(57)【要約】【課題】金属相互接続部とガラスシールとの間の効率的なバリアおよびバリアを製作する方法を提供すること。【解決手段】金属層およびガラス層を有する物品、ならびに金属層とガラス層との間の化学反応を防止または低減するための方法が開示されている。該物品は、金属層とガラス層との間に配置されたバリア層を有する。バリア層は、アルミナおよびホスフェートを含む。ホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属層の元素のホスフェート、ガラス層の元素のホスフェート、またはその組合せが挙げられる。該方法は、金属層とガラス層との間にバリア層を配置するステップを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）；
ガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）；ならびに
金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）とガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）との間に配置されたバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）であって、アルミナおよびホスフェートを含み、ホスフェートがリン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）の元素のホスフェート、ガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）の元素のホスフェートまたはその組合せを含む、バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）
を含む物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項２】
バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）中のホスフェートの量が、バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）の約１ｍｏｌ％から約７５ｍｏｌ％の範囲である、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項３】
ホスフェートがリン酸二水素アルミニウムを含み、リン酸二水素アルミニウムが、バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）の約１ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）中に存在する、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項４】
ホスフェートがアルミニウム含有ホスフェートを含み、アルミニウム含有ホスフェートが、バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）の約３ｍｏｌ％から約６０ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）中に存在する、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項５】
金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）の元素のホスフェートが、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸チタン、リン酸マンガン、リン酸ニッケル、またはその組合せを含む、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項６】
ガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）の元素のホスフェートが、リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛、またはその組合せを含む、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項７】
バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）が、金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）の元素のホスフェートを含む第１の副層（１７２、７６２）；ガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）の元素のホスフェートを含む第２の副層（１７４、７６４）；および第１の副層（１７２、７６２）と第２の副層（１７４、７６４）との間に配置された第３の副層（１７６、７６６）を含み、第３の副層（１７６、７６６）が、アルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを含む、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項８】
第１の副層（１７２、７６２）が、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸マンガン、リン酸チタン、リン酸ニッケルまたはその組合せを含み；第２の副層（１７４、７６４）が、リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛、またはその組合せを含む、請求項７記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項９】
第１の副層（１７２、７６２）中に存在する金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）の元素のホスフェートのｍｏｌ％が、第３の副層（１７６、７６６）中に存在するアルミニウム含有ホスフェートのｍｏｌ％よりも大きい、請求項７記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項１０】
第３の副層（１７６、７６６）の厚さが５ミクロンよりも大きい、請求項７記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項１１】
金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）がアルミニウムを実質的に含まない、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項１２】
金属層（１１０、１１２、１１４、１１６、１１８）が電気化学セルの金属相互接続部（４２０、４１２）を含み、ガラス層（１２０、１２２、１２４、１２６、１２８）が電気化学セルのガラスシール（４２０、７２０）を含む、請求項１記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項１３】
固体酸化物燃料セルスタック（４００）である、請求項１２記載の物品（１００、１０２、１０４、１０６、１０８）。
【請求項１４】
各固体酸化物燃料セル（５００、６００）がアノード（５１０、６１０）、カソード（５２０、６２０）および電解質（５３０、６３０）を含む、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）；
少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）間に配置された金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）；
金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）と少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）の少なくとも１つの固体酸化物燃料セル（５００、６００）の電解質（５３０、６３０）との間に配置されたガラスシール（４２０、７２０）；ならびに
金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）とガラスシール（４２０、７２０）との間に配置されたバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）であって、アルミナおよびホスフェートを含み、ホスフェートがリン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）の元素のホスフェート、ガラスシール（４２０、７２０）の元素のホスフェートまたはその組合せを含む、バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）
を含む、固体酸化物燃料セルスタック（４００）。
【請求項１５】
バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）が、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸マンガン、リン酸チタン、リン酸ニッケルまたはその組合せを含む第１の副層（１７２、７６２）；リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛またはその組合せを含む第２の副層（１７４、７６４）；および第１の副層（１７２、７６２）と第２の副層（１７４、７６４）との間に配置された第３の副層（１７６、７６６）を含み、第３の副層（１７６、７６６）がアルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを含む、請求項１４記載の固体酸化物燃料セルスタック（４００）。
【請求項１６】
第３の副層（１７６、７６６）の厚さが５ミクロンよりも大きい、請求項１５記載の固体酸化物燃料セルスタック（４００）。
【請求項１７】
金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）がアルミニウムを実質的に含まない、請求項１４記載の固体酸化物燃料セルスタック（４００）。
【請求項１８】
固体酸化物燃料セルスタック（４００）を製作する方法（６５０）であって、
少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）を積層するステップであり、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）の各固体酸化物燃料セル（５００、６００）が、金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）上に支持されており、アノード（５１０、６１０）、カソード（５２０、６２０）および電解質（５３０、６３０）を含む、ステップ；
少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）の少なくとも１つの固体酸化物燃料セル（５００、６００）の電解質（５３０、６３０）と、隣接する固体酸化物燃料セル（５００、６００）を支持する金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）との間に、ガラスシール（４２０、７２０）を配置するステップ；ならびに
金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）とガラスシール（４２０、７２０）との間に、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを含むバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）を配置するステップ
を含む、方法。
【請求項１９】
配置バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）を３００℃よりも高い温度に加熱することで、リン酸二水素アルミニウムおよびアルミナを少なくとも部分的に反応させて、アルミニウム含有ホスフェートを含む中間バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）を形成することをさらに含む、請求項１８記載の方法（６５０）。
【請求項２０】
金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）、ガラスシール（４２０、７２０）および中間バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）を５００℃よりも高い温度に加熱することで、アルミニウム含有ホスフェートを金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）およびガラスシール（４２０、７２０）と少なくとも部分的に反応させて、金属相互接続部（４１０、４１２、７１０）の元素のホスフェートを含むバリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）の第１の副層（１７２、７６２）、ガラスシール（４２０、７２０）の元素のホスフェートを含む第２の副層（１７４、７６４）、および第１の副層（１７２、７６２）と第２の副層（１７４、７６４）との間に配置された第３の副層（１７６、７６６）を含む反応バリア層（１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、４６０、７６０）を形成するステップをさらに含み、第３の副層（１７６、７６６）がアルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを含む、請求項１９記載の方法（６５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、バリア層を有する物品および関連方法に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、金属層とガラス層との間にバリア層を有する物品、およびバリア層を配置することによって金属層とガラス層との間の化学反応を防止または低減するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルは、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）などの電気化学セルは、高い効率および低い排出で化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。ＳＯＦＣにおいて、カソードは片側で酸素を還元し、電解質に酸素イオンを供給する。気密シール電解質は、酸素イオンを高温でアノードに伝導し、ここで、イオンは酸化し、水素と反応することで水を形成する。アノードおよびカソードを接続する抵抗負荷は、電子を伝導することで作業を行う。
【０００３】
伝統的なセラミック焼結技術に基づくアノード支持ＳＯＦＣは、最大製造可能なセルサイズおよび大きな資本投資の要件によって制限され得る。熱スプレー堆積を利用する金属相互接続部支持ＳＯＦＣは、様々な製造利益、ならびに堅牢な設計を提供する。一般に、ガラスシール層は、金属相互接続部支持ＳＯＦＣにおいてカソード側の金属相互接続部と電解質との間のシールとして使用される。しかしながら、昇温で金属相互接続部とガラスシールとの間で、化学反応が起こることがあり、金属相互接続部とガラスシールとの間の界面の弱体化および後続のシール損失をもたらす。
【０００４】
金属相互接続部とガラスシール層との間の化学反応を防止する従来の軽減方法は、２つの間に、熱スプレーしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）またはアルミナコーティングを利用する。しかしながら、熱スプレーを使用する中間コーティングの堆積は、熱スプレーに必要とされる独特の粉末を調製することに関与する相対的に長いサイクル時間および高コストを伴うことがある。また別の従来の軽減方法は、酸化アルミニウム保護スケールが形成されるように相互接続金属表面のアルミ化を利用する。しかしながら、このプロセスは追加の製造ステップを必要とし、コストを増加させ得る。金属相互接続部とガラスシールとの間の効率的なバリアおよびバリアを製作する方法は、ＳＯＦＣなどの電気化学セルの利益になる商業化に有益である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第９５８３７７１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様において、本開示は、物品に関する。該物品は、金属層、ガラス層、および金属層とガラス層との間に配置されたバリア層を含む。バリア層は、アルミナおよびホスフェートを含む。ホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属層の元素のホスフェート、ガラス層の元素のホスフェート、またはその組合せが挙げられる。
【０００７】
別の態様において、本開示は、固体酸化物燃料セルスタックに関する。固体酸化物燃料セルスタックは、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルを含む。該スタックの各固体酸化物燃料セルは、アノード、カソードおよび電解質を含む。少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの間に、金属相互接続部が配置されている。金属相互接続部と少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの少なくとも１つの固体酸化物燃料セルの電解質との間に、ガラスシールが配置されている。金属相互接続部とガラスシールとの間に、バリア層が配置されている。バリア層は、アルミナおよびホスフェートを含む。ホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属相互接続部の元素のホスフェート、ガラスシールの元素のホスフェート、またはその組合せが挙げられる。
【０００８】
なお別の態様において、本開示は、固体酸化物燃料セルスタックを製作する方法に関する。該方法は、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルを積層するステップを含む。少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの各固体酸化物燃料セルは、金属相互接続部上に支持されており、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの各固体酸化物燃料セルは、アノード、カソードおよび電解質を含む。該方法は、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの少なくとも１つの固体酸化物燃料セルの電解質と、少なくとも２つの固体酸化物燃料セルの隣接する固体酸化物燃料セルが支持される金属相互接続部との間に、ガラスシールを配置するステップを含む。該方法は、金属相互接続部とガラスシールとの間に、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを含むバリア層を配置するステップをさらに含む。
【０００９】
本開示の実施形態のこれらのおよび他の特色および態様は、添付の図面を参照して以下の詳細な記載を読むとより良く理解されるようになる。図面の全体にわたって、類似の文字は、類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一部の実施形態による、金属層とガラス層との間にバリア層を有する物品の模式図を示す図である。
【図２】本開示の一部の実施形態による、金属層とガラス層との間の化学反応を防止または低減するための方法のフローチャートを示す図である。
【図３Ａ】本開示の一部の実施形態による、配置されたままの物品の模式図を示す図である。
【図３Ｂ】本開示の一部の実施形態による、中間物品の模式図を示す図である。
【図３Ｃ】本開示の一部の実施形態による、反応物品の模式図を示す図である。
【図４】本開示の一部の実施形態による、副層を有するバリア層を有する物品の模式図を示す図である。
【図５】本開示の一部の実施形態による、固体酸化物燃料セルスタックの模式図を示す図である。
【図６】本開示の一部の実施形態による、固体酸化物燃料セルスタックを製作する例示的方法のフローチャートを示す図である。
【図７】本開示の一部の実施形態による、副層を有するバリア層を有する固体酸化物燃料セルスタックの模式図を示す図である。
【図８】本開示の一部の実施形態による、例示的固体酸化物燃料セルスタックにおけるステンレス鋼およびガラスシールの界面の走査電子顕微鏡写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に続く以下の明細書および特許請求の範囲において、以下の意味を有すると定義されるべき多数の用語が言及されている。「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」という単数形は、別段に文脈が明らかに指示していない限り複数の参照対象を含む。本明細書で使用される場合、「または」という用語は、別段に文脈が明らかに指示していない限り、排他的であると意味されず、存在している参照構成要素の少なくとも１つを指し、参照構成要素の組合せが存在し得る例を含む。
【００１２】
近似言語は、本明細書および請求項の全体にわたって本明細書で使用される場合、それが関連する基本的機能の変化をもたらすことなく許容範囲で変動し得る任意の量的表示を修飾するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの用語（単数または複数）によって修飾される値は、特定されている正確な値に限定されるべきでない。一部の例において、近似言語は、値を測定するための機器の精度に対応し得る。同様に、「含まない」は、用語との組合せで使用することができ、ごくわずかな数または極微量を含むことができる一方で、修飾された用語を含みさえしないと考えられる。ここで、ならびに本明細書および請求項の全体にわたって、範囲制限は、こうした範囲が識別されるとともに別段に文脈または言語が示していない限りそこに含有される全ての下位範囲を含むように、組み合わせるおよび／または交換することができる。
【００１３】
本明細書に記載されている物品および方法は、金属層およびガラス層を有する従来の電気化学セル、ならびに金属層とガラス層との間の反応を制限する方法における留意欠点に取り組む。従来の電気化学セルにおいて、金属層とガラス層との間の反応は、金属層およびガラス層の少なくとも１つの表面組成を化学的に変えることによって制限される。本明細書に記載されている方法は、作動中に望ましくない生成物をもたらし得る金属層とガラス層との間の化学反応を防止または低減するのに特に有用であり得るが、これは、本明細書に記載されている方法の範疇に対する必要な限定ではないと理解されよう。
【００１４】
金属層、ガラス層、および金属層とガラス層との間に配置されたバリア層を有する物品が提示されている。該物品は、金属層とガラス層との間の化学反応を低減することが望ましい任意の物品であってよい。一部の実施形態において、室温で物品の金属層とガラス層との間の反応を制限することが望ましくあり得る。一部の実施形態において、金属層とガラス層との間の反応を制限することは、物品が作動しそうな温度で望まれる。一部の実施形態において、この温度は、室温よりも高くてよい。物品の非限定的な例としては、以下に限定されないが、固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）を含めて様々な電気化学セルが挙げられる。
【００１５】
図１は、金属層１１０、ガラス層１２０、および金属層１１０とガラス層１２０との間に配置されたバリア層１６０を含む物品１００を図示している。金属層１１０は、物品１００の作動中にガラス層１２０に接触することができる表面を有する金属皮膜または固体金属物体であってよい。金属層１１０は連続層であってよいか、または一部のポイントで不連続であってよい。本明細書で使用される場合、「金属」層は、金属層１１０において金属元素またはメタロイド元素の存在を示す。金属層１１０中に存在することができる元素の非限定的な例としては、クロム、鉄、ケイ素、チタン、ニッケル、またはその組合せが挙げられる。金属層１１０は、元素金属、メタロイド、合金、セラミック、または金属元素もしくはメタロイド元素を含む複合体を含むことができる。さらに、金属層１１０は単一の材料を含むことができるか、または２種以上の材料の組合せであってよい。一部の実施形態において、金属層１１０は合金を含む。一部の特定の実施形態において、金属層１１０は、合金を含めた連続層である。
【００１６】
ガラス層１２０は、１種または複数のガラス状材料の連続層または不連続層であってよい。ガラス状材料は、室温で非結晶性非晶質固体であってよい。ガラス層１２０中に存在することができる元素の非限定的な例としては、バリウム、ケイ素、ホウ素、ジルコニウム、カルシウム、マグネシウム、イットリウム、亜鉛、またはその組合せが挙げられる。一部の実施形態において、ガラス層１２０はホウ素を含む。その上、一部の実施形態において、ガラス層１２０はケイ素を含む。さらに、一部の実施形態において、ガラス層１２０は、シリカ、ホウ素およびバリウムを含むガラス状材料を含めた連続層である。
【００１７】
バリア層１６０は、アルミナおよびホスフェートを含む。バリア層１６０のアルミナおよびホスフェートは、金属層１１０の元素とガラス層１２０の元素との間の化学反応を防止するまたは化学反応の可能性を低減することができる。バリア層１６０のホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウム、アルミニウム含有ホスフェート、金属層１１０の元素のホスフェート、ガラス層１２０の元素のホスフェート、またはその組合せが挙げられる。本明細書で使用される場合、「アルミニウム含有ホスフェート」は、リン酸アルミニウム、メタリン酸アルミニウム、またはその組合せを指す。一部の実施形態において、バリア層１６０は、混合物形態でアルミナおよびホスフェートを含む。
【００１８】
バリア層１６０中のホスフェートの量は、以下の１つまたは複数に基づいて変動することができる：金属層１１０の組成、ガラス層１２０の組成、ホスフェートの組成自体、および物品１００の作動温度。一部の実施形態において、バリア層１６０中のホスフェートの量は、バリア層１６０の約１ｍｏｌ％から約７５ｍｏｌ％の範囲である。一部の実施形態において、バリア層１６０は、バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の量でホスフェートを含む。一部の他の実施形態において、バリア層１６０は、バリア層１６０の約３０ｍｏｌ％から約６０ｍｏｌ％の量でホスフェートを含む。一部の実施形態において、バリア層１６０のホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウムが挙げられる。これらの実施形態において、バリア層１６０は、配置されたままの状態または乾燥させた状態であってよい。リン酸二水素アルミニウムは、バリア層１６０の約１ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層１６０中に存在することができる。ある特定の実施形態において、リン酸二水素アルミニウムは、バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約３０ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層１６０中に存在することができる。一部の実施形態において、バリア層１６０のホスフェートとしては、アルミニウム含有ホスフェート、リン酸アルミニウム水和物、またはその組合せが挙げられる。一部の実施形態において、アルミニウム含有ホスフェートは、リン酸二水素アルミニウムの分解および脱水によってバリア層１６０中に形成することができる。さらに、一部の実施形態において、アルミニウム含有ホスフェートは、バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約６０ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層１６０中に存在することができる。ある特定の実施形態において、バリア層１６０中のメタリン酸アルミニウムの量は、バリア層１６０の約１０ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲である。さらに、一部の実施形態において、バリア層１６０は、アルミナ、リン酸二水素アルミニウムおよびメタリン酸アルミニウムの組合せを含む。
【００１９】
一部の実施形態において、金属層１１０の元素のホスフェートとしては、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸マンガン、リン酸チタン、リン酸ニッケル、またはその組合せが挙げられる。その上、一部の実施形態において、金属層１１０の元素のホスフェートは、バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約６０ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層１６０中に存在することができる。ある特定の実施形態において、バリア層１６０中の金属層１１０の元素のホスフェートの量は、バリア層１６０の約１０ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲である。
【００２０】
追加として、一部の実施形態において、ガラス層１２０の元素のホスフェートとしては、リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛、またはその組合せが挙げられる。一部の実施形態において、ガラス層１２０の元素のホスフェートは、バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約６０ｍｏｌ％の範囲の量でバリア層１６０中に存在することができる。ある特定の実施形態において、バリア層１６０中のガラス層１２０の元素のホスフェートの量は、バリア層１６０の約１０ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲である。
【００２１】
さらに、ある特定の実施形態において、バリア層１６０は、アルミナ、金属層１１０の元素のホスフェート、およびガラス層１２０の元素のホスフェートを含む。一部の実施形態において、バリア層１６０は、メタリン酸アルミニウムをさらに含む。バリア層１６０中に存在するホスフェートの組成は、物品１００を製作する方法および物品１００の様々な作動条件に基づいて変動することができる。製作の方法に依存して、バリア層１６０は、図２および３を用いてさらに示されている通り、配置されたままのバリア層、中間バリア層または反応バリア層の形態であってよい。
【００２２】
該物品の金属層とガラス層との間の化学反応を防止または低減するための方法は、図２に開示されている。該方法は、金属層とガラス層との間にバリア層を配置するステップを含む。配置されたバリア層は、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを含む。図２は、一部の実施形態による、図１の物品１００の金属層１１０とガラス層１２０との間の化学反応を防止または低減するための例示的方法２００のフローチャートを示している。
【００２３】
一部の実施形態において、方法２００は、ステップ２１０で金属層１１０とガラス層１２０との間にバリア層を配置することで配置バリア層１６０を形成することを含む（図１を参照されたい）。配置バリア層１６０は、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを含む。一部の実施形態において、配置バリア層１６０中に存在するリン酸二水素アルミニウムの量は、配置バリア層１６０の約１ｍｏｌ％から約４５ｍｏｌ％の範囲である。ある特定の実施形態において、配置バリア層１６０は、配置バリア層１６０の約３ｍｏｌ％から約３０ｍｏｌ％の量でリン酸二水素アルミニウムを含む。一部の実施形態において、配置バリア層１６０は、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムと一緒に水、溶媒、またはその組合せを含むことができる。ある特定の他の実施形態において、アルミナは、配置バリア層１６０の約６５ｍｏｌ％から約９９ｍｏｌ％の量で配置バリア層１６０中に存在することができる。ある特定の実施形態において、配置バリア層１６０は、配置バリア層１６０の約７０ｍｏｌ％から約９７ｍｏｌ％の量でアルミナを含む。一部の実施形態において、配置バリア層１６０中に存在するアルミナは、アルファ−アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）である。
【００２４】
ステップ２２０で、配置バリア層１６０は、３００℃よりも高い温度に加熱することで脱水し、リン酸二水素アルミニウムおよびアルミナを少なくとも部分的に反応させることで中間バリア層を形成する。一部の実施形態において、ステップ２２０で加熱するために使用される温度は、約３００℃から約５００℃の範囲であってよい。ある特定の実施形態において、ステップ２２０で、配置バリア層１６０は、約３００℃から約４００℃の範囲の温度に加熱させることで、中間バリア層を形成する。中間バリア層は、アルミニウム含有ホスフェートを含む。一部の実施形態において、リン酸二水素アルミニウムは、アルミナと反応する前に分解することで、メタリン酸アルミニウムを形成することができる。配置バリア層１６０中に存在するリン酸二水素アルミニウム対アルミナの比、加熱する温度、および加熱ステップ２２０中の配置バリア層１６０のアルミナとのリン酸二水素アルミニウムの反応程度に依存して、中間バリア層は、アルミナと一緒にリン酸二水素アルミニウムおよびメタリン酸アルミニウムの両方を含むことができる。一部の実施形態において、リン酸二水素アルミニウムの全体量は、ステップ２２０で、アルミナと反応することで中間バリア層中にアルミニウム含有ホスフェートを形成することができる。これらの実施形態において、反応（Ｉ）のように、１モルのアルミナと反応させたリン酸二水素アルミニウム１モル当たり、３モルのリン酸アルミニウムが形成され得る：
Ａｌ（Ｈ２ＰＯ４）３＋Ａｌ２Ｏ３→３ＡｌＰＯ４＋３Ｈ２Ｏ（Ｉ）
【００２５】
一部の実施形態において、中間バリア層中に存在するアルミニウム含有ホスフェートの量は、中間バリア層の約３ｍｏｌ％から約７５ｍｏｌ％の範囲であってよい。ステップ２２０での配置バリア層１６０の加熱は別々に実施することができるか、または一部の実施形態において、金属層１１０およびガラス層１２０は、配置バリア層１６０と一緒に加熱することができる。加熱の例示的方法としては、以下に限定されないが、対流加熱、抵抗加熱、誘導加熱、マイクロ波加熱、またはその任意の組合せが挙げられる。一部の実施形態において、配置バリア層１６０は、物品１００の作動中にその場で加熱される。一部の実施形態において、金属層１１０は、電気化学セルの金属相互接続部を含み、ガラス層１２０は、電気化学セルのガラスシールを含む。これらの実施形態において、配置バリア層は、ＳＯＦＣスタックにおけるＳＯＦＣセルの作動中にその場で加熱することができる。
【００２６】
ステップ２３０で、方法２００は、金属層１１０、ガラス層１２０および中間バリア層を５００℃よりも高い温度に加熱することで反応バリア層を形成することを含む。一部の実施形態において、ステップ２３０で加熱するために使用される温度は、約５２０℃から約８００℃の範囲であってよい。ある特定の実施形態において、ステップ２３０で、中間バリア層は、約５５０℃から約８００℃の範囲の温度に加熱される。ステップ２３０のための加熱方法は、ステップ２２０で加熱するために記載されているものと同様または異なっていてよい。５００℃よりも高い温度に加熱することによって、ホスフェートは、金属層１１０の少なくとも元素およびガラス層１２０の少なくとも元素と少なくとも部分的に反応する。一部の実施形態において、反応バリア層は、アルミナ、金属層１１０の元素のホスフェート、およびガラス層１２０の元素のホスフェートを含む。本明細書で使用される場合、「金属層の元素のホスフェート」は、金属層１１０の１種または複数の元素を有する１種または複数のホスフェート化合物を指す。さらに、「ガラス層の元素のホスフェート」は、ガラス層１２０の１種または複数の元素を有する１種または複数のホスフェート化合物を指す。一部の実施形態において、反応バリア層は、アルミナ、メタリン酸アルミニウム、金属層１１０の元素のホスフェート、およびガラス層１２０の元素のホスフェートを含む。一部の実施形態において、反応バリア層中に存在する金属層１１０の元素のホスフェートおよびガラス層１２０の元素のホスフェートの組み合わせ量は、反応バリア層の約３ｍｏｌ％から約７５ｍｏｌ％の範囲である。一部の実施形態において、反応バリア層中のアルミニウム含有ホスフェートの量は、反応バリア層の約３ｍｏｌ％から６０ｍｏｌ％の範囲である。これらの実施形態において、アルミナは、反応バリア層の約４０ｍｏｌ％から約９７ｍｏｌ％の量であってよい。
【００２７】
図３は、図２の方法２００のステップを使用して形成される物品１００（図１を参照されたい）の様々な段階の概略図である。一部の実施形態において、物品１０２は、図３Ａに示されている通り、初期の「配置されたままの」段階である。図３Ａに示されている配置されたままの物品１０２は、金属層１１２、ガラス層１２２、および金属層１１２とガラス層１２２との間に位置する配置されたままのバリア層１６２を含む。一部の実施形態において、堆積されたままのバリア層１６２は、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを含む。
【００２８】
一部の実施形態において、物品１０４は、図３Ｂに示されている通り、中間の段階である。図３Ｂに示されている中間物品１０４は、図３Ａの配置されたままの物品１０２を３００℃よりも高い温度に加熱した後に形成される。中間物品１０４は、金属層１１４、ガラス層１２４、および金属層１１４とガラス層１２４との間に位置する中間バリア層１６４を含む。一部の実施形態において、中間バリア層１６４は、アルミニウム含有ホスフェートを含む。ある特定の実施形態において、中間バリア層１６４は、アルミナおよびリン酸アルミニウムを含む。金属層１１４およびガラス層１２４は、配置されたままの物品１０２のそれぞれ金属層１１２およびガラス層１２２の組成と同じまたは異なる組成を有することができる。
【００２９】
さらに、一部の実施形態において、物品１０６は、図３Ｃに示されている通り、反応させた段階である。図３Ｃに示される反応物品１０６は、中間物品１０４を５００℃よりも高い温度に加熱した後に形成される。反応物品１０６は、金属層１１６、ガラス層１２６、および金属層１１６とガラス層１２６との間に位置する反応バリア層１６６を含む。一部の実施形態において、反応バリア層１６６は、アルミナ、金属層１１６の元素のホスフェート、およびガラス層１２６の元素のホスフェートを含む。追加として、一部の実施形態において、反応バリア層１６６は、アルミニウム含有ホスフェートをさらに含む。一部の実施形態において、金属層１１６は、配置されたままの物品１０２の金属層１１２および中間物品１０４の金属層１１４の組成と同じ組成を有する。その上、一部の実施形態において、反応物品１０６の金属層１１６は、配置されたままの物品１０２の金属層１１２、中間物品１０４の金属層１１４、または両方の組成とわずかに異なる組成を有する。一部の実施形態において、金属層１１６の組成のわずかな変動は、中間物品１０４の中間バリア層１６４のアルミナまたはアルミニウム含有ホスフェートと反応するための金属層１１４の１種または複数の元素が枯渇した結果であり得る。一部の実施形態において、ガラス層１２６は、配置されたままの物品１０２のガラス層１２２および中間物品１０４のガラス層１２４の組成と同じ組成を有する。さらに、一部の実施形態において、ガラス層１２６の組成は、中間バリア層１６４との反応中におけるガラス層１２４の１種または複数の元素の枯渇により、中間物品１０４のガラス層１２４の組成とは異なる組成を有することができる。
【００３０】
そのため、図１を再び参照すると、図１のバリア層１６０は、図３の配置されたままのバリア層１６２、中間バリア層１６４または反応バリア層１６６を指すことができる。一部の実施形態において、バリア層１６０は、アルミナ、リン酸アルミニウム、金属層１１０の元素のホスフェート、およびガラス層１２０の元素のホスフェートを含む反応バリア層１６６である。
【００３１】
一部の実施形態において、バリア層１６０は、複数の副層を含むことができる。ここで図４を見ると、物品１０８が開示されている。一部の実施形態において、物品１０８は、図３Ｃに示されている反応物品１０６であってよい。物品１０８は、金属層１１８およびガラス層１２８を有する。バリア層１６８は、金属層１１８およびガラス層１２８との間に配置されている。図４の例において、バリア層１６８は、第１の副層１７２、第２の副層１７４、および第１の副層１７２と第２の副層１７４との間に配置された第３の副層１７６を含む。第１の副層１７２は、金属層１１８の元素のホスフェートを含む。第２の副層１７４はガラス層１２８の元素のホスフェートを含み、第３の副層１７６はアルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを含む。
【００３２】
一部の実施形態において、第１の副層１７２は、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸マンガン、リン酸チタン、またはその組合せを含む。他の実施形態において、第１の副層１７２は、金属層１１８の元素のホスフェートと一緒にアルミナをさらに含む。一部の実施形態において、第２の副層１７４は、リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛、またはその任意の組合せを含む。さらに、ある特定の実施形態において、第２の副層１７４は、ガラス層１２８の元素のホスフェートと一緒にアルミナをさらに含む。一部の実施形態において、第３の副層１７６は、アルミナおよびメタリン酸アルミニウムを含む。その上、一部の実施形態において、第３の副層１７６は、金属層１１８の元素またはガラス層１２８の元素を実質的に含まなくてもよい。第３の副層１７６は、第３の副層ｌ７６中の金属層１１８の元素およびガラス層１２８の元素の組み合わせ量が第３の副層１７６の２ｍｏｌ％より少ないならば、金属層１１８の元素またはガラス層１２８の元素を実質的に含まないと考えられる。
【００３３】
さらに、一部の実施形態において、第１の副層１７２、第２の副層１７４および第３の副層１７６は、第１の副層１７２中に存在する金属層１１８の元素のホスフェートのｍｏｌ％が、第３の副層１７６中に存在するアルミニウム含有ホスフェートのｍｏｌ％よりも大きいように設計することができる。さらに、一部のこうした実施形態において、第１の副層１７２中に存在するアルミナのｍｏｌ％は、第３の副層１７６中に存在するアルミナのｍｏｌ％よりも少ない。追加として、一部の実施形態において、第１の副層１７２、第２の副層１７４および第３の副層１７６は、第２の副層１７４中に存在するガラス層１２８の元素のホスフェートのｍｏｌ％が、第３の副層１７６中に存在するアルミニウム含有ホスフェートのｍｏｌ％よりも大きいように設計することができる。さらに、一部のこうした実施形態において、第２の副層１７４中に存在するアルミナのｍｏｌ％は、第３の副層１７６中に存在するアルミナのｍｏｌ％よりも少ない。
【００３４】
さらに、ある特定の実施形態において、第３の副層１７６中に存在するアルミナのｍｏｌ％は、第３の副層１７６中に存在するアルミニウム含有ホスフェートのｍｏｌ％よりも大きい。物品１０８がある特定の時間にわたって作動条件に供された後に第１の副層１７２と第２の副層１７４との間の化学反応を制限するために、第３の副層１７６中のアルミニウム含有ホスフェートのｍｏｌ％よりも高いｍｏｌ％のアルミナが望ましい。さらに、第１の副層１７２と第２の副層１７４との間の化学反応を制限するために、より厚い第３の副層１７６が望ましくあり得る。一部の実施形態において、第３の副層１７６の厚さは５ミクロンよりも大きい。その上、一部の実施形態において、第３の副層１７６は、約５．５ミクロンから約５０ミクロンの範囲の厚さを有することができる。
【００３５】
例えば従来のＳＯＦＣなど、一部の物品において、金属層はアルミニウムが通常富化されていることで、物品の作動中にアルミナを形成し、それによってガラス層との反応を制限する。本開示に提示されている実施形態において、バリア層は、物品１００の異なる段階１０２、１０４および１０６において金属層１１０とガラス層１２０との間の反応を防止または低減するように設計されている（図３Ａ〜３Ｃ）。そのため、中間物品１０４において金属層１１４とガラス層１２４との間の反応を防止または低減するために、または反応物品１０６において金属層１１６とガラス層１２６との間の反応を防止または低減するために、ガラス層１２２との反応を制限するための、金属層１１２をアルミニウムで富化する必要が回避される。したがって、一部の実施形態において、配置されたままの物品１０２の金属層１１２はアルミニウムを実質的に含まない。物品１０２の作動中における任意の技術的進歩の目的で、金属層１１２の製造中または任意のさらなる加工中における金属層１１２へのアルミニウムの意図的添加がない場合、金属層１１２は「アルミニウムを実質的に含まない」と言われる。一部の実施形態において、金属層１１２におけるアルミニウムの任意の非意図的添加は、金属層１１２の０．１ｍｏｌ％よりも少ない。一部の実施形態において、物品１０２は、金属相互接続部およびガラスシールを有する固体酸化物燃料セルスタックである。
【００３６】
加えて、一部の実施形態において、固体酸化物燃料セル（ＳＯＦＣ）スタック４００は、図５に図示されている通りに提示される。図５に示されている固体酸化物燃料セルスタック４００は、金属相互接続部支持固体酸化物燃料セルスタックである。固体酸化物燃料セルスタック４００は、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル５００および６００を含む。スタック４００の各固体酸化物燃料セル５００、６００は、アノード５１０、６１０、カソード５２０、６２０、および電解質５３０、６３０を含み、金属相互接続部４１０、４１２上に支持されている。一部の実施形態において、金属相互接続部４１０、４１２は、フェライト系ステンレス鋼を含む。フェライト系ステンレス鋼は、経済的なおよび耐久性のある固体酸化物燃料セル相互接続材料として成功していることが証明されている。一部の実施形態において、固体酸化物燃料セルスタック４００の金属相互接続部４１０、４１２は、アルミニウムを実質的に含まない。
【００３７】
固体酸化物燃料セルスタック４００は、固体酸化物燃料セル５００の電解質５３０と他の隣接する固体酸化物燃料セル６００を支持する金属相互接続部４１２との間に配置されたガラスシール４２０を使用してシールされる。一部の実施形態において、ホウケイ酸バリウムベース（ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２）のガラスは、ガラスシール４２０として使用される。ホウケイ酸バリウムガラスは、固体酸化物燃料セルシーリング材料として長期成功を示してきた。金属相互接続部４１０、４１２としてフェライト系ステンレス鋼、およびガラスシール４２０としてホウケイ酸バリウムガラスを有する実施形態において、化学反応は、固体酸化物燃料セルの作動の昇温にてガラスとフェライト系ステンレス鋼との間で起こり、ガラスの失透およびクロム酸バリウムなどの界面相の形成をもたらす。クロム酸バリウム形成は反応帯域で大きな空隙をもたらし、それによって、金属相互接続部４１０、４１２とガラスシール４２０との間の界面を弱体化する可能性がある。
【００３８】
したがって、本開示の一部の実施形態に従って、バリア層４６０は、金属相互接続部４１２およびガラスシール４２０の元素間の反応を防止または低減するために、金属相互接続部４１２とガラスシール４２０との間に配置される。バリア層４６０は、アルミナおよびホスフェートを含む。バリア層４６０のホスフェートとしては、リン酸二水素アルミニウム、リン酸アルミニウム、メタリン酸アルミニウム、金属相互接続部４１２の元素のホスフェート、ガラスシール４２０の元素のホスフェート、またはその組合せが挙げられる。
【００３９】
一部の実施形態において、バリア層４６０は、図３Ａに示されている通り、アルミナおよびリン酸二水素アルミニウムを有する配置されたままのバリア層１６２である。ある特定の実施形態において、バリア層４６０は、図３Ｂに示されている通り、アルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを有する中間バリア層１６４である。追加として、一部の実施形態において、バリア層４６０は、図３Ｃに示されている通り、アルミナおよび金属相互接続部４１２の元素のホスフェートおよびガラスシール４２０の元素のホスフェートを有する反応バリア層１６６である。一部の実施形態において、バリア層４６０は、金属相互接続部４１２の元素のホスフェートを有するバリア層の第１の副層、ガラスシール４２０の元素のホスフェートを有する第２の副層、および第１の副層と第２の副層との間に配置されており、アルミナおよびアルミニウム含有ホスフェートを有する第３の副層（図５に示されていない）を含むことができる。「配置バリア層」、「中間バリア層」および「反応バリア層」という用語は、図３Ａ〜３Ｃを参照して前に記載されている。
【００４０】
一部の実施形態において、バリア層４６０は、固体酸化物燃料セルスタック４００の作動中にバリア層４６０を通過する電流密度の量を無視できるように、金属相互接続部４１２の非活性領域中に配置される。本明細書で使用される場合、相互接続の「非活性領域」は、固体酸化物燃料セルスタック４００のカソード５２０またはアノード６１０と直接接触していない金属相互接続部４１２の領域である。
【００４１】
一部の実施形態において、固体酸化物燃料セルスタックを製作する方法が開示されている。図６は、図５に示されている固体酸化物燃料セルスタック４００を製作する例示的方法６５０のフローチャートを示している。図６の方法６５０は、図５のＳＯＦＣスタック４００の構成要素を参照して記載されている。
【００４２】
方法６５０は、ステップ６５２で、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル５００および６００を積層することを含む。さらに、ステップ６５４で、方法６５０は、少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セルの少なくとも１つの固体酸化物燃料セル５００の電解質５３０と少なくとも２つの固体酸化物燃料セルの隣接する固体酸化物燃料セル６００の金属相互接続部４１２との間にガラスシールを配置することを含む。方法６５０のステップ６５６は、金属相互接続部４１２とガラスシール４２０との間にバリア層４６０を配置することを含む。
【００４３】
ステップ６５２で少なくとも２つの隣接する固体酸化物燃料セル５００および６００を積層した後に、およびバリア層４６０を配置するステップ６５４の前に、一部の実施形態において、金属相互接続部４１０、４１２は、機械的方法を使用して清浄および調製することで過剰な表面酸化を除去することができる。ある特定の実施形態において、金属相互接続部４１０、４１２の表面上に存在することができる酸化クロムは、バリア層４６０を配置する前に実質的に除去される。
【００４４】
バリア層４６０は、以下に限定されないが、スプレー、スプレー噴霧、超音波噴霧、ディップコーティング、またはその組合せなど様々な非接触方法を含めて、様々な方法を使用して配置することができる。一部の実施形態において、バリア層４６０は、金属相互接続部４１０、４１２上のスラリーコーティングとして適用される。一部の実施形態において、バリア層４６０は、塗装、スクリーン印刷、パッド印刷、またはその組合せなど様々な接触方法を使用して配置することができる。ある特定の実施形態において、界面活性剤は、スラリーに添加することで、金属相互接続部４１０、４１２を有する適用バリア層の湿潤に役立つ。配置バリア層４６０は、固体酸化物燃料セルスタック４００の加熱および作動中にその場で、乾燥し、加熱し、金属相互接続部４１０、４１２およびガラスシール４２０と反応させ、焼結することができる。
【００４５】
一部の実施形態において、方法６５０は、配置バリア層４６０を３００℃よりも高い温度に加熱することで、少なくとも部分的に脱水し、リン酸二水素アルミニウムを分解することで、アルミニウム含有ホスフェートを含む中間バリア層を形成するステップをさらに含むことができる。ある特定の実施形態において、配置バリア層４６０は、約３００℃から約４００℃の範囲の温度に加熱することで、リン酸二水素アルミニウムを少なくとも部分的に分解して、中間バリア層を形成することができる。さらに、一部の実施形態において、配置バリア層４６０のリン酸二水素アルミニウムは、アルミナと少なくとも部分的に反応することで、リン酸アルミニウム、メタリン酸アルミニウム、アルミナ、またはその組合せを含む中間バリア層を形成することができる。
【００４６】
加熱すると、配置バリア層４６０は、アルミニウム含有ホスフェートを有する中間バリア層に変換することができる。ステンレス鋼を有する金属相互接続部４１０、４１２との中間バリア層の反応は、該鋼における酸化クロムの成長およびアルミニウム含有ホスフェートとの酸化クロムの反応を含むことで、リン酸クロムを形成することができる。金属相互接続部中に存在する他の元素の少なくとも一部は、アルミニウム含有ホスフェートと反応することで、それらの元素のそれぞれのホスフェートを形成することもできる。
加熱中、ガラスシール４２０のガラスは、ガラス転移点付近で軟化または溶融し、配置バリア層または中間バリア層に十分に浸透することで、固体酸化物燃料セルスタック４００の作動の熱サイクル中に、適切な接着強度が中間バリア層の隣接層とガラスシール４２０との間で生じることができる。加えて、反応相が、中間バリア層のアルミニウム含有ホスフェートと、ガラスシール４２０の元素、例えばバリウム、ホウ素、イットリウム、カルシウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムとの間に形成され、それによってバリア層４６０およびガラスシール４２０との間の結合を強化することができる。
【００４７】
一部の実施形態において、方法６５０は、金属相互接続部４１２、ガラスシール４２０および中間バリア層を５００℃よりも高い温度に加熱することで、アルミニウム含有ホスフェートを金属相互接続部４１２およびガラスシール４２０を少なくとも部分的に反応させて、反応バリア層を形成するステップをさらに含むことができる。したがって、ある特定の実施形態において、中間バリア層は、約５５０℃から約８００℃の範囲の温度に加熱することができる。一部の実施形態において、該方法は、金属相互接続部４１２によって支持されている固体酸化物燃料セル６００を製作することをさらに含むことができる。固体酸化物燃料セル６００を製作する方法は、金属相互接続部４１２上にアノード６１０、電解質６３０およびカソード６２０を付加的に製造することを含む。
【００４８】
図７は、図５に示されている燃料セルスタック４００の部分７００を示している。部分７００は、金属相互接続部７１０およびガラスシール７２０を含む。固体酸化物燃料セルスタック４００のバリア４６０などのバリア層７６０は、金属相互接続部７１０とガラスシール７２０との間に配置されている。一実施形態において、バリア層７６０は、第１の副層７６２、第２の副層７６４および第３の副層７６６を含む。第３の副層７６６は、第１の副層７６２および第２の副層７６４との間に配置されている。一部の実施形態において、第１の副層７６２は、リン酸クロム、リン酸鉄、リン酸ケイ素、リン酸マンガン、リン酸チタン、リン酸ニッケル、またはその組合せを含む。第２の副層７６４は、リン酸バリウム、リン酸ケイ素、リン酸ホウ素、リン酸ジルコニウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウム、リン酸イットリウム、リン酸亜鉛、またはその組合せを含む。第３の副層７６６は、アルミナおよびリン酸アルミニウムを含む。一部の実施形態において、第３の副層７６６の厚さは５ミクロンよりも大きい。一部の実施形態において、第３の副層７６６の厚さは、約５．５ミクロンから約５０ミクロンの範囲である。
【００４９】
さらに、一部の実施形態において、金属相互接続部７１０のクロムとのリン酸アルミニウムの反応は、第１の副層７６２の少なくとも一部を形成することができる。同様の様式において、ガラスシール７２０のバリウムとのアルミニウム含有ホスフェートの反応は、第２の副層７６４の少なくとも一部を形成することができる。その上、第３の副層７６６は、第１の副層７６２と第２の副層７６４との間のバリアとして存在することができる。図５に示されている固体酸化物燃料セルスタック４００のさらなる作動中、金属相互接続部７１０の表面上の酸化クロムスケールは成長し続けることができる。しかしながら、第３の副層７６６、殊に、第３の副層７６６中に存在するアルミナは、バリウムなどガラスシール７２０の元素との酸化クロムの物理的接触を防止または低減し、それによって、固体酸化物燃料セルスタック４００のさらなる作動中に電解質５３０と金属相互接続部４１２との間のシーリングを最終的に劣化させ得るクロム酸バリウムを形成する可能性がある反応を防止または低減することができる。
【００５０】
一部の実施形態において、図５に示されている固体酸化物燃料セルスタック４００の作動温度は、約６００℃から８５０℃の範囲であってよい。固体酸化物燃料セルスタック４００など固体酸化物燃料セルスタックにおける金属相互接続部７１０とガラスシール７２０との間にバリア層７６０を含むことは、固体酸化物燃料セルスタック４００の有用な作動寿命を延長するのに有利である。さらに、本開示の一部の実施形態によるバリア層は、環境条件で有利に配置することができ、反応バリア層は、アルミニウム含有ホスフェートを金属相互接続部およびガラスシールと反応させることによってその場で形成し、強い反応ホスフェート相をもたらすことができる。結果として生じた反応ホスフェート相は、従来はアルミ化技法を使用してまたはアルミナを熱スプレーすることによって形成される相互接続とガラスシールとの間の単なるアルミナの存在と比較して、より強い。この開示の実施形態に開示されているバリア層を配置することは、金属相互接続部とガラスシールとの間の化学反応を防止または低減するための速いおよび費用効果の高い方法である。
【実施例】
【００５１】
以下の例は、本開示の非限定的な実施形態をさらに例示するために提示されている。
【００５２】
相互接続支持固体酸化物燃料セルを製作するための相互接続材料として、４００シリーズステンレス鋼を使用した。アノードおよび電解質を熱スプレーによってステンレス鋼上に配置し、カソードを厚膜スクリーン印刷によって配置した。作動中のクロム揮発を防止するため、曝露されているステンレス鋼上に追加のコーティングを配置した。固体酸化物燃料セルを組み立てることでスタックを形成する前に、表面酸化物を適切に除去するためのスチールワイヤーブラシを使用してカソード相互接続部の非活性部域を調製した。リン酸二水素アルミニウム（Ａｌ（Ｈ２ＰＯ４）３）およびアルファ−アルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）のスラリー水溶液を１：８の相対モル比で調製し、エアロゾル堆積方法によってステンレス鋼上に配置した。シリカ、酸化バリウム、酸化ホウ素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウムを主要な（各々＞１０ｍｏｌ％）構成元素として；ならびにイットリア、酸化亜鉛および酸化ジルコニウムを副次的（＜３ｍｏｌ％）構成元素として有するガラスフリットを使用して、ガラスペーストを調製した。ガラスペーストを配置スラリー上にスクリーン印刷し、７０℃で空気中にて乾燥させた。
【００５３】
各隣接するセル間においてマイカガスケットをセルに積層することによって、１０セルスタックを構築し、作動温度に加熱し、アノード流れ場を不活性窒素雰囲気に曝露させた。一旦熱浸漬し、燃料を導入し、スタックを０．２４Ａ−ｃｍ−２で５００時間作動させ、特徴付けのために室温に冷却した。図８は、ステンレス鋼とガラスシールとの間の反応界面の走査電子顕微鏡写真８００を示す。下記の表１は、図８の走査電子顕微鏡写真における様々な表示領域、および該領域における対応する同定相を提示している。
【表１】
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【００５４】
表１から、バリア層は、例えばクロムなど鋼の元素と例えばバリウムなどガラスシールの元素との間のさらなる反応を有効に妨げることができる様々な副層を形成すると分析することができる。
【００５５】
本明細書において開示されている物品および方法は、従来知られている物品および方法よりも有利である。前に開示されている通り、ガラスとステンレス鋼との間の反応を排除する従来の方法は、コストがかかるとともに遅いアルミ化プロセスを必要とする。本明細書に記載されている方法は比較的速く、ガラス溶融および後続のスタックシーリングと同時に加熱することができる。その場での加工手法は、アルミ化とともに伝統的に必要とされる追加の高温加工ステップを必要としない。
【００５６】
この書面による記載は、一部の例を使用して、最良の形態を含めて特許請求の範囲に記載されている開示を開示することで、任意の装置またはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を行うことを含めて、任意の当業者が本開示を実践するのを可能にする。特許請求の範囲に記載されている開示の範疇は、当業者が想起する他の例を含むことができる。こうした他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有するならば、またはそれらが請求項の文言と実質的な差異がない等価の構造要素を含むならば、添付の請求項の範疇内であると意図される。
【符号の説明】
【００５７】
１００  物品
１０２  物品
１０４  物品
１０６  物品
１０８  物品
１１０  金属層
１１２  金属層
１１４  金属層
１１６  金属層
１１８  金属層
１２０  ガラス層
１２２  ガラス層
１２４  ガラス層
１２６  ガラス層
１２８  ガラス層
１６０  バリア層
１６２  バリア層
１６４  バリア層
１６６  バリア層
１６８  バリア層
１７２  第１の副層
１７４  第２の副層
１７６  第３の副層
２００  方法
２１０  ステップ
２２０  ステップ
２３０  ステップ
４００  固体酸化物燃料セルスタック
４１０  金属相互接続部
４１２  金属相互接続部
４２０  ガラスシール
４６０  バリア層
５００  各固体酸化物燃料セル
５１０  アノード
５２０  カソード
５３０  電解質
６００  各固体酸化物燃料セル
６１０  アノード
６２０  カソード
６３０  電解質
６５０  方法
６５２  ステップ
６５４  ステップ
６５６  ステップ
７００  部分
７１０  金属相互接続部
７２０  ガラスシール
７６０  バリア層
７６２  第１の副層
７６４  第２の副層
７６６  第３の副層
８００  走査電子顕微鏡写真
８１２  領域
８１４  領域
８１６  領域
８１８  領域
８２０  領域
８２２  領域
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2019119673000001.pdf