(57)【要約】  発明は固体酸化物燃料電池に用いるための絶縁性組成材に向けられる。そのような組成材は、シール材損傷を防止し、電気的効率及びイオン効率を高めるために用いることができる。
2010532548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池において、前記絶縁性組成材が、前記バスバー及び／または前記バイアパッドに近接し、及び／または前記電解質の部分領域に存在し、前記絶縁性組成材が前記空気極と前記電解質の間には実質的に配されていないことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池において、前記絶縁性組成材が、前記バスバー及び／または前記バイアパッドに近接し、及び／または前記電解質の部分領域に存在し、前記絶縁性組成材が、ジルコン酸ランタン、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸希土類、またはジルコン酸アルカリ土類ではないことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池において、前記絶縁性組成材が、
（ｉ）  パイロクロア（黄緑石）または歪パイロクロア、
（ii）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造または交互配置ペロブスカイト様構造、
（iii） ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、シーライト（灰重石）、フェルグソン石またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iv）  スピネル、スピネル誘導体構造または逆スピネル、
（ｖ）  岩塩構造、
（vi）  チタン鉄鉱、
（vii） 擬ブルッカイト（板チタン石） Ａ２ＢＯ５、
（viii）ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、
（ix）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（ｘ）  ルチル、
（xi）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、
（xii） 立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、または
（xiii）コランダム、
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有する、１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含み、
前記絶縁性組成材が、前記バスバー及び／または前記バイアパッドに近接し、及び／または前記電解質の部分領域に存在する、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記絶縁性組成材が、
（ｉ）  前記バスバー及び前記バイアパッドに近接している、あるいは前記バスバー及び／または前記バイアパッドに接している、及び／または
（ii）  前記電解質に接している、及び／または
（iii） 前記バスバー及び前記電解質に接している、及び／または
（iv）  前記バイアパッド及び前記電解質に接している、及び／または
（ｖ）  ２つ以上の前記バイアパッド及び前記電解質に接している、及び／または
（vi）  ２つ以上の前記バイアパッド及び前記電解質に接している連続層である、及び／または
（vii） 前記電解質の部分領域に存在する、及び／または
（viii）前記電解質の部分領域において厚さの一部にかけて存在する、及び／または
（ix）  前記電解質の部分領域において全厚にわたり存在する、及び／または
（ｘ）  前記電解質の部分領域に存在し、少なくとも１つの個領域に存在する、
ことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記絶縁性組成材が、
（Ｉ）  前記電解質の部分領域に存在し、（ｉ）前記シール材に近接しているかまたは（ii）前記シール材に接している、または
（II）  前記電解質の部分領域に存在し、（ｉ）前記シール材に接していない、及び／または（ii）前記電極と前記シール材の間にある、
ことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記絶縁性酸化物セラミックが、
（ｉ）
（１）価数がＡ３＋２Ｂ４＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｅｕ，Ｇｄ，または
その他の＋３価ランタニド，
Ｂ４＋は、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，またはＳｎ，
あるいは
（２）価数がＡ２＋２Ｂ５＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｚｎ，またはＢａ，
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＶ，
の化学式にしたがうパイロクロア結晶構造または歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  化学式ＡＢＯ３にしたがい：
（１）価数がＡ２＋Ｂ４＋Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，またはＳｎ，
（２）価数がＡ３＋Ｂ３＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，または＋３価ランタニド，及び
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｖ，またはＹ，
（３）価数がＡ２＋（Ｂ３＋０.５Ｂ５＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ， 
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，または
その他の＋３価ランタニド，
Ｂ５＋は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
（４）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.３３Ｂ５＋０.６７）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
（５）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.５Ｂ６＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ６＋は、Ｍｏ，Ｗ，またはＲｅ，
（６）価数がＡ３＋０.３３Ｂ５＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，
またはＥｒ，
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
あるいは
（７）価数がＡ３＋（Ｂ２＋０.５Ｂ４＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｌａ，またはランタニド，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，
交互配置Ｂｉ２Ｏ２，または
ペロブスカイト様構造、
のペロブスカイト、歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造；
（iii）
（１）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石または歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃまたは希土類，
Ｃは、Ｖ，ＮｂまたはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが２＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，
Ｂが３＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ，
（２）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｚ＝２＋ｙ−ｘ，
（３）ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
ＡはＭｇまたはＣａ，及び
ＢはＷまたはＭｏ，
（４）ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，ここで
ＭIIIは、＋３価の金属，
または、化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ，
のフェルグソン石型構造，
（５）アニオン欠陥ホタル石，または
（６）価数がＡ２＋Ｂ６＋Ｏ４またはＡ３＋Ｂ５＋Ｏ４のホタル石関連ＡＢＯ４化合物，ここで
Ａ２＋は、ＣａまたはＢａ，
Ｂ６＋は、Ｃｒ，
Ａ３＋は、Ｃｒ，及び
Ｂ５＋は、Ｎｂ；
（iv）
（１）ＡＢ２Ｏ４のスピネル構造またはスピネル誘導体構造，ここで
Ａは、Ｍａ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｏ，ＦｅまたはＭｎ，及び
Ｂは、Ａｌ，Ｇａ，ＣｒまたはＦｅ，
（２）Ａ３Ｂ３２Ｏ５１，ここで
Ａは、Ｃａ，ＢａまたはＳｒ，及び
Ｂは、Ａｌ，
または
（３）Ａ２ＢＯ４の逆スピネル，ここで
Ａは、ＭｇまたはＺｎ，及び
Ｂは、ＴｉまたはＳｎ；
（ｖ）  岩塩構造ＡＯ，ここで
Ａは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａまたはＮｉ；
（vi）  化学式がＡＢＯ３のチタン鉄鉱，ここで
Ａは、Ｎｉ，Ｃｏ，ＭｎまたはＦｅ，及び
Ｂは、Ｔｉ， 
あるいは、ゲーキーライト，ここで
Ａは、Ｍｇ，及び
Ｂは、Ｔｉ；
（vii） 化学式がＡ２ＢＯ５の擬ブルッカイト結晶構造，ここで
Ａは、ＡｌまたはＦｅ，
Ｂは、Ｔｉ；
（viii）ＲｅＯ３様ブロックに基づく正方晶青銅構造，
または、Ｎｂ２Ｏ５-ＷＯ３混晶；
（ix）  価数がＡ２＋Ｂ５＋２Ｏ６の正方晶青銅構造，ここで
Ａ２＋は、ＳｒまたはＢａ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
あるいは、
超構造Ａ２＋５Ｂ５＋１０Ｏ３０，Ａ２＋６Ｂ４＋２Ｂ５＋８Ｏ３０，
または、Ａ２＋５Ｂ３＋Ｂ４＋３Ｂ５＋７Ｏ３０，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，ＳｒまたはＢａ，
Ｂ３＋は、Ｌａまたはランタニド，
Ｂ４＋は、Ｔｉ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ；
（ｘ）  ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、Ｔｉ，ＳｎまたはＭｎ；
（xi）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造，ここで
Ａは、Ｍｇ，ＣｒまたはＶ，
Ｂは、Ｔａ，ＷまたはＳｂ，
または、ＣａＴａ２Ｏ６；
（xii） 立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造のＡ２Ｏ３，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類；
（xiii）コランダム構造のＡ２Ｏ３，ここで
Ａは、Ａｌ，ＧａまたはＣｒ，
または、ＡＢＯ３，ここで
Ａは、Ｎｉ，及び
Ｂは、Ｃｒ；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含むことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記絶縁性酸化物セラミックが、
（ｉ）  Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７，
Ｅｒ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｙ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｈｆ２Ｏ７，
Ｇｄ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｅｒ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｌａ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｙ２Ｓｎ２Ｏ７，
Ｎｄ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｓｎ２Ｏ７またはＥｒ２Ｓｎ２Ｏ７，の
パイロクロア結晶構造または歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  ＳｒＺｒＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＳｒＨｆＯ３，ＢａＨｆＯ３，
ＳｒＳｎＯ３，ＢａＳｎＯ３，ＢａＴｉＯ３またはＳｒＴｉＯ３，の
ペロブスカイト、歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造
または交互配置ペロブスカイト様構造；
（iii） Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石、歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃ，または希土類，及び
Ｃは、Ｖ，Ｎｂ，またはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが２＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，
Ｂが３＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ，
Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，ｚ＝２＋ｙ−ｘ、
ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
Ａは、ＭｇまたはＣａ，
Ｂは、ＷまたはＭｏ，
ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，あるいは
化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ，の
フェルグソン石型構造；
（iv）  ＭｇＡｌ２Ｏ４，ＺｎＡｌ２Ｏ４，ＭｎＡｌ２Ｏ４，ＣｏＡｌ２Ｏ４，の
スピネルまたはスピネル誘導体構造；
（ｖ）  ＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｒＯまたはＮａＯ，の
岩塩構造；
（vi）  ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、ＴｉまたはＳｎ；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含むことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記電解質が前記燃料極と前記空気極の間に配され、１つの単燃料電池セルの前記燃料極が別の単燃料電池セルの空気極に前記燃料極のバイアパッド及び前記空気極のバイアパッドによって電気的に接続され、前記バイアパッドは前記電解質を貫通するバイア充填材によって電気的に相互接続され、前記バスバーが前記電解質のそれぞれの端において前記電極に電気的に接続され、前記シール材が前記電解質と、前記シール材に接する、フレームの間に配されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、フレーム、シール材及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池において、前記絶縁性組成材が、
（ｉ）  パイロクロアまたは歪パイロクロア、
（ii）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造、
または交互配置ペロブスカイト様構造、
（iii） ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、
シーライト、フェルグソン石、
またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iv）  チタン鉄鉱、
（ｖ）  擬ブルッカイトＡ２ＢＯ５、
（vi）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、
（vii） ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（viii）ルチル、
（ix）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、
または
（ｘ）  立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有する，１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含むことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
前記絶縁性組成物が、（ｉ）前記フレームと隣り合い、前記フレームに接し、及び／または（ii）前記フレームと前記シール材の間に配され、前記シール材が前記絶縁性組成材と前記電解質の間に配されることを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記絶縁性酸化物セラミックが、
（ｉ）
（１）価数がＡ３＋２Ｂ４＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｅｕ，Ｇｄ，または
その他の＋３価ランタニド，
Ｂ４＋は、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，またはＳｎ，
あるいは
（２）価数がＡ２＋２Ｂ５＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｚｎ，またはＢａ，及び
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＶ，
の化学式にしたがうパイロクロア結晶構造または歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  化学式ＡＢＯ３にしたがい：
（１）価数がＡ２＋Ｂ４＋Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，またはＳｎ，
（２）価数がＡ３＋Ｂ３＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，または＋３価ランタニド，及び
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｖ，またはＹ，
（３）価数がＡ２＋（Ｂ３＋０.５Ｂ５＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ， 
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，または
その他の＋３価ランタニド，
Ｂ５＋は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
（４）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.３３Ｂ５＋０.６７）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
（５）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.５Ｂ６＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ６＋は、Ｍｏ，Ｗ，またはＲｅ，
（６）価数がＡ３＋０.３３Ｂ５＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，
またはＥｒ，
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
あるいは
（７）価数がＡ３＋（Ｂ２＋０.５Ｂ４＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｌａ，またはランタニド，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，
交互配置Ｂｉ２Ｏ２，または
ペロブスカイト様構造、
のペロブスカイト、歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造；
（iii）
（１）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石または歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃまたは希土類，及び
Ｃは、Ｖ，ＮｂまたはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが２＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，
Ｂが３＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ，
（２）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｚ＝２＋ｙ−ｘ，
（３）ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
ＡはＭｇまたはＣａ，及び
ＢはＷまたはＭｏ，
（４）ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，ここで
ＭIIIは、＋３価の金属，
または、化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ，
のフェルグソン石型構造，
（５）アニオン欠陥ホタル石，
あるいは
（６）価数がＡ２＋Ｂ６＋Ｏ４またはＡ３＋Ｂ５＋Ｏ４のホタル石関連ＡＢＯ４化合物，ここで
Ａ２＋は、ＣａまたはＢａ，
Ｂ６＋は、Ｃｒ，
Ａ３＋は、Ｃｒ，及び
Ｂ５＋は、Ｎｂ；
（iv）  化学式がＡＢＯ３のチタン鉄鉱，ここで
Ａは、Ｎｉ，Ｃｏ，ＭｎまたはＦｅ，及び
Ｂは、Ｔｉ，
あるいは、ゲーキーライト，ここで
Ａは、Ｍｇ，及び
Ｂは、Ｔｉ；
（ｖ）  化学式がＡ２ＢＯ５の擬ブルッカイト結晶構造，ここで
Ａは、ＡｌまたはＦｅ，
Ｂは、Ｔｉ；
（vi）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく正方晶青銅構造，
あるいは、Ｎｂ２Ｏ５-ＷＯ３混晶；
（vii） 価数がＡ２＋Ｂ５＋２Ｏ６の正方晶青銅構造，ここで
Ａ２＋は、ＳｒまたはＢａ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
あるいは、超構造Ａ２＋５Ｂ５＋１０Ｏ３０，Ａ２＋６Ｂ４＋２Ｂ５＋８Ｏ３０，
または、Ａ２＋５Ｂ３＋Ｂ４＋３Ｂ５＋７Ｏ３０，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，ＳｒまたはＢａ，
Ｂ３＋は、Ｌａまたはランタニド，
Ｂ４＋は、Ｔｉ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ；
（viii）ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、Ｔｉ，ＳｎまたはＭｎ；
（ix）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造，ここで
Ａは、Ｍｇ，ＣｒまたはＶ，及び
Ｂは、Ｔａ，ＷまたはＳｂ，
または、ＣａＴａ２Ｏ６；
（ｘ）  立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造のＡ２Ｏ３，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含むことを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
前記絶縁性酸化物セラミックが、
（ｉ）  Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７，
Ｅｒ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｙ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｈｆ２Ｏ７，
Ｇｄ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｅｒ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｌａ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｙ２Ｓｎ２Ｏ７，
Ｎｄ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｓｎ２Ｏ７またはＥｒ２Ｓｎ２Ｏ７，の
パイロクロアまたは歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  ＳｒＺｒＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＳｒＨｆＯ３，ＢａＨｆＯ３，
ＳｒＳｎＯ３，ＢａＳｎＯ３，ＢａＴｉＯ３またはＳｒＴｉＯ３，の
ペロブスカイト、歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造
または交互配置ペロブスカイト様構造；
（iii） Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石、歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃまたは希土類，及び
Ｃは、Ｖ，ＮｂまたはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが２＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，
Ｂが３＋であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ，
Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，ｚ＝２＋ｙ−ｘ、
ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
Ａは、ＭｇまたはＣａ，
Ｂは、ＷまたはＭｏ，
ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，あるいは
化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ，の
フェルグソン石型構造；
または
（iv）  ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、ＴｉまたはＳｎ；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含むことを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１３】
前記絶縁性酸化物セラミックがイットリア安定化ジルコニアまたはジルコン酸ランタンではないことを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１４】
前記１つ以上の絶縁性酸化物セラミックが、
（ｉ）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造、
または交互配置ペロブスカイト様構造、
（ii）  ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、
シーライト、フェルグソン石、
またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iii） チタン鉄鉱、
（iv）  擬ブルッカイトＡ２ＢＯ５、
（ｖ）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、
（vi）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（vii） ルチル、
（viii）ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、
または
（ix）  立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有することを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１５】
前記電解質が前記燃料極と前記空気極の間に配され、１つの単燃料電池セルの前記燃料極が別の単燃料電池セルの空気極に前記燃料極のバイアパッド及び前記空気極のバイアパッドによって電気的に接続され、前記バイアパッドが前記電解質を貫通するバイア充填材によって電気的に相互接続され、前記バスバーが前記電解質のそれぞれの端において前記電極に電気的に接続され、前記シール材が前記電解質と、前記シール材に接する、フレームの間に配されることを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００７年７月５日に出願された、米国仮特許出願第６０/９５８４０９号への優先権を主張する。上記出願の明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）用絶縁材に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＳＯＦＣシステムは一般に、単セル内で燃料を空気からの酸素と反応させることによってＤＣ電力を発生する。複数のＤＣセルを直列または並列に電気的に接続することができ、通常は電圧を高めるために直列に接続する。燃料としてＨ２を用い、酸化剤として空気からの酸素を用いるＳＯＦＣでは、４００℃〜１０００℃の温度において、それぞれのセルが約１.１〜１.２ボルトの開放電圧を発生することができ、セルあたり１.１〜０.５ワットの間の電力を発生できる。多数のセルを直列に接続すると、かなりの電圧を発生できる。
【０００４】
ＳＯＦＣ構造の１つでは１枚の電解質シート上に複数のセルが配置される。少なくとも１枚、通常は２枚の電解質シートがフレームにシールされ、燃料は電解質シートとフレームの内面の間を流れる。少なくとも１枚のシート（通常は複数のセルをもつ２枚の電解質シート）とフレームの組合せはパケットとして知られる。電解質上の異なる領域の間及び電解質シートと（接地されることもある）導電性パケットフレームの間にはかなりの電圧差が生じる。この電圧、例えば１枚の電解質シート上で直列に接続された１６個のセルについては〜±１８ボルトまでの開放電圧は、ガラスシール材の化学成分がＳＯＦＣシステムの動作温度において電場の下で移動する場合、ガラスシール材を電気化学的に劣化させ、破壊し得る。複セル電解質構造におけるシール材とフレームの間の電圧の符号、絶対値及び場所は、フレームが接地されているかまたは接地されていない（「フローティング」である）か、あるいはフレームの電位を定める（「ピンニング」する）ためにフレームが特定のセル及び特定の電極に接続されているか否かに依存する。
【０００５】
本発明において本明細書に見られるように、固体酸化物燃料電池金属コンポーネント上のプラズマスプレーアルミナ（ＰＳＡ）コーティングはＰＳＡ層に機械的破壊がおこり得る。ＰＳＡコーティングのＣＴＥ不整合及び微細構造または微細構造における欠陥がコーティングの割れに重大な役割を果たし得る。[アルミン酸マグネシウムスピネル＋マグネシア]コーティングはいくつかのガラスシール材と有害な態様で反応し得る。
【０００６】
本発明において本明細書で見られるように、シール材劣化及び電力損失／効率低下に加えて、ＳＯＦＣシステムにおける迷走寄生電流またはイオン流は、特に単一電解質シート上複セル構造において、別の材料劣化反応をおこさせ得る。そのような複セルシステムにおいては、（バイアギャラリーと呼ばれる）セル間の、距離が１ｍｍより短い、１つのセル上の燃料極と隣接する別のセルの接続されていない空気極の間の間隙にかけて約２.２〜２.４ボルトの電圧が存在し得る。迷走／寄生酸素イオン流または電流はこの１ｍｍないしさらに短い間隙をわたって流れることができて、デバイスの電力出力を減じ、またこのイオン流または電流は様々な機構によって材料／構造劣化を引きおこし得る。
【０００７】
本発明において本明細書で見られるように、相互電気接続バイア近傍の「短絡」領域にともなう効率低下もある。いくつかのＳＯＦＣ構造については、イオン伝導性電解質支持体（すなわち３ＹＳＺ）で囲まれた、空気極側から燃料極側に通る導電性素子−すなわち「バイア充填導電体」−の存在が、バイアに局在する小さな短絡、すなわち寄生電流を生じさせる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題はＳＯＦＣ、特に複数のセルが直列接続されているＳＯＦＣに要求される、上記問題及びその他の欠点に対処する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記要求及びその他の要求は本発明の絶縁材料技術によって満たされる。
【００１０】
一態様において、本発明はＳＯＦＣの特定の場所における絶縁材の使用に関する。別の態様において、本発明は特定の絶縁性組成材を利用する。本発明は、絶縁場所または絶縁性組成材の使用により、上述した問題の少なくとも一部または全てに対処する。導電性フレーム上の層、絶縁性フレーム、電解質内または電解質上の層及び絶縁領域のような、コンポーネント及びコンポーネントの部分領域に用いることができる。そのような絶縁性組成材は、ＳＯＦＣシステムにおける、電気化学的シール材劣化、電力損失及び／または迷走／寄生電気反応及びイオン反応を防止するか、最小限に抑えるかまたは低減する。
【００１１】
第１の詳細な態様において、本発明は、空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材、及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有し、絶縁性組成材が、バスバー及び／またはバイアパッドに近接し、及び／または電解質の部分領域に存在し、絶縁性組成材が空気極と電解質の間には実質的に配されていない、固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１２】
第２の詳細な態様において、本発明は、空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材、及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有し、絶縁性組成材が、バスバー及び／またはバイアパッドに近接し、及び／または電解質の部分領域に存在し、絶縁性組成材がジルコン酸ランタンまたはジルコン酸ストロンチウムではない、固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１３】
別の詳細な態様において、本発明は、空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、シール材、及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池であって、絶縁性組成材が：
（ｉ）  パイロクロア（黄緑石）または歪パイロクロア、
（ii）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造、または交互配置ペロブスカイト様構造、
（iii） ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、シーライト（灰重石）、フェルグソン石、またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iv）  スピネル、スピネル誘導体構造、または逆スピネル、
（ｖ）  岩塩構造、
（vi）  チタン鉄鉱、
（vii） 擬ブルッカイト（板チタン石）Ａ２ＢＯ５、
（viii）ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、
（ix）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（ｘ）  ルチル、
（xi）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、
（xii） 立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、または
（xiii）コランダム、
あるいはこれらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有する１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含み、
絶縁性組成材がバスバー及び／またはバイアパッドに近接し、及び／または電解質の部分領域に存在する、
固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１４】
別の詳細な態様において、本発明は、空気極、燃料極、電解質、バスバー、バイアパッド、フレーム、シール材、及び絶縁に足る量の絶縁性組成材を有する固体酸化物燃料電池であって、絶縁性組成材が：
（ｉ）  パイロクロアまたは歪パイロクロア、
（ii）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造、または交互配置ペロブスカイト様構造、
（iii） ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、シーライト、フェルグソン石、またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iv）  チタン鉄鉱、
（ｖ）  擬ブルッカイトＡ２ＢＯ５、
（vi）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、
（vii） ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（viii）ルチル、
（ix）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、または
（ｘ）  立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、
あるいはこれらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有する１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含み、
絶縁性組成材が固体酸化物燃料電池のフレームに近接する、
固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１５】
別の詳細な態様において、本発明は本発明の固体酸化物燃料電池を少なくとも２つ有する燃料電池システムを提供する。
【００１６】
本発明のさらなる態様及び利点は、ある程度は、以下の詳細な説明、図面及び添付されるいずれかの特許請求項に述べられるであろうし、ある程度は、詳細な説明から導かれるであろうし、あるいは本発明の実施により習得され得る。以下に説明される利点は添付される特許請求の範囲で特に指摘される要素または組合せを用いて実現され、達成されるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が例示及び説明に過ぎず、開示されるままの本発明の限定ではないことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は様々なパイロクロア（ジルコン酸希土類）及び８モル％のイットリアを含有するジルコニア（ＹＳＺ）の熱膨張係数を示す。
【図２】図２は、１バールの酸素またな１０−３バールの酸素の雰囲気内で測定された、スズ酸希土類またはジルコン酸希土類（パイロクロア構造）についての電気比抵抗を温度の関数として示す。
【図３】図３は、歪ホタル石構造のＺｒＯ２-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｎｂ（Ｔａ）Ｏ４-Ｙ（ＲＥＴＨ）２Ｏ３についての、６００℃における電気比抵抗を＋３価カチオン対＋５価カチオン比の関数として示す。
【図４】図４はＺｒＯ２-〜２５モル％ＹＴａＯ４-〜０.５モル％Ｔａ２Ｏ５の熱膨張係数を示す。
【図５】図５は１３００〜１６００℃におけるＺｒＯ２-ＹＮｂ（Ｔａ）Ｏ４-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｏ３/２系の富ＺｒＯ２コーナー領域における近似的相図を示す。
【図６】図６は、少量のＮｉＯを含む正方晶ジルコニア電解質上の正方晶結晶構造（歪ホタル石）ジルコニア-タンタル酸イットリウム層を同定する、実施例１のＸ線回折掃引図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは実施例１の、正方晶ジルコニア電解質上の正方晶結晶構造（歪ホタル石）ジルコニア-タンタル酸イットリウム層の研磨断面のＳＥＭ写真を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは実施例１の、正方晶ジルコニア電解質上の正方晶結晶構造（歪ホタル石）ジルコニア-タンタル酸イットリウム層の破断面のＳＥＭ写真を示す。
【図８Ａ】図８Ａは実施例２の、正方晶ジルコニア電解質上のパイロクロア構造Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７層を同定するＸ線回折掃引図を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７パイロクロア層を有し、実施例２で生成されるような反応生成物の薄い緻密層を有する、正方晶ジルコニア電解質の破断面のＳＥＭ写真を示す。
【図９Ａ】図９Ａは本発明の一態様の電解質支持複セル構造の簡略な上面図を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは図９Ａの多セル構造の線Ａ-Ａに沿う側面図を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは本発明の一態様の金属充填バイア電流路の拡大断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは本発明の一態様のバイアホールを示す電解質シートの上面図である。
【図１０】図１０は、図９Ａの切断線Ａ-Ａに沿う、本発明の一態様の複セル構造の略図を示す。
【図１１】図１１は、図９Ａの切断線Ｂ-Ｂに沿う、本発明の一態様の複セル構造の簡略な斜視図を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは本発明の一態様の単一電解質上の複セル構造のためのバスバー、バイアパッド及び電極を示す略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは本発明の一態様の複セル構造をもつ電解質上または電解質内に本発明の絶縁性セラミックを用いることができる領域／範囲または体積を示す略図である。
【図１３】図１３は本発明の一態様の複セルデバイスのバスバー及びバイアギャラリーの下に絶縁性コーティングまたは絶縁性体積／領域をもつ電解質の略図を示す。
【図１４】図１４は本発明の一態様のパケットの簡略な３Ｄ表示である。
【図１５Ａ】図１５Ａは本発明の一態様の、活性領域を囲み、シール材と接触するように延び広がる絶縁性体積／領域をもつ電解質の簡略な上面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは図１５Ａの電解質の簡略な側面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の一態様の、活性領域を囲むがシール材とは接触していない、絶縁性体積／領域をもつ電解質の簡略な上面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは図１６Ａの電解質の簡略な側面図である。
【図１７】図１７は、本発明の一態様のＳＯＦＣシステムにおける、フレームとシール材の間のコーティングとして用いられている本発明の絶縁性セラミックの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす、添付図面は以下に説明されるいくつかの態様を示す。図面を通して、同様の参照数字は同じ要素を表す。
【００１９】
本発明は、以下の詳細な説明及び実施例並びに添付される特許請求の範囲を参照し、また先の説明及び以降の説明を参照することで、さらに容易に理解され得る。しかし、現在の組成、物品、デバイス及び方法の開示及び説明の前に、そのようなものは当然変わり得るから、別に特記されない限り、開示される特定の組成、物品、デバイス及び方法に本発明が限定されないことは当然である。また、本明細書に用いられる術語は特定の態様を説明することだけが目的とされ、限定する目的はないことも当然である。
【００２０】
本発明の以下の説明は現在知られている実施形態において本発明を可能にする教示として提供される。この目的に対し、当業者であれば、本明細書に説明される本発明の様々な態様に多くの変更がなされ得るがそれでも本発明の有益な結果を得られることを認め、理解するであろう。本発明の望ましい恩恵の内のいくつかが本発明の特徴の内のいくつかを選択することにより、他の特徴は用いずに、得られることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明に多くの改変及び翻案が可能であり、いくつかの状況においては望ましくさえあり得るし、本発明の一部であることを認めるであろう。したがって、以下の説明は、本発明の限定ではなく、本発明の原理の説明として提供される。
【００２１】
開示される方法及び組成材のために用いることができ、それらとともに用いることができ、それらの準備に用いられることができ、あるいはそれらの製品である、材料、化合物、組成及びコンポーネントが開示される。上記及びその他の材料が本明細書に開示され、そのような材料の組合せ、部分集合、相互作用、群等が開示される場合、それらの化合物の様々な個別的及び総括的な組合せ及び置換のそれぞれへの特定の言及は明示的になされていないかもしれない場合であっても、それぞれが特定的に本明細書で考えられ、説明されていると理解される。すなわち、置換要素Ａ，Ｂ及びＣからなる族が開示され、置換要素Ｄ，Ｅ及びＦからなる族並びに組合せ実施形態Ａ-Ｄの例もともに開示されていれば、それぞれは個別的及び総括的に考えられる。すなわち、この例においては、組合せＡ-Ｅ，Ａ-Ｆ，Ｂ-Ｄ，Ｂ-Ｅ，Ｂ-Ｆ，Ｃ-Ｄ，Ｃ-Ｅ及びＣ-Ｆのそれぞれも特定的に考えられ、Ａ，Ｂ及びＣとＤ，Ｅ及びＦ並びに組合せ例Ａ-Ｄの開示により開示されていると見なされるべきである。同様に、これらのいかなる部分集合または組合せも特定的に考えられ、開示されている。すなわち、例えば、Ａ-Ｅ，Ｂ-Ｆ及びＣ-Ｅからなる部分群が特定的に考えられ、Ａ，Ｂ及びＣとＤ，Ｅ及びＦ並びに組合せ例Ａ-Ｄの開示により開示されていると見なされるべきである。この概念は、開示される組成の作成及び使用の方法における組成のいかなる成分及び工程も含むがこれらには限定されない、本開示の全ての態様に適用される。すなわち、実施することができる様々な付加工程があれば、そのような付加工程のそれぞれが開示される方法の実施形態のいずれか特定の実施形態または組合せとともに実施することができ、そのような組合せのそれぞれが特定的に考えられ、開示されていると見なされるべきであると、理解される。
【００２２】
本明細書及び添付される特許請求の範囲においては、多くの用語／術語が用いられ、それらは以下の意味を有すると定義される。
【００２３】
本明細書に用いられるように、単数形の冠詞‘a’，‘an’及び‘the’は、そうではないことが文脈で別に明白に規定されていない限り、複数の指示対象を含む。すなわち、例えば、「化合物」への言及は、そうではないことを文脈が明白に示していない限り、そのような化合物を２つ以上有する態様を含む。
【００２４】
「必要（状況）に応じる」または「必要（状況）に応じて」は、引き続いて記述されるイベントまたは状況がおこり得るかまたはおこり得ないことを意味し、そのイベントまたは状況がおこる例及びおこらない例をその記述が含むことを意味する。例えば、語句「必要に応じて置換されるコンポーネント」は、そのコンポーネントが置換され得るかまたは置換され得ないことを意味し、そのコンポーネントが置換されていないかまたは置換されている本発明のいずれの態様もその記述が含むことを意味する。
【００２５】
本明細書において、範囲は[「約」１つの特定値]から、及び／または[「約」別の特定値]までのように表され得る。範囲がそのように表される場合、別の態様はその１つの特定値から及び／またはその別の特定値までを含む。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていればその特定の値が別の態様をなすことは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることが理解されるであろう。
【００２６】
本明細書に用いられるように、ある成分の「重量％」または「重量パーセント」あるいは「重量による百分率」は、そうではないことが特に言明されない限り、その成分が含まれている組成の総重量に対するその成分重量の、百分率として表される、比率を指す。
【００２７】
本明細書に用いられるように、ある成分の「モルパーセント」または「モル％」は、そうではないことが特に言明されない限り、その成分が含まれている組成の総モル数に対するその成分のモル数の、百分率として表される、比率を指す。
【００２８】
Ｒｅはレニウムである。
【００２９】
ＲＥＴＨは、本明細書において、本明細書ではＹ及びＳｃを含む（ランタニドとしても知られる）希土類元素であると定義される。
【００３０】
上で簡略に紹介したように、本発明は、特定の場所にまたは特定の組成の、絶縁材料を有するＳＯＤＣデバイスを提供する。本発明はこれまで未知及び／または不認識であった薄膜アルミナにともなう問題を克服する。本発明の絶縁性組成材は低い電気伝導度及びイオン伝導度を有し、ジルコニア電解質またはフレームにほぼ整合する（または少なくともアルミナより良く整合する）熱膨張係数も有する。本発明の材料は電解質上に焼結させるかまたは電解質と反応させて電気的及びイオン的に絶縁性の層または領域を形成することもできる。
【００３１】
本発明の絶縁性組成材の空気極との接触は考えられていない。しかし、印刷プロセスによる不本意な重なりにより、いくらかの絶縁材が、空気極の上または下で、空気極と接触することはあり得る。本発明は、語句「空気極と電解質の間に実質的に配されていない」により、この空気極との不本意な重なりを含めることにしている。様々なそのような態様において、バスバー及び／またはバイアパッドに近接する絶縁性組成材の、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％、少なくとも９５重量％、少なくとも９８重量％または少なくとも９９重量％は、空気極と電解質の間に配されることはない。
【００３２】
一態様において、本発明の絶縁性組成材はジルコン酸ランタンまたはジルコン酸ストロンチウムではない。別の態様において、絶縁性組成材はジルコン酸希土類またはジルコン酸アルカリ土類ではない。また別の態様において、絶縁性組成材は１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含む。一態様において、絶縁性組成材の融点は少なくとも７００℃である。
【００３３】
一態様において、絶縁性組成材は：
（ｉ）  パイロクロア（黄緑石）または歪パイロクロア、
（ii）  ペロブスカイト、歪ペロブスカイト、ペロブスカイト超構造、または交互配置ペロブスカイト様構造、
（iii） ホタル石、歪ホタル石、類ホタル石、アニオン欠陥ホタル石、シーライト（灰重石）、フェルグソン石、またはホタル石関連ＡＢＯ４化合物、
（iv）  スピネル、スピネル誘導体構造、または逆スピネル、
（ｖ）  岩塩構造、
（vi）  チタン鉄鉱、
（vii） 擬ブルッカイト（板チタン石）Ａ２ＢＯ５、
（viii）ＲｅＯ３様ブロックに基づく化学量論的構造、例えば、ＲｅＯ３，ＴｉＮｂ２Ｏ７またはＴｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９，
（ix）  ＲｅＯ３様ブロックに基づく青銅構造または正方晶青銅構造、
（ｘ）  ルチル、
（xi）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造またはコルンブ石結晶構造、
（xii） 立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造、または
（xiii）コランダム、
あるいはこれらの混合物またはこれらの固溶体、
の結晶構造タイプの、結晶構造族、超晶族、誘導体構造または超構造を有する１つ以上の絶縁性酸化物セラミックを含む。
【００３４】
上記の別の態様において、絶縁性酸化物セラミックは、
（ｉ）
（１）価数がＡ３＋２Ｂ４＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｎｄ，Ｅｕ，Ｇｄ，または
その他の＋３価ランタニド，及び
Ｂ４＋は、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆ，またはＳｎ，
あるいは
（２）価数がＡ２＋２Ｂ５＋２Ｏ７のＡ２Ｂ２Ｏ７，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，Ｚｎ，またはＢａ，
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＶ，
の化学式にしたがうパイロクロア結晶構造または歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  化学式ＡＢＯ３にしたがい：
（１）価数がＡ２＋Ｂ４＋Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，またはＳｎ，
例えば、ＣａＴｉＯ３，
（２）価数がＡ３＋Ｂ３＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，またはその他の＋３価ランタニド，及び
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｇａ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｖ，またはＹ，
例えば、菱面体晶ペロブスカイトＬａＡｌＯ３，
あるいは
（３）価数がＡ２＋（Ｂ３＋０.５Ｂ５＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ３＋は、Ａｌ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，または
その他の＋３価ランタニド，
Ｂ５＋は、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
例えば、Ｃａ（Ｌａ０.５Ｔａ０.５）Ｏ３，
（４）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.３３Ｂ５＋０.６７）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ５＋は、Ｎｂ，Ｔａ，またはＳｂ，
例えば、Ｂａ（Ｃａ０.３３Ｎｂ０.６７）Ｏ３，または
Ｂａ（Ｓｒ０.３３Ｔａ０.６７）Ｏ３，
（５）価数がＡ２＋（Ｂ２＋０.５Ｂ６＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，Ｓｒ，またはＢａ，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃｄ，Ｎｉ，またはＺｎ，
Ｂ６＋は、Ｍｏ，Ｗ，またはＲｅ，
例えば、Ｂａ（Ｓｒ０.５Ｗ０.５）Ｏ３，
（６）価数がＡ３＋０.３３Ｂ５＋Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，
またはＥｒ，
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
例えば、Ｌａ０.３３ＴａＯ３，
あるいは
（７）価数がＡ３＋（Ｂ２＋０.５Ｂ４＋０.５）Ｏ３，ここで
Ａ３＋は、Ｌａ，またはランタニド，
Ｂ２＋は、Ｍｇ，及び
Ｂ４＋は、Ｔｉ，
例えば、Ｌａ（Ｍｇ０.５Ｔｉ０.５）Ｏ３またはＮｄ（Ｍｇ０.５Ｔｉ０.５）Ｏ３；
交互配置Ｂｉ２Ｏ２，
例えば、Ｂｉ３ＮｂＴｉＯ９，Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２，
またはＢａＢｉ４Ｔｉ４Ｏ１５；
あるいは
ペロブスカイト様構造、
のペロブスカイト、歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造；
（iii）
（１）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石または歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃまたは希土類，
Ｃは、Ｖ，ＮｂまたはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが＋２価であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，及び
Ｂが＋３価であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ，
（２）Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｚ＝２＋ｙ−ｘ，
（３）ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
ＡはＭｇまたはＣａ，
ＢはＷまたはＭｏ，
（４）ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，ここで
ＭIIIは、＋３価の金属，
または、化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ，
のフェルグソン石型構造，
（５）アニオン欠陥ホタル石，
あるいは
（６）価数がＡ２＋Ｂ６＋Ｏ４またはＡ３＋Ｂ５＋Ｏ４のホタル石関連ＡＢＯ４化合物，ここで
Ａ２＋は、ＣａまたはＢａ，
Ｂ６＋は、Ｃｒ，
Ａ３＋は、Ｃｒ，及び
Ｂ５＋は、Ｎｂ；
（iv）
（１）ＡＢ２Ｏ４のスピネル構造またはスピネル誘導体構造，ここで
Ａは、Ｍａ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｏ，ＦｅまたはＭｎ，及び
Ｂは、Ａｌ，Ｇａ，ＣｒまたはＦｅ，
（２）Ａ３Ｂ３２Ｏ５１，ここで
Ａは、Ｃａ，ＢａまたはＳｒ，及び
Ｂは、Ａｌ，
（３）Ａ２ＢＯ４の逆スピネル，ここで
Ａは、ＭｇまたはＺｎ，及び
Ｂは、ＴｉまたはＳｎ；
（ｖ）  岩塩構造ＡＯ，ここで
Ａは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，ＢａまたはＮｉ；
（vi）  化学式がＡＢＯ３のチタン鉄鉱，ここで
Ａは、Ｎｉ，Ｃｏ，ＭｎまたはＦｅ，及び
Ｂは、Ｔｉ，
例えば、ＦｅＴｉＯ３，
あるいは、ゲーキーライト，ここで
Ａは、Ｍｇ，及び
Ｂは、Ｔｉ，
例えば、ＭｇＴｉＯ３；
（vii） 化学式がＡ２ＢＯ５の擬ブルッカイト結晶構造，ここで
Ａは、ＡｌまたはＦｅ，及び
Ｂは、Ｔｉ，
例えば、Ａｌ２ＴｉＯ５；
（viii）ＲｅＯ３様ブロックに基づく正方晶青銅構造，
例えば、化学量論的青銅ＲｅＯ３，ＴｉＮｂ２Ｏ７または
Ｔｉ２Ｎｂ１０Ｏ２９，
あるいは、Ｎｂ２Ｏ５-ＷＯ３混晶， 
例えば、ＷＮｂ２Ｏ８またはＮｂ１２ＷＯ６３；
（ix）  価数がＡ２＋Ｂ５＋２Ｏ６の正方晶青銅構造，ここで
Ａ２＋は、ＳｒまたはＢａ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
例えば、ＢａＮｂ２Ｏ６及びＳｒＮｂ２Ｏ６，
あるいは、超構造Ａ２＋５Ｂ５＋１０Ｏ３０，Ａ２＋６Ｂ４＋２Ｂ５＋８Ｏ３０，
例えば、Ｂａ６Ｔｉ２Ｎｂ８Ｏ３０，Ｃａ２Ｓｒ４Ｔｉ２Ｎｂ８Ｏ３０または
Ｂａ６Ｔｉ２Ｔａ８Ｏ３０，
または、Ａ２＋５Ｂ３＋Ｂ４＋３Ｂ５＋７Ｏ３０，ここで
Ａ２＋は、Ｃａ，ＳｒまたはＢａ，
Ｂ３＋は、Ｌａまたはランタニド，
Ｂ４＋は、Ｔｉ，及び
Ｂ５＋は、ＮｂまたはＴａ，
例えば、Ｓｒ５ＬａＴｉ３Ｎｂ７Ｏ３０；
（ｘ）  ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、Ｔｉ，ＳｎまたはＭｎ；
（xi）  ＡＢ２Ｏ６のトリルチル結晶構造，ここで
Ａは、Ｍｇ，ＣｒまたはＶ，及び
Ｂは、Ｔａ，ＷまたはＳｂ，
例えば、ＭｇＴａ２Ｏ６，ＣｒＷ２Ｏ６，ＭｇＳｂ２Ｏ６，
または、例えばＣａＴａ２Ｏ６のような、トリルチルの化学量論性をもつ
その他の連鎖構造；
（xii） 立方晶希土類（ｃ-Ｍ２Ｏ３）構造のＡ２Ｏ３，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類；
あるいは
（xiii）Ａ２Ｏ３，ここで
Ａは、Ａｌ，ＧａまたはＣｒ，
または、ＡＢＯ３，ここで
Ａは、Ｎｉ，
Ｂは、Ｃｒａ，
のコランダム構造；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含む。
【００３５】
上記のまた別の態様において、絶縁性酸化物セラミックは：
（ｉ）  Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７，
Ｅｒ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｙ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｈｆ２Ｏ７，
Ｇｄ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｅｒ２Ｈｆ２Ｏ７，Ｌａ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｙ２Ｓｎ２Ｏ７，
Ｎｄ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｓｎ２Ｏ７またはＥｒ２Ｓｎ２Ｏ７，の
パイロクロア結晶構造または歪パイロクロア結晶構造；
（ii）  ＳｒＺｒＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＳｒＨｆＯ３，ＢａＨｆＯ３，
ＳｒＳｎＯ３，ＢａＳｎＯ３またはＳｒＴｉＯ３，の
ペロブスカイト及び歪ペロブスカイト結晶構造、ペロブスカイト超構造
または交互配置ペロブスカイト様構造；
（iii） Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚのホタル石、歪ホタル石，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、Ｍｇ，Ｃａ，Ｙ，Ｓｃまたは希土類，及び
Ｃは、Ｖ，ＮｂまたはＴａ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，であって、
ｚはＢ及びＣの価数に依存し、
Ｂが＋２価であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−ｘ，及び
Ｂが＋３価であれば、ｚ＝２＋０.５ｙ−０.５ｘ；
Ａ１−ｘ−ｙＢｘＣｙＯｚの類ホタル石化合物，ここで
Ａは、Ｚｒ，ＨｆまたはＣｅ，
Ｂは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｃは、ＷまたはＭｏ，であり
ｘ＜１，ｙ＜１，ｘ＋ｙ＜１，ｙ/ｘ＞０.５，ｚ＝２＋ｙ−ｘ；
ＡＢＯ４のシーライト型構造，ここで
Ａは、ＭｇまたはＣａ，及び
Ｂは、ＷまたはＭｏ；
ＭIIIＮｂＯ４，ＭIIIＴａＯ４またはＭIIIＶＯ４，あるいは
化学式がＡＢＯ４，ここで
Ａは、Ｙまたは希土類，及び
Ｂは、Ｎｂ，ＴａまたはＶ， 
のフェルグソン石構造；
（iv）  ＭｇＡｌ２Ｏ４，ＺｎＡｌ２Ｏ４，ＭｎＡｌ２Ｏ４，ＣｏＡｌ２Ｏ４，の
スピネルまたはスピネル誘導体構造；
（ｖ）  ＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｒＯまたはＮａＯ，の
岩塩構造；
（vi）  ＡＯ２のルチル構造，ここで
Ａは、ＴｉまたはＳｎ；
あるいは、これらの混合物またはこれらの固溶体；
の内の１つ以上を含む。
【００３６】
一般に、フレームに近接する絶縁性化合物は、スピネル、スピネル誘導体構造、逆スピネル、岩塩構造またはコランダムを除く、上に挙げた組成材のいずれかである。
【００３７】
一態様において、絶縁性酸化物セラミックはイットリア安定化ジルコニアまたはジルコン酸ランタンではない。別の態様において、絶縁性セラミックはパイロクロアまたは歪パイロクロアではない。
【００３８】
別の態様において、パイロクロア族には、Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｅｕ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｓｎ２Ｏ７，Ｎｄ２（ＲＥＴＨ）２Ｏ７及びこれらの組成材の固溶体が含まれる。Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７及び、少なくとも、Ｇｄ及びＥｕのようなＲＥＴＨは、注目する範囲の熱膨張を有し（図１参照）、その他のジルコン酸ＲＥＴＨ希土類カチオン及びスズ酸ＲＥＴＨ希土類カチオン並びに（Ｌａ，Ｙ及びＳｃを含む）これらの固溶体も有用な熱膨張係数を有する。図１において、‘○’はＹＳＺを表し、‘□’はジルコン酸ネオジムを表し、‘☆’はジルコン酸ガドリニウムを表し、‘＋’はジルコン酸ランタンを表し、‘▽’はジルコン酸ユーロピウムを表す。図２は、これらの化合物に見ることができる、高い電気伝導度及びイオン伝導度を示す。図２において、‘●’は１０−３バールの酸素に対応し、‘○’は１バールの酸素に対応する。
【００３９】
別の態様において、パイロクロアはＭ２Ｔｉ２Ｏ７であり、ここで、ＭはＳｃ，Ｙ，Ｌａ及び、Ｐｍを除く、全てのランタニドである。
【００４０】
ペロブスカイト及び歪ペロブスカイト結晶構造並びにペロブスカイト超構造という術語は、エイ・エフ・ウエルズ（A. F. Wells）著，「無機化学構造論（Structural Inorganic Chemistry）」，（オクスフォード（Oxford）），第４版，クラードン・プレス（Clardon Press），１９７５年，ｐ.４８６による。本発明に用いるための、ペロブスカイト及び歪ペロブスカイト結晶構造並びにペロブスカイト組成超構造、及びそのような組成材とその他の組成材の合成は、上に挙げたウエルズの「無機化学構造論」及び、フランシス・エス・ガラッソ（Francis S. Galasso）著，「ペロブスカイト型化合物の構造、特性及び作成（Structure, Properties, and Preparation of Perovskite Type Compounds）」，パーガモン・プレス（Pergamon Press），１９６９年に見ることができる。上記２つの参考文献はそれぞれの全体が本参照により、またそのような組成材のそれぞれの教示について、本明細書に参照として含まれる。
【００４１】
いくつかのペロブスカイトは高膨張を有するが、ほとんどは室温近傍における電子回路のコンデンサでの使用のためにそれぞれの誘電特性について調べられている。一態様において、それらは、Ｂａ（Ｓｒ）Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ３またはＢａ（Ｓｒ）{Ｍｇ１/３Ｔａ（Ｎｂ）２/３}Ｏ３である。Ｂａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｚｒ，Ｈｆ及びＴａの酸化物は容易には還元されず、したがって穏和な還元性環境においても、高温で高い電気比抵抗が達成される。
【００４２】
別の態様において、ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２またはＡｌ２ＴｉＯ３に基づくペロブスカイト組成族が含まれる。Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２は、蒸着膜について、１０８〜１０１２Ω-ｃｍより高い室温比抵抗を有することができる。酸化チタン含有組成材については、また酸化ビスマス含有組成材については特に、材料は酸化チタン／酸化ビスマスの還元を避けるため、燃料電池の空気極側で用いられることが好ましくなり得る。チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ３）は極めて非等方性の熱膨張係数を有し、粒径が大きいと激しいマイクロクラックが生じ得る。熱膨張係数が非等方性のペロブスカイト、歪ペロブスカイト及び歪パイロクロアでは、粒径を小さく保つ、蒸着法及び焼結法が好ましい。強い非等方性熱膨張係数をもつ材料では、粒径は５μｍ未満であることが好ましく、１μｍ未満であることがさらに好ましい。
【００４３】
一態様において、ホタル石結晶構造及び歪ホタル石結晶構造（正方晶構造）が特に注目される。ホタル石／歪ホタル石結晶構造をもつジルコニアベース及びハフニアベースの材料は、酸素空孔濃度を非常に低くして作成することができる。低空孔濃度により、電気伝導は高くせずに、酸素イオン伝導が非常に大きく低められる。これを達成するための方法の１つは、ジルコニア（またはハフニア）及びＹ（ＲＥＴＨ）ＴａＯ４及び／またはＹ（ＲＥＴＨ）ＮｂＯ４を用いて、正方晶相及び正方晶プライム相（若干歪んだホタル石結晶構造）をもつセラミック固溶体及び合金を形成することである。これらの相は非常に低い酸素イオン伝導度及び低い電気伝導度を有し、同時に、ジルコニア（ハフニア）ベース材料の比較的高い熱膨張係数を維持する。
【００４４】
図３は総伝導度を[Ｍ５＋カチオン＋２×Ｍ６＋カチオン]/[Ｍ３＋カチオン＋２×Ｍ２＋カチオン]のモル比の関数として示す。またこれらの材料の熱膨張係数は、データが８００℃〜１０００℃に外挿されている、図４に示されるように９×１０−６/℃〜１５×１０−６/℃の範囲内にある。これらのホタル石系では、ＣａＷＯ４，ＭｇＭｏＯ４との合金化、並びにその他の、Ｃａ，Ｍｇ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｓｃ，Ｙ及びＲｅのような＋２価，＋６価及び＋３価，＋５価のカチオン、及びＴｉＯ２，ＳｎＯ２及びＣｅＯ２のような＋４価のカチオンの組合せ及び置換が有用であり得る。目標は、酸素空孔を最小限に抑え、なおも単斜晶相への転移を、正方晶層から単斜相への転移は通常、層またはコーティングの絶縁能力を弱めるであろうクラックの発生を含むから、回避することである。この相転移は体積膨張により実効熱膨張係数も低める。コーティングまたは層が極めて還元性の雰囲気（すなわち生燃料）にさらされる状況においては、上に挙げられたような価数可変のいずれのカチオンにかかる還元効果も測定して、合金／化合物が還元によりイオン伝導体または電子伝導体にはなっていないことを保証するべきである。
【００４５】
図５はＺｒＯ２（ＨｆＯ２）-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｎｂ（Ｔａ）Ｏ４-Ｙ２Ｏ３（ＲＥＴＨ２Ｏ３）系（ここでＲＥＴＨは、Ｙ及びＳｃを含む、カチオン形態の希土類元素である）の、Ｘ線回折、（小数の組成材については）電子線回折、目視、光学顕微鏡、ＳＥＭ及びＴＥＭによる観察をともなう、室温靱性測定に基づく１４００〜１５００℃における近似的相図を示す。電気絶縁及びイオン絶縁の目的のためのこの系での好ましい組成は、０.５より大きく、好ましくは０.８より大きく、さらに好ましくは０.９より大きく、最も好ましくは１.０ないしさらに大きい、[＋５価カチオン]対[＋３価カチオン]の原子比を有する、ＺｒＯ２-ＹＴａ（Ｎｂ）Ｏ４結合軸に沿うかまたはその近くの組成である。この組成範囲では、いずれも歪ホタル石構造の、正方晶プライム相及び正方晶相が主要な結晶構造である。合金が＋６価及び＋２価のカチオンを同様に含有している場合、この比は[２×（＋６価カチオン原子％）＋（＋５価カチオン原子％）]/[２×（＋２価カチオン原子％）＋（＋３価カチオン原子％）]である。マイクロクラッキングを生じさせずに最大の靱性を達成することが望ましい。図５において、‘●’はマイクロクラック発生系に対応し、‘○’は無マイクロクラック系に対応する。文字‘Ａ’〜‘Ｌ’はそれぞれ２〜１７の破壊靱性に対応し、破壊靱性（Ｋ１Ｃ）の数値は与えられた組成に対して最も近い整数に丸められ、単位はＭＰａ・ｍ１/２である。図５の様々な陰影領域は１３００〜１６００℃における焼結後の室温における系（ＺｒＯ２-ＹＮｂＯ４-ＹＯ３/２）の相を示す。記号Ｉは材料が焼結後は正方晶であり、室温までの冷却において単斜晶に転換することを示し、記号IIは材料が室温において正方晶であることを示し、記号IIIは材料が室温において正方晶と立方晶の混晶であることを示し、記号IVは材料が室温において基本的に立方晶であることを示す。
【００４６】
本発明は、様々な態様において熱膨張係数が８×１０−６〜１６×１０−６/℃，９.０×１０−６〜１５×１０−６/℃または９.５×１０−６〜１４.５×１０−６/℃の、絶縁性ホタル石（歪ホタル石）結晶構造含有化合物を含む。別の態様において、比抵抗が１００Ω-ｃｍより高い絶縁性ホタル石（歪ホタル石）含有組成材が、比抵抗が１０００Ω-ｃｍより高く、さらには比抵抗が１００００Ω-ｃｍよりも高い絶縁性ホタル石（歪ホタル石）含有組成材とともに用いられる。別の態様において、ホタル石の主相は正方晶または正方晶プライム（転移不能正方晶）である。
【００４７】
別の特定の実施形態において、本発明の組成材の例は、Ｎｄ（ＲＥＴＨ）２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ（ＲＥＴＨ）２Ｓｎ２Ｏ７，Ｂａ（Ｓｒ）Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ３，Ｂａ（Ｓｒ）{Ｍｇ１/３Ｔａ（Ｎｂ）２/３}Ｏ３，ＢａＴｉＯ３，Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２，チタン酸アルミニウム及びＺｒ（Ｈｆ）Ｏ２-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｔａ（Ｎｂ）Ｏ４組成族である。
【００４８】
別の態様において、絶縁性酸化物セラミックには、ＲＥＴＨＺｒ２Ｏ７，ＲＥＴＨＳｎ２Ｏ７，Ｂａ（Ｓｒ）Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ３，Ｂａ（Ｓｒ）{Ｍｇ１/３Ｔａ（Ｎｂ）２/３}Ｏ３，Ｂａ（Ｓｒ）ＴｉＯ３，Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２，Ａｌ２ＴｉＯ３，またはＲＥＴＨ（ＭｇまたはＣａ）Ｔａ（Ｎｂ）Ｏ４を含むＺｒＯ２-ＨｆＯ２が含まれる。別の態様において、絶縁性酸化物セラミックには、Ｎｄ（ＲＥＴＨ）２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ（ＲＥＴＨ）２Ｓｎ２Ｏ７，Ｂａ（Ｓｒ）Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ３，Ｂａ（Ｓｒ）{Ｍｇ１/３Ｔａ（Ｎｂ）２/３}Ｏ３，ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２，Ａｌ２ＴｉＯ３，Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ２-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｔａ（Ｎｂ）Ｏ４，Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｇｄ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｅｕ２Ｚｒ２Ｏ７，Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７，またはＹ２Ｓｎ２Ｏ７が含まれる。ここで、ＲＥＴＨはＹ及びＳｃを含む希土類カチオンである。
【００４９】
別の態様において、絶縁性組成材にはＮｄ（ＲＥＴＨ）２Ｚｒ２Ｏ７及びＺｒ（Ｈｆ）Ｏ２-Ｙ（ＲＥＴＨ）Ｔａ（Ｎｂ）Ｏ４組成族を含めることができる。ここで、ＲＥＴＨはＹ及びＳｃを含む希土類カチオンを表す。
【００５０】
別の態様において、絶縁性組成材には、ＲＥＴＨＺｒ２Ｏ７，ＲＥＴＨＳｎ２Ｏ７，またはこれらの混合物を含めることができる。別の態様において、絶縁性組成材にはＲＥＴＨ（ＭｇまたはＣａ）Ｔａ（Ｎｂ）Ｏ４を含むＺｒＯ２-ＨｆＯ２を含めることができる。別の態様において、絶縁性組成材にはＢａ（Ｓｒ）Ｚｒ（Ｈｆ）Ｏ３またはＢａ（Ｓｒ）{Ｍｇ１/３Ｔａ（Ｎｂ）２/３}Ｏ３を含めることができる。
【００５１】
別の態様において、規則的アニオン欠陥ホタル石はＺｒ５Ｓｃ２Ｏ１３とすることができる。
【００５２】
本発明の絶縁性組成材は、アルミナ及びアルミン酸マグネシウムスピネルのような、周知の高温絶縁体と、本発明の絶縁性組成材の体積分率を、例えば約２５体積％〜約９５体積％、または約４５体積％〜約９５体積％として、組み合わせて、熱膨張係数（ＣＴＥ）を高めてフレームのＣＴＥとさらによく整合させ、しかも複合材料の絶縁特性は維持することができる。
【００５３】
アルミナのような第２の相は、結晶粒成長抑制剤または靱性増強剤として、主要相がホタル石結晶構造であるセラミックに用いられることが多い。主要相がパイロクロア及びペロブスカイトであるいくつかの組成材に対し、アルミナ及びその他の酸化物を結晶粒成長抑制剤または靱性増強剤として用いることができる。一実施形態において、５体積％までの第２の相の酸化物絶縁性相が用いられる。
【００５４】
一実施形態において、本発明の絶縁性組成材は室温〜１０００℃の温度範囲で８.０〜１６.０×１０−６/℃、別の態様では９×１０−６〜１５.０×１０−６/℃、また別の態様では９.５×１０−６〜１４.５×１０−６/℃、の熱膨張係数を有することができる。絶縁性組成材は電子伝導及びイオン伝導のいずれをも制限することができる。本発明の絶縁材系は、少なくとも空気中で、別の実施形態では空気中及び還元性環境のいずれにおいても、約５００〜１０００℃の温度において、低電子伝導及び低イオン伝導を有することができる。
【００５５】
様々な態様において、本発明の絶縁性組成材は、少なくとも１０Ω-ｃｍ、少なくとも１００Ω-ｃｍ、少なくとも１０００Ω-ｃｍ、または少なくとも１００００Ω-ｃｍの比抵抗を有する。様々な態様において、絶縁性組成材は、少なくとも１０Ω-ｃｍ２、少なくとも１００Ω-ｃｍ２、少なくとも１０００Ω-ｃｍ２、または少なくとも１００００Ω-ｃｍ２の面積比抵抗を有する。そのような比抵抗は、酸素活性が高い環境及びやや還元性の環境のいずれにおいても見ることができる。
【００５６】
本発明の組成材は市販されており、あるいは容易に合成される。合成全般については、例えば、エイ・エフ・ウエルズ著，「無機化学構造論」，（オクスフォード），第４版，クラードン・プレス，１９７５年及びフランシス・エス・ガラッソ著，「ペロブスカイト型化合物の構造、特性及び作成」，パーガモン・プレス，１９６９年、を参照されたい。
【００５７】
絶縁性酸化物の使用及び材料がいかに用いられるかの形状寸法によって解決されるべき問題に依存して、層または領域の線抵抗または面積抵抗が設計において考慮されるべき要件になり得る。例えば、導電性フレーム上の薄層はシール材劣化を防止するために１００００Ω-ｃｍ２より高い面積比抵抗を有する必要があり得るが、電力損失を防止するために用いられる、コーティングとしてまたは電解質内絶縁領域としての絶縁体には約１０Ω-ｃｍの比抵抗または１０Ω-ｃｍ２の面積比抵抗しか必要とされないであろう。電解質シート上のセルを電気的及びイオン的に分離する電解質シート領域は、電力損失防止用には低抵抗を有し得るが、電流を防止し、いくつかの市販ＳＯＦＣシステムの推定動作時間長である、数千時間からおそらくは数万時間の、長時間にかけてのシール材劣化を防止するためには高抵抗が必要になり得る。
【００５８】
[絶縁材料の寸法]×[材料の比抵抗]から長さまたは面積あたりの抵抗が得られる。シール材劣化の防止のためには、いくつかの態様において、１００００Ω-ｃｍ２の抵抗が望ましいであろう。下表Ｉは、比抵抗と厚さをどのように組み合わせれば１０Ω-ｃｍ２より大きい面積抵抗（＊）及び１００００Ω-ｃｍ２より大きい面積抵抗（＊＊）が得られるかを示す。表の‘＊’は本発明のいくつかの態様への使用に依存する許容範囲を示す。許容範囲はそれぞれの使用に対して異なり、金属へのコーティングで最も厳格になる。電力損失の低減には、１００μｍのオーダーの比較的薄いコーティング及び動作温度における比抵抗が１０００Ω-ｃｍの材料を用いることができる（‘＊’が付された組合せを見よ）。さらに厳格なシール材劣化低減目標には、さらに厚いコーティング及び／またはさらに抵抗の高い材料を用いる必要がある（‘＊＊’が付された組合せを見よ）。これらの態様に対する例については図１７を参照されたい。
【００５９】
電力損失またはシール材に対する材料劣化を防止するために、電解質の厚さにかけて絶縁性酸化物を用いる場合には、電解質の若干の厚さにより、広範な材料比抵抗を用いることができる。この例については図１５Ａ及びＢ並びに図１６Ａ及びＢを参照されたい。下表IIはセル／バイアパッドとセルの間で適切な長さスケールにおいて予期される線抵抗を示す。下表IIIはセルとシール材の間の電解質領域のストリート幅に対して適切な、より大きな長さスケールにおいて予期される線抵抗を示す。表II及び表IIIにおける計算の目的のため、電解質（及び絶縁性領域）の厚さは２０μｍとした。表II及びIIIについて、‘＊’は１０Ω-ｃｍないしさらに高い比抵抗を表し、‘＊＊’は１００００Ω-ｃｍないしさらに高い比抵抗を表す。
【００６０】
複セルデバイスにおける電極間の電力損失を防止するには、約１０Ω-ｃｍほどの抵抗で十分であり得る。この態様については、例えば、図１３を参照されたい。表IIIはこの抵抗を達成するための、比抵抗、厚さ及び離隔距離の組合せを示す。電力損失またはシール材劣化を防止するために本発明の材料が厚さにかけて用いられる場合には、比抵抗が低い材料を用いることができる。厚さが１〜２５μｍでしかない電解質上のコーティングに対して、特に下表IVに示されるような１００００Ω-ｃｍ２規準に対しては、高比抵抗材料が望ましい。下表IVは、比抵抗と厚さをどのように組み合わせれば１０Ω-ｃｍ２以上の面積比抵抗（＊）、さらには１００００Ω-ｃｍ２以上の面積抵抗（＊＊）が得られるかを示す。バイア領域短絡にともなう電力損失／効率低下の低減には、約１０Ω-ｃｍ２以上の抵抗層で問題が本質的に排除されるであろう。そのような層はそれぞれのバイアパッドの下に容易に組み込むことができる。そのような印刷パターンの一例が図１２Ｂに示される。
【００６１】
バイアパッドまたはバスバーの下あるいはバイアギャラリー内に対し、厚さは、一態様においては０.１μｍ〜１００μｍ、別の態様においては１〜１０μｍである。フレームコーティングに対し、厚さは、一態様においては1〜１０００μｍ、別の態様においては１０〜１００μｍである。電解質の厚さにかけての絶縁性酸化物による電力損失防止に対し、拡散領域の幅（経路長）は、一態様においては０.０５〜５ｃｍ、別の態様においては０.２〜１ｃｍである。
【表１】
2010532548.tif 000003
【表２】
2010532548.tif 000004
【表３】
2010532548.tif 000005
【表４】
2010532548.tif 000006
【００６２】
一態様において、本発明の絶縁性組成材はバスバー及び／またはバイアパッドに近接している。別の態様において、絶縁組性成材はバスバー及び／またはバイアパッドに接している。別の態様において、絶縁性組成材は電解質に接している。別の態様において、絶縁性組成材はバスバー及び電解質に接している。別の態様において、絶縁性組成材はバイアパッド及び電解質に接している。別の態様において、絶縁性組成材は２つ以上のバイアパッド及び電解質と接している。別の態様において、絶縁性組成材は２つ以上のバイアパッド及び電解質と接している連続層である。
【００６３】
別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在する。すなわち、絶縁性組成材は電解質シートの部分領域を形成する。この態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域において厚さの一部にかけて存在することができ、あるいは絶縁性組成材は電解質の部分領域において全厚にかけて存在することができる。別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在し、少なくとも１つの個領域に存在する。別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在し、シール材に近接している。別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在し、シール材に接している。別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在し、シール材には接していない。別の態様において、絶縁性組成材は電解質の部分領域に存在し、電極とシール材の間にある。
【００６４】
別の態様において、絶縁性組成材は、バイアパッドの下に、バイアギャラリーにおいて電解質の上に、バイアにおいて電解質の厚さにかけて、バスバーの下に、またはバスバーの下で電解質の厚さにかけて、存在する。この態様において、一実施形態では、絶縁性組成材が多セル構造の電解質上で上記の構造をこえて５ｍｍまで延び出すことができる。
【００６５】
別の態様において、絶縁性組成材はフレームと隣り合い、フレームに接している。この態様において、絶縁性組成材はフレームとシール材の間に配することができ、シール材は絶縁性組成材と電解質の間に配される。
【００６６】
また別の態様において、絶縁性組成材は空気極及び／または燃料極とは接していない。
【００６７】
本発明の絶縁性組成材、絶縁性組成材層及び絶縁性組成材コーティングは技術上いかなる燃料電池デバイスにも使用することができる。燃料電池の構造は当業者に周知である。本発明の絶縁材を容易に適用できる燃料電池デバイスの代表例は、バディング（Badding）等の米国特許第６６２３８８１号、バディング等の米国特許第６６３０２６７号及びバディング等の米国特許第６８５２４３６号の明細書に見ることができ、これらの特許明細書は全てそれぞれの全体、特に燃料電池デバイスの構成の教示について、が本明細書に参照として含まれる。
【００６８】
本明細書におけるＳＯＦＣの一般的構成では、電解質が燃料極と空気極の間に配され、１つの単燃料電池セルの燃料極が別の単燃料電池セルの空気極に、燃料極のバイアパッド及び空気極のバイアパッドによって、電気的に接続され、バイアパッドが電解質を貫通するバイア充填材によって電気的に相互接続され、バスバーが電解質のそれぞれの端で電極に電気的に接続され、シール材が電解質と、シール材に接する、フレームの間に配される。一般に、シール材は電解質（または電解質の絶縁材領域）に接している。一態様においてシール材はフレームに接し、別の態様においてシール材はフレームに接していない。フレームに接していない場合、シール材は代わりに、例えば、図１７におけるように、フレーム上の絶縁材層と接することができる。一態様において、電解質は無支持の、自立シートである。電解質厚は一般に、４μｍ〜３０μｍのように、≦３０μｍである。設計動作温度において１Ω-ｃｍ２未満の値、さらには０.６Ω-ｃｍ２未満の値に燃料電池セルの総内部抵抗を維持することが重要であり、そのような値を達成するためには、電解質シートの電気抵抗を０.５Ω-ｃｍ２未満、好ましくは０.３Ω-ｃｍ２未満にすべきである。通常の酸素イオン伝導性電解質に対し、このことは、セル動作温度に依存してシートまたはプレートの厚さが一般に１ｍｍ未満になるであろうことを意味し、電解質が電極／電解質構造にいくらかの構造剛性を与えるべきである場合は、１００〜５００μｍの範囲のシート厚が好ましい。
【００６９】
電解質、燃料極及び空気極の材料は、技術上一般に用いられる材料とすることができる。様々な非限定的例において、そのような材料がバディング等の米国特許第６６２３８８１号、バディング等の米国特許第６６３０２６７号及びバディング等の米国特許第６８５２４３６号の明細書に開示されており、これらの特許明細書はそれぞれの教示の全て、特に電解質及び電極の材料の教示について、が本明細書に参照として含まれる。例えば、一実施形態において、電極は３ＹＳＺであり、空気極触媒はＬＳＭ/ＹＳＺであり、空気極電流コレクタはＡｇ-Ｐｄ/セラミックであり、燃料極触媒はＮｉ/ＹＳＺであって、燃料極電流コレクタはＡｇ-Ｐｄ/セラミックである。本発明は上記に限定されず、ドープトセリアベース及びドープトガリア（酸化ガリウム）ベースの電解質、ガドリニウムドープセリア及びガリウム酸ランタンのような、化合物、及び当業者に既知のこれらの電解質に対して有用であることが見いだされている電極組成材料に本発明を適用することができる。
【００７０】
本発明の一実施形態である、図９Ａを参照すれば、燃料電池シートすなわちデバイス１０が示されている。シートすなわちデバイスは１０個の単燃料電池セルを収める。燃料電池デバイス１０は電解質２０及び電極セル３０を有する。電極セル３０は電解質シート２０のそれぞれの面上に収められる。バスバーが参照数字４０で示され。金属充填バイア電流路が参照数字５０で示される。金属充填バイア電流路の拡大図が図９Ｃに示される。バイアを含むバイア孔を示す電解質シートが図９Ｄに示される。
【００７１】
図９Ｂは本発明の代表的な燃料電池デバイスの全体図である。電解質２０が空気極または空気極触媒層６０と燃料極または燃料極触媒層８０の間に配されて、空気極６０は空気極電流コレクタ７０に接し、燃料極８０は燃料極電流コレクタ９０に接する。一般に空気からの酸素は空気極電流コレクタ７０に入り、燃料内の水素と反応して水を形成した後に、燃料極電流コレクタ９０から出る。
【００７２】
図１０は図９Ａの切断線Ａ-Ａの側面図である。空気極触媒層６０，空気極電流コレクタ７０，燃料極触媒層８０及び燃料極電流コレクタ９０と電気的に通じている電解質２０が示される。さらに、空気極電流コレクタ７０と電気的に通じているバスバー１００が燃料電池の一端に示される。１つのセルの燃料極電流コレクタ９０から次のセルの空気極電流コレクタ７０に電流が流れることができるように、金属充填バイア１１０がバイアパッド５０及び５１のそれぞれを接続する。本発明の一実施形態の絶縁材層が参照数字１２０，１２１で示され、絶縁材層１２０及び／または１２１はバイアパッド５０及び／または５１と電解質２０の間に配される。別の実施形態においては、絶縁材層１３０がバスバーと電解質２０の間に配される。
【００７３】
図１１は図９Ａの切断線Ｂ-Ｂに沿ってとられた断面の斜視図である。空気極６０，空気極電流コレクタ７０，燃料極８０，燃料極電流コレクタ９０及び電解質２０は全て図１０と同様の表し方で示される。金属充填バイア１１０が電解質２０を貫通して１つのバイアパッド５０から別のバイアパッド５１に接続される。一実施形態における絶縁材層１２０及び１２１が、バイアパッド５０と電解質２０の間及びバイアパッド５１と電解質２０の間に示される。
【００７４】
図１２Ａ及び１２Ｂは本発明の一態様について絶縁性組成材に対する場所を近似的に示す。詳しくは、図１２Ａにおいて、燃料電池は、電解質シート２０，バイアパッド５０，５１，バスバー１００，１０１，及び電極１４０を有する、一単位システム１０として示される。図１２Ｂは、それぞれ若干延び広がっている、バイアパッド１２２及びバスバー１２３の下の絶縁材層のための領域に対する場所を近似的に示す。同様であるが相互に反転されたパターンを電解質２０のそれぞれの面上に配することができる。
【００７５】
図１３は、絶縁材領域または絶縁材層が電解質２０上でバスバー１２５の下の一様層としてバイアギャラリー１２４に示されている、本発明の別の実施形態を示す。同様のパターンを電解質２０の反対面に反転して配することができる。
【００７６】
図１４は、本発明の一実施形態のパケット２００を形成するため、フレームアセンブリ２３０を２つの燃料電池デバイス２１０，２２０とともに有する、本発明の別の態様を示す。フレームは技術上用いられるような様々な材料、例えばステンレス鋼のような金属組成材でつくることができる。燃料電池デバイス２１０，２２０は、例えばガラスまたはガラスセラミックのシール材のような、技術上一般に用いられるようないずれかのシール材でフレーム２３０に固定される。
【００７７】
図１５は本発明の別の実施形態を示す。この実施形態においては、電解質２０の部分領域が絶縁材料でつくられる。図１５Ｂに、フレーム３００，シール材３１０及び電解質２０が示される。電解質２０の絶縁材料で形成された部分領域は参照数字３２０で示される。電解質２０内の絶縁材料は、図１５Ｂに示されるように電解質の全厚にわたることができ、あるいは電解質２０の厚さの一部だけにかかることができる（図示せず）。図１５Ａは、電解質２０及び、フレーム３００を電解質２０に隣接させるレーストラック型形状をなす、シール材領域３１０を示す、図１５Ｂの構成の上面図である。電解質内の絶縁材領域３２０が示される。図１５Ｂにおいて、電極（図示せず）は絶縁材領域３２０の右方にあり、したがって絶縁領域３２０は電極とシール材３１０の間に配される。
【００７８】
図１６は本発明の別の実施形態であり、絶縁材領域３２１がシール材領域３１０から離されてシール材３１０に接していないことを除いては図１５Ｂと同様の構成を示す。図１６Ｂにおいて、電極（図示せず）は絶縁材領域３２１の右方にあり、したがって絶縁材領域３２１は電極とシール材３１０の間に配される。
【００７９】
図１７は本発明のまた別の実施形態を示す。ここではフレーム４００がシール材３１０で電解質２０に結合される。絶縁性コーティング４１０がシール材３１０とフレーム４００の間に配される。絶縁性コーティングはシール材３１０の幅にかけて（図示せず）、あるいは、図１７に示されるように、さらにシール材３１０の外側に、フレーム４００を囲むまで、延び広がることができる。
【００８０】
単燃料電池セルはシートまたはデバイスの一部となることができ、シートまたはデバイスは続いて別のシートまたはデバイスと組み合わされてパケットを形成することができ、パケットは続いて別のパケットと組み合わされてスタックを形成することができる。そのようなスタックはより大きな燃料電池システムの一部となることができる。一態様において、電解質上には少なくとも２つの単セルがある。
【００８１】
絶縁性組成材は一般にスクリーン印刷によってバスバー及びバイアパッドの下にまたは隣に施すことができるが、その他の方法も適用可能である。インクジェット、フォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、ゾル−ゲル、ＰＶＤ、等のような、他のコーティング形成方法によって、さらに厚い層が可能であり、さらに薄い層が可能である。本発明の絶縁材料は、プラズマスプレー、電子ビーム蒸着、電気泳動、ゾル−ゲルコーティング、スラリーコーティング、等を含む様々な手段によって施される、導電性フレーム上のコーティングとしてＳＯＦＣシステムに用いることができる。絶縁性組成材が電解質の部分領域として存在し、必要に応じて、絶縁性組成材が電解質の部分領域において厚さの一部または全厚にわたって存在する固体酸化物燃料電池については、予備焼成電解質にコーティングを施すことができ、絶縁領域内の絶縁材料は、コーティング成分の電解質内への拡散によるかまたはコーティング成分と電解質の間の相互拡散によって形成することができる。あるいは、未焼成電解質に絶縁材料を施し、拡散させて、絶縁領域を形成することができる。
【００８２】
一態様において、ジルコニア電解質上に、例えばジルコン酸希土類のような、有用なパターン付絶縁層を作成するため、希土類の酸化物または酸化物前駆体のパターンを電解質の表面上に形成し、酸化物を高温で反応させて、絶縁性パイロクロア相を形成する。
【００８３】
本発明の組成材はＳＯＦＣシステムにおいて、電力損失及びシール材の電気化学的劣化を防止するための導電性フレーム上のコーティングとして用いることができ、あるいは単電解質シート上に単セルデバイスまたは複セルデバイスを有するシステムにおけるセル間の電力損失を防止するために電解質上にまたは電解質の厚さにかけて用いることができ、また材料を劣化させ得る迷走電気化学反応を防止するためにも用いることができる。これらの組成材は（電極を含む）活性領域からフレームへの電力損失も、材料、特にシール材を劣化させる電気化学反応も防止するため、電解質上にまたは電解質の厚さにかけて用いることができる。
【００８４】
本発明の絶縁材料はＳＯＦＣシステムにおいて導電性フレーム上のコーティングとして用いることができる。そのようなコーティングは、一枚の電解質シート上に複数のセルがある燃料電池構造の場合、そのような構造によりシール材においてかなりの電圧が発生し得るから、特に有用である。目的が電気絶縁コーティングであっても、コーティングが金属フレーム表面の全てまたは大半を覆っていれば、金属がＣｒを含有している場合、コーティングは、燃料電池の空気極へのＣｒマイグレーション及び燃料電池電極性能の低下を防止するためにはたらくこともできる。コーティングの熱膨張係数がフレームとほぼ整合していれば、コーティングを、例えば、２５０μｍ、５００μｍ、さらには１ｍｍまでのように、極めて厚くすることができる。
【００８５】
本発明の組成材族は電解質シート上に絶縁層として用いることもできる。これらの絶縁性組成材層を用いることができる電解質シートの領域は、図１２Ａ，１２Ｂ及び１３に示されるように、イオン伝導性電解質シートとシール材料の間のシート周縁並びにバスバーの下及びバイアパッドの下、あるいは複セルデバイス構造のバイアギャラリー内である。
【００８６】
本発明の絶縁性組成材は、改善された機械的強度、低減された機械的欠陥及び／またはパケットのフレームへの改善されたＣＴＥ整合を有する。本発明の組成材はアルミナより優れたフレーム材料への熱膨張整合を有し得るから、本発明は導電性フレーム上のコーティング材として様々な厚さで用いることができる。本発明の絶縁構造は、従来技術の[アルミン酸マグネシウムスピネル＋マグネシア]コーティングにおけるマグネシアほど容易にはガラスシール材及びガラスセラミックシール材と反応しないであろう。
【００８７】
本発明の絶縁性酸化物材料は電解質上のコーティングとして用いることができる。熱膨張係数及び焼結特性が十分良く整合すれば、本発明の材料は電解質の部分領域として、電解質のいくつかの部分領域では全厚にかけてさえ、用いることもできる。本発明の組成材は、[アルミン酸マグネシウムスピネル＋マグネシア]のような他の絶縁コーティングとガラスシール材の間の、シール材との反応を防止するための反応障壁層として用いることもできる。[アルミン酸マグネシウムスピネル＋マグネシア]は非常に安価な材料であるから、[アルミン酸マグネシウムスピネル＋マグネシア]上の本発明の絶縁性非反応性酸化物の反応障壁層は魅力的な複合絶縁コーティング／材料になり得る。
【００８８】
本発明の組成材は従来の絶縁性組成材に優るＣＴＥの利点も有する。これはある程度、アルミナの熱膨張係数（約８８×１０−７/℃）はフレーム及び電解質の熱膨張係数（約１０５〜１２５×１０−７/℃）と極めて異なり、熱サイクリング時にプラズマスプレーアルミナ（ＰＳＡ）層内に応力を誘起するが、本発明の組成材はフレーム及び電解質のＣＴＥに十分整合されていることによる。
【００８９】
本発明のいくつかの態様を詳細な説明において説明したが、本発明は開示された態様に限定されず、添付される特許請求の範囲に述べられ、定められるような本発明の精神を逸脱しない数多くの再構成、改変及び置換が可能であることは当然である。
【実施例】
【００９０】
本発明の原理をさらに深く説明するため、以下の実施例は、本明細書で特許請求される組成、物品、デバイス及び方法がどのようにつくられ、評価されるかの完全な開示及び説明を当業者に提供するように以下の実施例が提示される。実施例は純粋に本発明を例示することが目的とされ、発明者等が発明者等の発明であると考える範囲を限定することは目的とされていない。数値（例えば、量、温度等）に関して正確さを保証するように努力はしたが、いくらかの誤差及び偏差は考慮されるべきである。別途に示されない限り、温度は℃または室温であり、圧力は大気圧またはその近傍である。製品の品質及び性能を最適化するために用いられ得る、プロセス条件の数多くのバリエーション及び組合せがある。そのようなプロセス条件の最適化には、妥当で日常的な実験しか必要ではないであろう。
【００９１】
実施例１
約１６モル％のＹＴａＯ４と約０.５モル％のＴａ２Ｏ５を含む組成のＺｒＯ２を作成し、ジルコニア-３モル％イットリア電解質に施した。タンタル酸イットリウムドープジルコニア組成材は、主要相として歪ホタル石構造，Ｔ’（正方晶プライム））を有する。ジルコニア-８モル％イットリア粉末（Tosho TZ-8Y）を適切な量のＴａ２Ｏ５とともに、液媒としてエタノールを用い、錬磨媒（Tosho TZ3Y）を用いて、数日間振動錬磨した。粉末を乾燥させ、空気中において数時間約１２００℃でか焼した。粉末を再び２４時間振動錬磨した。乾燥後、＜５重量％レベルのＮｉＯを焼結補助剤として加え、粉末を、３ロールミルを用いてインクにした。この組成材をジルコニア-３モル％イットリア電解質上にスクリーン印刷し、試料を乾燥させ、次いで空気中数時間約１４００℃で焼成した。試料内の相を下にある正方晶ジルコニア電解質を含めてＸ線回折により同定し、タンタル酸ジルコニアイットリウム相を極めて少量のＮｉＯとともに見いだした（図６）。図６において、破線は８９-９０６８−（Ｙドープ）ジルコニア（合成（Ｚｒ０.９４Ｙ０.０６）Ｏ１.８８）に対応し、点線は４３-０３０８−酸化タンタルイットリウムジルコニウム（Ｚｒ０.６６Ｙ０.１７Ｔａ０.１７Ｏ２）に対応し、実線は８９-７３９０−ブンゼナイト（合成ＮｉＯ）に対応する。１７-０４５８及び４３-０３０８という番号は結晶相識別子であって、例えばＰＤＦ４回折データベースから利用できる、回折ファイル番号である。ＰＤＦ４データベースは国際回折データセンター（International Center for Diffraction Data （ＩＣＤＤ））によって提供されている。ｄ-間隔値はオングストローム（Å）で与えられる。破断面及び研磨面のＳＥＭ観察は電解質表面上の、約１〜３μｍ厚の若干多孔性の明瞭な層を示した（図７Ａ及び７Ｂ）。Ｘ線回折またはＳＥＭにおいてマイクロクラック発生または単斜晶ジルコニアの徴候は全く見られなかった。プロセス修正により、コーティングのかなりの大きさのいずれの領域においても層を貫通して延びる細孔を最小限に抑えるか、細孔を閉じさせるかまたは緻密にすることができる。電子ビーム蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、ゾル-ゲル、ＰＶＤ、等のようなその他のコーティング方法により、さらに厚い層が可能であり、さらに薄い層が可能である。
【００９２】
実施例２
Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７層について、ＮｄＣＯ３をか焼してＮｄ２Ｏ３にした。Ｎｄ２Ｏ３をアンドープジルコニア粉末（Tosho TZ-8Y）とともに、ジルコニア錬磨媒（Tosho TZ3Y）を含むエタノール液媒内で、振動錬磨を用いて錬磨した。乾燥後、錬磨した粉末を空気中において数時間約１２００℃で反応させた。この粉末を再び２４時間振動錬磨した。乾燥後、粉末を、３ロールミルを用いてインクにした。この組成材をジルコニア-３モル％イットリア電解質上にスクリーン印刷し、試料を乾燥させ、次いで空気中で数時間〜１４００℃で焼成した。試料内の相を下にある正方晶ジルコニア電解質とともにＸ線回折により同定し、パイロクロア−ジルコン酸ネオジム相であることを見いだした（図８Ａ）。ｄ-間隔値はオングストローム（Å）で与えられる。１７-０４５８及び８９-９０６８という番号は結晶相識別子であり、例えばＰＤＦ４回折データベースから利用できる、回折ファイル番号である。図８Ａにおいて、実線は１７-０４５８−酸化ネオジムジルコン（Ｎｄ２Ｚｒ２Ｏ７）に対応し、破線は８９-９０６８−（Ｙドープ）ジルコニア（合成（Ｚｅ０.９４Ｙ０.０６）Ｏ１.８８）に対応する。７.１８Å及び、おそらく、２.４８Åのピークは粘土の試料支持体によるピークである。破断面及び研磨面のＳＥＭ観察は約１０μｍ厚の多孔性の明瞭な層を示した（図８Ｂ）。ジルコン酸ネオジムと下のジルコニア-３モル％イットリア電解質の間に１μｍ厚の薄く十分に緻密な層が見られた。この薄い緻密層はジルコン酸ネオジムであるか、または混合された酸化イットリウム（酸化ネオジム安定化剤）を含む立方晶ジルコニアであり得よう。Ｘ線回折またはＳＥＭにおいてマイクロクラック発生または単斜晶ジルコニアの徴候は全く見られなかった。プロセス修正により、ジルコン酸ネオジム層を、コーティングのかなりの大きさのいずれの領域においても層を貫通して延びる細孔を最小限に抑えるか、細孔を閉じさせるかまたは緻密にすることができる。さらに厚い層が可能であり、さらに薄い層が可能である。電子ビーム蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、等のようなその他のコーティング方法を用いることができる。
【００９３】
本明細書に説明される組成、物品、デバイス及び方法には様々な改変及び変形がなされ得る。本明細書に説明される組成、物品、デバイス及び方法の別の態様が、本明細書の考察及び本明細書に開示される組成、物品、デバイス及び方法の実施から明らかになるであろう。本明細書及び実施例は例示と見なされるべきであるとされる。
【符号の説明】
【００９４】
２０    電解質
５０，５１    バイアパッド
６０    空気極触媒層
７０    空気極電流コレクタ
８０    燃料極触媒層
９０    燃料極電流コレクタ
１００    バスバー
１１０    金属充填バイア
１２０，１２１，１３０    絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010532548.tif 000011
【図６】
2010532548.tif 000012
【図７Ａ】
2010532548.tif 000013
【図７Ｂ】
2010532548.tif 000014
【図８Ａ】
2010532548.tif 000015
【図８Ｂ】
2010532548.tif 000016
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ−９Ｄ】
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【図１０】
2010532548.tif 000020
【図１１】
2010532548.tif 000021
【図１２Ａ】
2010532548.tif 000022
【図１２Ｂ】
2010532548.tif 000023
【図１３】
2010532548.tif 000024
【図１４】
2010532548.tif 000025
【図１５Ａ】
2010532548.tif 000026
【図１５Ｂ】
2010532548.tif 000027
【図１６Ａ】
2010532548.tif 000028
【図１６Ｂ】
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【図１７】
2010532548.tif 000030
【国際調査報告】
2010532548.tif 000031
2010532548.tif 000032
2010532548.tif 000033