セラミック相互接続層は、約１００ミクロン未満の厚さを具備する請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項９】
前記セラミック相互接続層は、約５０ミクロン未満の厚さを具備する請求項８記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１０】
前記セラミック相互接続層は、約３０ミクロン未満の厚さを具備する請求項９記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１１】
前記セラミック相互接続層は、約５．０容積％未満の気孔率を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１２】
前記セラミック相互接続層は、約３．０容積％未満の気孔率を含む請求項１１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１３】
前記セラミック相互接続層は、約２．０容積％未満の気孔率を含む請求項１２記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１４】
前記第１セルの前記陰極層及び前記第２セルの前記陰極層は、セラミック酸化物を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１５】
前記第１セルの前記陰極層及び前記第２セルの前記陰極層は、ランタン及びマンガンを更に含む請求項１４記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１６】
前記第１セルの前記陰極層及び前記第２セルの前記陰極層は、ストロンチウムを更に含む請求項１５記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１７】
前記第１セル及び前記第２セルの前記電解質層は、セラミック酸化物を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１８】
前記セラミック酸化物は、ジルコニアを含む請求項１７記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項１９】
前記ジルコニアは、希土類酸化物安定剤によって安定化される請求項１８記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項２０】
前記安定剤は、イットリアを含む請求項１８記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項２１】
前記第１セル及び前記第２セルの前記陽極層は、サーメットを含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項２２】
前記サーメットは、金属相及びセラミック相を含み、前記セラミック相は、酸化物を含む請求項２１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項２３】
前記酸化物は、ジルコニアを含み、且つ、前記金属相は、ニッケルを含む請求項２２記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項２４】
一体化されたＳＯＦＣ積層体を形成する方法において、
第１セル構造を形成する段階であって、前記第１セル構造は、第１電極層、前記第１電極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する第２電極層を具備する、段階と、
前記第１セル構造上に位置するセラミック相互接続層を形成する段階と、
第２セル構造を形成する段階であって、前記第２セル構造は、第１電極層、前記第１電極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する第２電極層を具備する、段階と、
前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を共にホットプレスすることにより、前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を一体に結合して、一体化されたＳＯＦＣセル積層体を形成する段階と、
を有する方法。
【請求項２５】
ホットプレスする段階は、前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を１つにプレスし、１つの熱サイクルにおいて、一体に結合された構造を形成する段階を含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
ホットプレスする段階は、約０．５ＭＰａ未満ではない圧力において実施される請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
前記ホットプレスする段階は、約１，０５０℃未満ではない温度において実施される請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
前記ホットプレスする段階は、約１，１００℃未満ではない温度において実施される請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記ホットプレスする段階は、約１，２００℃未満ではない温度において実施される請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記ホットプレスする段階は、約１，８００℃を上回らない温度において実施される請求項２４記載の方法。
【請求項３１】
前記ホットプレスする段階は、約１，７００℃を上回らない温度において実施される請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記セラミック相互接続層は、前記第１セル構造及び前記第２セル構造を電気的に接続する請求項２４記載の方法。
【請求項３３】
ホットプレスする段階は、前記セラミック相互接続層と前記第１セル構造内の隣接する電極層の間に第１高温結合領域を、そして、前記セラミック相互接続層と前記第２セル構造内の隣接する電極層の間に第２高温結合領域を形成する段階を含む請求項２４記載の方法。
【請求項３４】
前記第１高温結合領域及び第２高温結合領域は、前記セラミック相互結合層と前記それぞれの隣接する電極層の間に第１拡散結合領域及び第２拡散結合領域を含む請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記セラミック相互接続層は、約１００ミクロンを上回らない厚さを含む請求項２４記載の方法。
【請求項３６】
前記セラミック相互接続層は、約５０ミクロンを上回らない厚さを具備する請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記セラミック相互接続層は、約５．０容積％を上回らない気孔率を含む請求項２４記載の方法。
【請求項３８】
前記セラミック相互接続層は、クロミウムを含む請求項２４記載の方法。
【請求項３９】
前記セラミック相互接続層は、希土類元素を更に含む請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記セラミック相互接続層は、ＬａＳｒＣｒＯ3を含む請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
一体化されたＳＯＦＣコンポーネントを形成する方法において、
第１グリーン電極層、前記第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及び前記グリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第１グリーンセル構造を形成する段階と、
第１グリーン電極層、前記第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及び前記グリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第２グリーンセル構造を形成する段階と、
前記第１グリーンセル構造と前記第２グリーンセル構造の間に配設されたグルーンセラミック相互接続層を形成する段階と、
前記第１グリーンセル構造、前記グリーンセラミック相互接続層、及び前記第２グリーンセル構造を共にホットプレスすることにより、前記第１グリーンセル構造、前記グリーンセラミック相互接続層、及び前記第２グリーンセル構造を一体に結合して、一体化された高密度ＳＯＦＣセル積層体を形成する段階と、
を有する方法。
【請求項４２】
ホットプレスする段階は、約１，０５０℃未満ではない温度において完了される請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
ホットプレスする段階は、約１，１００℃未満ではない温度において完了される請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
ホットプレスする段階は、高密度セラミック相互接続層を形成する段階を含む請求項４１記載の方法。
【請求項４５】
前記高密度セラミック相互接続層は、約５．０容積％を上回らない気孔率を含む請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
前記高密度セラミック相互接続層は、約３．０容積％を上回らない気孔率を具備する請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記高密度セラミック相互接続層は、約１００ミクロン未満の厚さを具備する請求項４４記載の方法。
【請求項４８】
前記高密度セラミック相互接続層は、約５０ミクロン未満の厚さを具備する請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
第１陰極層、前記第１陰極層上に位置する第１電解質層、及び前記第１電解質層上に位置する第１陽極層を具備する第１セルと、
第２陰極層、前記第２陰極層上に位置する第２電解質層、及び前記第２電解質層上に位置する第２陽極層を具備する第２セルと、
前記第１セル及び前記第２セルの間の相互接続層であって、前記第１セルの前記第１陰極層又は第１陽極層のいずれかに直接的に溶合され、且つ、前記第２セルの前記第２陰極層又は第２陽極層のいずれかに直接的に溶合される相互接続層と、
を有する一体化されたＳＯＦＣ積層体。
【請求項５０】
陰極層、前記陰極層に接続された電解質層、及び前記電解質層に接続された陽極層を具備する第１セルと、
陰極層、前記陰極層に接続された電解質層、及び前記電解質層に接続された陽極層を具備する第２セルと、
前記第１セル及び前記第２セルの間の相互接続層であって、カプセル材料及び結合剤を伴うことなしに、前記第１セル及び前記ダイ２セルに結合される相互接続層と、
を有する一体化されたＳＯＦＣ積層体。
【請求項５１】
一体化されたＳＯＦＣ積層体を製造する方法において、
第１セル構造を形成する段階であって、前記第１セル構造は、第１電極層、前記第１電極層上に位置する第１電解質層、及び前記第１電解質層上に位置する第２電極層を含む、段階と、
前記第１セル構造上に位置するセラミック相互接続層を形成する段階と、
第２セル構造を形成する段階であって、前記第２セル構造は、第３電極層、前記第３電極層上に位置する第２電解質層、及び前記第２電解質層上に位置する第４電極層を含む、段階と、
前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を共にホットプレスすることにより、前記第１セル構造を前記相互接続層に、そして、前記第２セル構造を前記相互接続層に一体に結合し、これにより、一体化されたＳＯＦＣセル積層体を形成する段階と、
を有する方法。
【請求項５２】
ホットプレスする段階は、前記セラミック相互接続層と前記第１セル構造内の隣接する電極層の間に第１高温結合領域を、そして、前記セラミック相互接続層と前記第２セル構造内の隣接する電極層の間に第２高温結合領域を形成する段階を含む請求項５１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
高効率で環境に優しいエネルギー生成の研究において、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）技術が、従来のタービン及び燃焼エンジンの潜在的な代替肢として浮上している。ＳＯＦＣは、一般に、電解質が（一般に、非多孔性であるか又は閉鎖多孔性に限定された）固体金属酸化物であり、この内部においてＯ2-イオンが陰極から陽極に搬送されるタイプの燃料電池として定義される。燃料電池技術、特に、ＳＯＦＣは、通常、従来の燃焼エンジンよりも高い効率を具備し、且つ、低いＣＯ及びＮＯｘ排出量を具備する。更には、燃料電池技術は、静寂であり、且つ、振動を伴わないという傾向を有する。固体酸化物型燃料電池は、その他の燃料電池の変種と比べて利点を具備する。例えば、ＳＯＦＣは、内部的な燃料の改質を許容するべく十分に高い動作温度において動作するため、ＳＯＦＣは、例えば、天然ガス、プロパン、メタノール、灯油、及びディーゼルなどの燃料源を使用可能である。但し、燃焼エンジン及びその他の燃料電池技術に対する競争力を有するためには、ＳＯＦＣシステムのコスト削減における課題が存在している。これらの課題は、材料コストの低減、劣化又はライフサイクルの改善、及び電流及びパワー密度などの動作特性の改善を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ＳＯＦＣの製造に伴う多数の課題の中でも、自立型の完全に一体化されたＳＯＦＣ積層体、特に、直列電気接続を利用するＳＯＦＣ積層体又は異なる処理を伴う様々な異なる材料を利用するＳＯＦＣ積層体の形成が、顕著な技術的障害物として残っている。この観点において、従来技術は、個々のコンポーネント層又は類似の処理パラメータを具備する複数の層の処理、並びに、これと組み合わせられたすべてのコンポーネントを結合してＳＯＦＣ積層体を形成する最終的な結合プロセスにフォーカスされている。最終的な結合プロセスは、通常、はんだ又はガラスカプセル材料を使用して個々の層又はセルを１つに結合する段階を伴い、且つ、複数の焼成サイクルを伴う。しばしば、層及びセルは、単純に１つにクランプされ、圧力下において保持されている。以上の内容に鑑み、当業界には、依然として、改善されたＳＯＦＣセル及びＳＯＦＣセル積層体に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、一体化されたＳＯＦＣ積層体に関する。積層体は、陰極層、陰極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する陽極層を具備する第１セルを含む。第２セルは、陰極層、陰極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する陽極を具備する。第１セルと第２セルの間に、セラミック相互接続層が存在する。セラミック相互接続層は、第１セルとセラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第１高温結合領域を、そして、第２セルとセラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第２高温結合領域を具備する。
【０００４】
一体化されたＳＯＦＣ積層体を形成する方法は、第１セル構造を形成する段階を含む。第１セル構造は、第１電極層、第１電極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する第２電極層を具備する。第１セル構造上に位置するセラミック相互接続層を形成する。第２セル構造を形成する。第２セル構造は、第１電極層、第１電極層上に位置する電解質層、及び電解質層上に位置する第２電極層を具備する。第１セル構造、相互接続層、及び第２セル構造を共にホットプレスすることにより、第１セル構造、相互接続層、及び第２セル構造を一体に結合して、一体化されたＳＯＦＣセル積層体を形成する。
【０００５】
一体化されたＳＯＦＣコンポーネントを形成する別の方法は、第１グリーン電極層、第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及びグリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第１グリーンセル構造を形成する段階を含む。第１グリーン電極層、第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及びグリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第２グリーンセル構造を形成する。第１グリーンセル構造と第２グリーンセル構造の間に配設されたグリーンセラミック相互接続層を形成する。第１グリーンセル構造、グリーンセラミック相互接続層、及び第２グリーンセル構造を共にホットプレスすることにより、第１グリーンセル構造、グリーンセラミック相互接続層、及び第２グリーンセル構造を一体に結合して、一体化された高密度ＳＯＦＣセル積層体を形成する。
【０００６】
一体化されたＳＯＦＣ積層体は、第１陰極層、第１陰極層上に位置する第１電解質層、及び第１電解質層上に位置する第１陽極層を具備する第１セルを含む。第２セルは、第２陰極層、第２陰極層上に位置する第２電解質層、及び第２電解質層上に位置する第２陽極を具備する。第１セルと第２セルの間に、相互接続層が存在する。相互接続層を前述の第１セルの前述の第１陰極層又は第１陽極層のいずれかに直接的に溶合し、且つ、相互接続層を第２セルの第２陰極層又は第２陽極層のいずれかに直接的に溶合する。
【０００７】
一体化されたＳＯＦＣ積層体は、陰極層、陰極層に接続された電解質層、及び電解質層に接続された陽極層を具備する第１セルを含む。第２セルは、陰極層、陰極層に接続された電解質層、及び電解質層に接続された陽極を具備する。第１セルと第２セルの間に、相互接続層が存在する。カプセル材料及び結合剤を伴うことなしに、相互接続層を第１セル及び第２セルに結合する。
【０００８】
一体化されたＳＯＦＣ積層体を製造する方法は、第１セル構造を形成する段階を含む。第１セル構造は、第１電極層、第１電極層上に位置する第１電解質層、及び第１電解質層上に位置する第２電極層を含む。第１セル構造上に位置するように、セラミック相互接続層を形成する。第３電極層、第３電極層上に位置する第２電解質層、及び第２電解質層上に位置する第４電極層を含むように、第２セル構造を形成する。第１セル構造、相互接続層、及び第２セル構造を共にホットプレスすることにより、第１セル構造を相互接続層に、そして、第２セル構造を相互接続層に一体に結合し、これにより、一体化されたＳＯＦＣセル積層体を形成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の以上の並びにその他の目的、特徴、及び利点は、様々な図面のすべてを通じて類似の参照符号によって同一部分を示している、添付の図面に示された本発明の好適な実施例に関する以下の更に具体的な説明から明らかとなろう。添付図面は、必ずしも縮尺が正確ではなく、その代わりに、本発明の原理を例示することに力点が置かれている。特記されていない限り、すべての部分及び割合は、容積によるものである。
【００１０】
一実施例によれば、ＳＯＦＣ積層体を製造する方法が提供され、且つ、これは、図１に示されたプロセスフローに従って製造可能である。ＳＯＦＣ積層体は、通常、１つ又は複数のＳＯＦＣセル構造を含み、このＳＯＦＣセル構造は、一般に、陰極、陽極、及び介在する電解質を含む。段階１０１において、第１セルの第１電極層（電極プレカーサー）を形成する。第１電極層は、陽極又は陰極材料を包含可能である。一実施例によれば、第１電極は、セラミック酸化物材料又はそのプレカーサーから形成された陰極である。特定の実施例によれば、陰極層材料は、ランタン及びマンガンを含み、且つ、ストロンチウムを更に包含することにより、ＬＳＭ（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  Ｍａｎｇａｎａｔｅ）と一般に呼ばれる陰極を形成可能である。或いは、この代わりに、第１電極層は、セラミック相及び金属相又はこれらのプレカーサーを具備する材料であるサーメットなどの陽極材料であってもよい。セラミック相は、ジルコニアを包含可能であり、金属相は、ニッケルを包含可能である。具体的には、陽極材料のセラミックジルコニア相は、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）などの安定化されたジルコニア材料である。ニッケルは、一般に、熱処理されるグリーンセラミック組成物などの陽極プレカーサー材料内に含まれたニッケル酸化物の還元を通じて生成される。
【００１１】
更には、陽極又は陰極のいずれかであるＳＯＦＣセル構造の最終形成された電極は、一般に、燃料電池の酸化／還元反応を促進するべく使用されるガス種の搬送を許容するべく、多孔性の大容積を具備する。一実施例によれば、燃料電池構造内の最終形成された電極の気孔率は、少なくとも約１５．０容積％以上、例えば、約２０容積％、約３０容積％、約５０容積％であり、或いは、約７０容積％以上である。更には、セル構造の電極の気孔率は、特に、約１５容積％〜７０容積％の範囲である。
【００１２】
一般に、ＳＯＦＣセル構造の最終形成された電極（陽極及び陰極）は、少なくとも約１．０ｍｍ以上の厚さを有する。一実施例によれば、電極の厚さは、更に大きく、例えば、約１．５ｍｍ以上、又は約２０ｍｍ以上、或いは、場合によっては、約５．０ｍｍ以上である。更には、電極の厚さは、制限されており、一般に、約５０ｍｍ以下である。
【００１３】
別の実施例においては、電極への良好なガスの供給及び電極からの除去を円滑に実行するべく、チャネルを電極内に形成可能である。繊維を使用してチャネル又は通路を陰極及び陽極層内に形成可能である様々な可能な材料が存在する。一般に、材料の選択に関する唯一の制限は、材料が焼成プロセスにおいて燃焼するか又は燃料電池から気体として失われることになり、且つ、材料がセラミック粒子との反応性を有していないということであろう。これらの２つの条件は、有機系材料によって十分に満足される。従って、繊維は、綿、靭皮繊維、コード用繊維（ｃｏｒｄａｇｅ  ｆｉｂｅｒ）、又は羊毛のような動物繊維などの天然繊維であってよく、或いは、これらは、再生セルロース、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリル、ポリビニル、ポリオレフィン樹脂、カーボン又はグラファイトファイバ、又は液晶ポリマーなどの人造繊維であってよい。或いは、この代わりに、繊維は、合成ゴム、熱可塑性物質、又はポリビニルなどのバインダ材料の細長い押出体、並びに、グリコール及びフタレート基などの可塑剤材料の細長い押出体であってよい。別の実施例においては、材料は、スパゲッティなどのパスタであってよい。
【００１４】
或いは、この代わりに、焼結の際に燃焼する繊維又は材料を利用することなしに、ガスチャネルをグリーン電極層内に形成することも可能である。チャネルは、プレス、成型、又は当技術分野において既知のその他の適切な手段によって形成可能である。
【００１５】
最終形成された電極内のチャネルの平均サイズは、一般に、圧力低下を低減するべく、約０．５ｍｍ以上である。一実施例においては、チャネルの平均サイズは、約０．７ｍｍ以上であり、例えば、約１．０ｍｍ以上、或いは、場合によっては、約２．０ｍｍ以上である。通常、電極内のチャネルの平均サイズは、約０．５ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であり、更に詳しくは、約０．７ｍｍ〜約１．５ｍｍの範囲である。
【００１６】
図１に示されるＳＯＦＣ積層体を形成する１つの方法を更に参照すれば、第１セル構造を形成する段階は、段階１０３において電解質層プレカーサー（前駆体）を形成する段階をも含む。セル構造の電解質層用の適切な材料は、ジルコニア、セリア、ガリア、及びその他の既知のイオン導体などのセラミック酸化物を含む。酸素イオン伝導性は、イットリウム、スカンジウム、サマリウム、イッテルビウム、及びガドリニウムなどの酸化物安定剤材料によって向上させることができる。好適な安定化材料は、ＴｉＯ2、ＣｅＯ2、ＣａＯ、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｓｃ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、及びＳｎＯ2などの酸化物を含む。例えば、電解質層は、例えば、イットリアによって安定化されたジルコニア、スカンジアによってドーピングされたジルコニア、イッテルビアによってドーピングされたジルコニア、サマリウム酸化物によってドーピングされたセリア、ガドリニウム酸化物によってドーピングされたセリア、又はカルシアによってドーピングされたセリアから形成可能である。
【００１７】
図１のフローチャートに示された特定の実施例に従って第１セル構造を形成する段階は、段階１０５において第２電極層を形成することによって完了する。従って、第１セル構造の第２電極は、第１電極として予め形成された電極のタイプに応じて、陰極又は陽極のいずれかを形成する段階を伴う。従って、第１セル構造は、陰極、陽極、並びに、陽極及び陰極の間に配設された電解質層を含む。
【００１８】
図１によれば、ＳＯＦＣ積層体の形成は、段階１０７においてセラミック相互接続層プレカーサーを形成する段階を更に含む。一般に、セラミック相互接続層は、２つの隣接するセルの間に電気接続を提供し、且つ、セラミック相互接続層は、並列ＳＯＦＣ積層体の形成とは異なり、セルの直列接続を円滑に実行する。セラミック相互接続層を形成するための適切な材料は、クロミウムを包含可能である。更には、クロミウム含有セラミック材料は、ドーピングされた希土類クロマイトなどの希土類元素を更に包含可能である。一実施例によれば、セラミック相互接続層は、ランタン、ストロンチウム、カルシウム、コバルト、ガリウム、イットリア、チタネート、及びマグネシウムなどの材料を含む。特定の一実施例においては、相互接続層の種は、ＬａＳｒＣｒＯ3、ＬａＭｇＣｒＯ3、ＬａＣａＣｒＯ3、ＹＣｒＯ3、ＬａＣｒＯ3、ＬａＣｏＯ3、ＣａＣｒＯ3、ＣａＣｏＯ3、ＬａＮｉＯ3、ＬａＣｒＯ3、ＣａＮｉＯ3、及びＣａＣｒＯ3などのセラミックを包含可能である。
【００１９】
通常、最終形成されたセラミック相互接続層は、一般に、約１００ミクロン未満の平均厚さを具備する。その他の実施例は、約２０ミクロン未満の、或いは、場合によっては、約１５ミクロン未満などのように、約５０ミクロン未満の厚さを具備するように、更に薄いセラミック相互接続層を利用する。更には、最終形成されたセラミック相互接続層の平均厚さは、少なくとも約１．０ミクロン以上となるように制限される。
【００２０】
図１のフローチャートに概略的に示されたＳＯＦＣ積層体を形成するための一方法を更に参照すれば、プロセスは、段階１０９における第２セル構造の第１電極の形成、段階１１１における電解質層の形成、及び段階１１３における第２セル構造の第２電極の形成によって継続される。第２セル構造は、第１セル構造と同様に、陽極、陰極、及び介在する電解質層を含む。従って、第２セル構造は、一般に、同一でない場合にも、第１セル構造のものと実質的に類似した構造及び組成を具備する。一般に、陰極、陽極、及び電解質材料は、第１セル構造のコンポーネント層を製造する際に使用されたものと同一である。介在するセラミック相互接続層を有する複数のセル構造の形成を反復し、３つ、４つ、５つ、６つ、又はこれらを上回る数のセル積層体を形成可能である。
【００２１】
介在するセラミック相互接続層を有する第１及び第２セル構造を形成した後に、段階１１５に示されるように、コンポーネント層を共にホットプレスすることにより、第１セル、セラミック相互接続層、及び第２セルを含む一体に結合されたＳＯＦＣ積層体を形成する。すべての層を１つに寄せ集めて一体化させることにより、一体に結合されたＳＯＦＣを統一体とする。一般に、ホットプレス法は、コンポーネント層の高密度化を支援するべく、ピストンの使用による一軸性圧力の印加を伴う。一実施例においては、ＳＯＦＣ積層体の形成の際の最大圧力は、少なくとも約０．５ＭＰａ以上、例えば、約３．０ＭＰａ、５．０ＭＰａ、又は８．０ＭＰａ以上である。ホットプレスの際に利用されるピーク圧力は、１．０〜５．０ＭＰａのように、約０．５〜１０．０ＭＰａの範囲などにおいて変化可能である。更には、プレスの際に印加される温度が層の高密度化を支援する。ホットプレスの際に印加される温度は、約１，０５０℃以上、例えば、約１，０００℃、１，１００℃、又は１，２００℃以上である。更には、ホットプレスの際に印加される温度は、約１，８００℃以下であり、例えば、約１，７００℃又は１，６００℃以下であってよく、従って、ホットプレスの際の最大温度は、約１，１００℃〜約１，７００℃の範囲であってよい。一実施例においては、単一セル及び複数のセル積層体を１℃／分〜１００℃／分の加熱速度においてホットプレス可能である。１５分〜１時間などのように、１０分〜２時間のレベルにおいてプレスを実行可能である。特定の実施例は、１５〜４５分にわたってホットプレスされた。
【００２２】
還元雰囲気中、或いは、好ましくは、酸化雰囲気などの非還元雰囲気中において熱処理を実行可能である。熱処理を還元雰囲気中において実行する場合には、後続の酸化段階を実行可能である。酸化段階を使用し、チャネル成形具及び気孔成形具を除去可能である。酸化は、結果的に、陽極内の多少のニッケル又は様々な電極内のワイヤメッシュ内のニッケルの酸化をもたらす可能性がある。従って、後続の還元段階を実行可能である。但し、酸化雰囲気中におけるホットプレスは、追加の酸化及び還元段階の数を低減することもできる。更には、ホットプレスは、拘束金型（ｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇ  ｄｉｅ）の支援を伴うことなしに、実行可能である。
【００２３】
電極（陽極及び陰極）及び電解質（電解質層及び相互接続層）の出発セラミック材料は、約１ミクロンの平均直径を具備するパウダーの形態であってよい。積層体のコンポーネント用の材料のそれぞれのものを圧力無印加状態において等圧焙焼（部分焼結）する。焙焼の後に、結果的に得られた焙焼済みのブロックを、ボールミルなどの当技術分野において既知の適切な手段によって破砕し、パウダーを形成する。パウダーを所望のサイズレンジにスクリーニングする。例えば、陰極ベース層用のＬＳＭなどの焙焼済みのパウダーは、約７５ミクロン以上、且つ、約１０６ミクロン以下のメッシュサイズレンジにスクリーニング可能である。陰極機能層の場合には、焙焼済みのパウダーは、約２５ミクロン以上、且つ、約４５ミクロン以下のメッシュサイズ範囲にスクリーニング可能である。
【００２４】
或いは、この代わりに、陰極機能層を形成するインター層は、顕著に微細な粒子サイズを具備したほとんど凝集していないパウダーから形成することも可能である。例えば、平均粒子サイズは、約０．１μｍ〜約１０μｍの範囲にあってよい。通常、相対的に微細な材料の平均粒子サイズは、約５μｍ以下である。約０．５μｍ〜約５μｍの範囲の平均粒子サイズを具備するパウダーが特に好適であろう。
【００２５】
陽極ベース層及び陽極機能層の場合には、ＹＳＺ／ニッケル酸化物などの焙焼済みのパウダーを、それぞれ、約１５０ミクロン及び約４５ミクロン以下のメッシュサイズレンジにスクリーニング可能である。機能層及びベース層を具備する電極は、通常、同一材料から形成され、且つ、二峰性粒子サイズ分布又は二峰性気孔サイズ分布を具備する。
【００２６】
或いは、この代わりに、陰極機能層と同様に、陽極機能層も、顕著に微細な粒子サイズを具備するほとんど凝集していないパウダーから形成することも可能である。例えば、平均粒子サイズは、約０．１μｍ〜約１０μｍの範囲にあってよい。通常、相対的に微細な材料の平均粒子サイズは、約５μｍ以下である。約０．５μｍ〜約５μｍの範囲の平均粒子サイズを具備するパウダーが特に好適であろう。
【００２７】
電極構成については、２００６年１月９日付けで出願された米国特許出願第６０／７５７，６８６号及び２００７年１月９日付けで出願された米国特許出願第１１／６２１，４４７号に更に記述されており、これらの開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。
【００２８】
更には、電極を形成するべく使用されるパウダーは、球状粒子、又は楕円、針形状、又は不規則な形状の粒子などの非球状粒子、或いは、球状及び非球状粒子の組み合わせを具備するパウダーを包含可能である。特に、非球状粒子を参照すれば、このような粒子は、通常、本説明において長さと呼ばれる最大寸法を具備し、従って、このような非球状粒子の長さは、前述のメッシュサイズと同一である。
【００２９】
一般に、最終形成された電極は、約８０％以下の容積密度を具備する。具体的には、電極は、更に小さな容積密度を具備可能であり、例えば、約７５％以下か、約７０％以下、又は、場合によっては、約６５％以下か、或いは、これより少なくてもよい。特に、このような低密度（高多孔性）は、気孔成形具の使用を伴うことなしに、実現されている。結果的に得られる気孔は、処理の際に原位置において形成され、且つ、平均粒子サイズ又はこれよりも小さいレベルの平均サイズを具備する。気孔形状は、球状又はその他の規則的な形状になる傾向を有する気孔成形具に基づいた気孔とは対照的に、不規則である。
【００３０】
電解質及び相互接続パウダーは、０．５ミクロン以上であり、且つ、約３．０ミクロン以下のメッシュサイズレンジにスクリーニング可能である。一般に、最終形態における相互接続は、約９５％又はこれ以上の容積密度を具備することを要する。選択された材料に応じて、パウダー用のメッシュサイズは、適切な密度を実現するのに必要とされるように、調節する必要があろう。一般に、電極を有する燃料電池積層体は、電解質及び相互接続コンポーネントと比較し、相当に粗い（凝集した又は凝集していない）粒子から構成される。電極の高密度化率（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）を低減するべく、ホットプレスに先立って、パウダーを凝集化可能である。
【００３１】
又、適切な材料を選択する際には、焼結歪速度（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  ｓｔｒａｉｎ  ｒａｔｅ）を電解質及び相互接続について類似したものにする必要があることが判明した。陽極及び陰極用の焼結歪速度は、互いに類似したものである必要があるが、この速度は、電解質及び相互接続の焼結歪速度とは異なるものであってよい。一実施例においては、陽極及び陰極の焼結歪速度は、互いに類似しており、且つ、電解質及び相互接続の焼結歪速度も互いに類似しているが、これらは、陽極及び陰極のものとは異なっている。
【００３２】
正常なホットプレスは、温度及び圧力の適切な調節に伴って、ホットプレスの際にｘ−ｙ方向における膨張又は縮小が実質的に存在しない際に、発生する。これは、積層体内の層がｚ方向において単一方向に均一にプレスされることを意味している。不整合の材料の間における応力発生問題は、すべての高密度化をｚ方向（単一方向性）において強制することにより、解決されると考えられる。積層体に印加するのに好適な圧力値は、歪速度を温度の関数としてプロットすることにより、判定可能である。結果的に得られるプロットは、適切な圧力プロファイル対温度に関するガイダンスを提供し、これは、最大圧力を印加する温度を含む。ホットプレスが実行される際の圧力を監視するための装置の一例が、Ｅ．  Ａｕｌｂａｃｈ他による「Ｌａｓｅｒ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｌｏａｄｉｎｇ  Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、第４４巻、第１号、７２頁（２００４年２月））に開示されており、この開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。
【００３３】
一体に結合されたＳＯＦＣ積層体を形成するためのホットプレスは、一般に、１つの熱サイクルにおいて実現される。本開示においては、１つの熱サイクルとは、プロセスが、初期温度において開始され、処理チャンバが初期温度に戻った際に終了する１つの温度サイクルを表している。通常、初期温度は、室温又は一般的に７５℃以下の低い温度であり、通常は、室温などの５０℃以下であり、或いは、約１０〜３０℃である。或いは、この代わりに、初期温度は、焙焼及び焼結温度より低い。一体に結合されたＳＯＦＣ積層体を１つの熱サイクルにおいて形成するべくホットプレスを適用することにより、自立型の完全に一体化されたＳＯＦＣ積層体が生成される。
【００３４】
一実施例によれば、介在するセラミック相互接続を有するセル構造を具備したＳＯＦＣ積層体のホットプレス形成は、グリーンセラミック材料のプレスによって円滑に実行される。グリーンセラミック材料とは、一般に、当技術分野においては、完全な高密度化を実現するための熱処理、通常は焼結、を受けていないセラミック材料を意味するものとして理解される。従って、セル構造及び介在するセラミック相互接続層のコンポーネント層のホットプレスを、グリーンセラミックパウダーなどのグリーンセラミック材料に対して実行可能である。ホットプレスプロセスの１つの熱サイクルにおけるセラミック相互接続層を含むＳＯＦＣ積層体のコンポーネント層の完全な高密度化、即ち、焼結により、ＳＯＦＣ積層体形成の処理効率が改善される。一実施例によれば、処理の後に、セラミック相互接続層は、高密度の構造を具備し、この結果、セラミック相互接続層の気孔率は約５．０容積％以下である。従って、最終的なセラミック相互接続層の気孔率は低くなり、例えば、約３．０容積％、２．０容積％、又は１．０容積％以下となる。更には、ホットプレスを経験した後の形成されたセラミック相互接続層の厚さは、一般に、約１００ミクロン厚以下である。一実施例によれば、セラミック相互接続層の厚さは、約７５ミクロン以下、例えば、約５０ミクロン、４０ミクロン、３０ミクロン以下か、又は２０ミクロン以下である。
【００３５】
ホットプレスの単一サイクルを通じて高密度のセラミック相互接続層を形成する段階において、圧力及び高温処理の組み合わせが高温結合領域の形成を支援する。図２を参照すれば、前述のホットプレス法によって形成されたＳＯＦＣ積層体２００の特定の実施例が示されている。第１セル構造２０２、第２セル構造２０４、及び介在するセラミック相互接続層２０６を具備するＳＯＦＣ積層体２００が示されている。先の実施例に従って説明したように、第１セル構造２０２は、第１電極層２０８、電解質層２１０、及び第２電極層２１２を含む。第２セル構造２０４は、第１電極層２１４、電解質層２１６、及び第２電極層２１８を含む。特に、図２は、セラミック相互接続層２０６と第１セル構造２０２の第２電極層２１２の界面領域に沿った第１高温結合領域２２０を示している。
【００３６】
図２は、セラミック相互接続層２０６と第２セル構造２０４の第２電極層２２２の界面領域に沿った第２高温結合領域２２２を更に示している。第１高温結合領域２２０及び第２高温結合領域２２２は、一般に、２つの隣接する層の材料種がホットプレスの圧力及び高温の下において互いの内部に拡散する拡散結合である。
【００３７】
一般に、セラミック相互接続層２０６の界面領域に沿って拡散領域を形成している高温結合領域２２０及び２２２は、少なくとも約１０ミクロンの平均厚さを具備する。一実施例においては、拡散領域は、約２５ミクロン以上の平均厚さを具備し、例えば、約５０ミクロン以上か、又は約７５ミクロン以上、或いは、場合によっては、約１００ミクロン以上である。セラミック相互接続層２０６の厚さに応じて、拡散領域は、約３００ミクロン以下の平均厚さを具備する。
【００３８】
ＳＯＦＣ積層体の層は、しばしば、未加工材料の粒子サイズに対応した非常に様々な粒子サイズを具備することも指摘される。このような相違は、一桁の違い、又は、場合よっては、それ以上であってよい。従来の圧力無印加状態における焼結法においては、このような構造は、層界面において割れる傾向を有するが、本明細書に記述されたホットプレスは、課題を克服すると共に完全な使用可能なＳＯＦＣ積層体を生成するべく構成されている。
【００３９】
高温結合領域の形成により、セラミック接着剤、カプセル材料、又は結合剤を伴うことのない一体に結合されたセル構造を有する自立型のＳＯＦＣ積層体の形成が円滑に実行される。更には、セラミック相互接続層の高温結合を介して一体に結合されたセル構造を具備するＳＯＦＣの形成は、特別な意味を有しており、この結果、一般に、カプセル材料、はんだ、又はその他の外部的に塗布された結合剤を構造的な完全性のために必要としない拡散結合された構造の生成がもたらされる。即ち、高温／高圧プレスを通じて実現された拡散結合は、一般に、予め焼結された（即ち、グリーンではない）コンポーネント層から形成された構造を、結合剤を使用して形成する、低温処理に依存した構造内には存在しない。更には、本明細書の実施例によるＳＯＦＣ積層体の形成は、ほとんど又はまったく機械加工による後処理を必要としない、実質的に真っ直ぐなエッジ及び壁などの所望の輪郭及び寸法を有する、成形された積層体の生成を円滑に実行する。
【００４０】
以上に開示された内容は、限定を意図したものではなく、例示を目的とするものと見なすことを要し、且つ、添付の請求項は、本発明の真の範囲内に含まれるそのようなすべての変更、機能強化、及びその他の実施例を含むことを意図するものである。従って、本発明の範囲は、法律によって許容される最大限度において、添付の請求項及びそれらの等価物の最も広範な許容可能な解釈によって判定されることを要し、且つ、以上の詳細な説明によって制限又は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の１実施例にかかるプロセスフローを示す。
【図２】本発明の１実施例にかかるＳＯＦＣ積層体を示す。
【図１】
2009532849.tif 000003
【図２】
2009532849.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月2日(2008.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極層、前記陰極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する陽極層を具備する第１セルと、
陰極層、前記陰極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する陽極を具備する第２セルと、
均一な厚さを具備し、且つ、前記第１セルと前記第２セルの間に配設されたセラミック相互接続層であって、前記第１セルと前記セラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第１高温結合領域を、前記第２セルと前記セラミック相互接続層の間の界面領域に沿って第２高温結合領域を具備するセラミック相互接続層と、
を有する一体化されたＳＯＦＣ積層体。
【請求項２】
前記セラミック相互接続層は、クロミウムを含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項３】
前記セラミック相互接続層は、ＬａＳｒＣｒＯ3を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項４】
前記第１及び第２高温結合領域は、前記セラミック相互接続層と前記第１セルの間の拡散結合と、前記セラミック相互接続層と前記第２セルの間の拡散結合を含む請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項５】
前記第１高温結合領域及び第２高温結合領域は、前記セラミック相互接続層の種及び前記第１及び第２セルそれぞれの前記セラミック相互接続層に隣接する層からの種を含む請求項４記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項６】
前記セラミック相互接続層は、約１００ミクロン未満の厚さを具備する請求項１記載のＳＯＦＣ積層体。
【請求項７】
一体化されたＳＯＦＣ積層体を形成する方法において、
第１セル構造を形成する段階であって、前記第１セル構造は、第１電極層、前記第１電極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する第２電極層を具備する、段階と、
前記第１セル構造上に位置するセラミック相互接続層を形成する段階と、
第２セル構造を形成する段階であって、前記第２セル構造は、第１電極層、前記第１電極層上に位置する電解質層、及び前記電解質層上に位置する第２電極層を具備する、段階と、
前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を共にホットプレスすることにより、前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を一体に結合して、前記第１セル構造及び前記第２セル構造の間に配設された均一な厚さのセラミック相互接続層を具備する一体化されたＳＯＦＣセル積層体を形成する段階と、
を有する方法。
【請求項８】
前記ホットプレスする段階は、前記第１セル構造、前記相互接続層、及び前記第２セル構造を共にプレスすることにより、１つの熱サイクルにおいて、一体に結合された構造を形成する段階を含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記ホットプレスする段階は、少なくとも約０．５ＭＰａ以上の圧力において実施される請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記ホットプレスする段階は、０．５ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲の圧力において実施される請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ホットプレスする段階は、少なくとも約１，０５０℃以上で、且つ、約１，８００℃以下の温度において実施される請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記セラミック相互接続層は、前記第１セル構造及び前記第２セル構造を電気的に接続する請求項７記載の方法。
【請求項１３】
前記ホットプレスする段階は、前記セラミック相互接続層と前記第１セル構造内の隣接する電極層の間に第１高温結合領域を、そして、前記セラミック相互接続層と前記第２セル構造内の隣接する電極層の間に第２高温結合領域を形成する段階を含む請求項７記載の方法。
【請求項１４】
前記セラミック相互接続層は、約１００ミクロン以下の厚さを有する請求項７記載の方法。
【請求項１５】
一体化されたＳＯＦＣコンポーネントを形成する方法において、
第１グリーン電極層、前記第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及び前記グリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第１グリーンセル構造を形成する段階と、
第１グリーン電極層、前記第１グリーン電極層上に位置するグリーン電解質層、及び前記グリーン電解質層上に位置する第２グリーン電極層を具備する第２グリーンセル構造を形成する段階と、
前記第１グリーンセル構造と前記第２グリーンセル構造の間に配設されたグリーンセラミック相互接続層を形成する段階と、
前記第１グリーンセル構造、前記グリーンセラミック相互接続層、及び前記第２グリーンセル構造を１つの熱サイクルにおいて共にホットプレスすることにより、前記第１グリーンセル構造、前記グリーンセラミック相互接続層、及び前記第２グリーンセル構造を一体に結合して、一体化された高密度ＳＯＦＣセル積層体を形成する段階と、
を有する方法。
【請求項１６】
前記ホットプレスする段階は、約１，０５０℃以上の温度において完了される請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ホットプレスする段階は、高密度セラミック相互接続層を形成する段階を含む請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記高密度セラミック相互接続層は、約５．０容積％以下の気孔率を有する請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記高密度セラミック相互接続層は、約１００ミクロン以上の厚さを具備する請求項１７記載の方法。
【請求項２０】
前記ホットプレスする段階は、第１焼結セル構造と第２焼結セル構造の間に配設された均一な厚さを具備する高密度セラミック相互接続層を形成する段階を含む請求項１５記載の方法。
【国際調査報告】
2009532849.tif 000005
2009532849.tif 000006
2009532849.tif 000007