(57)【要約】【課題】焼結性に優れ、動作時に変形して固体酸化物燃料電池の性能劣化を引き起こさず、固体酸化物燃料電池の寿命を向上させることが可能な相互接続部材を提供する。【解決手段】本発明の固体酸化物燃料電池１０は、複数の単セル１２を備えており、各単セル１２は、酸素ガス源と流体連通する第１電極１４、燃料ガス源と流体連通する第２電極１６、および前記第１電極１４と前記第２電極１６との間に介在する固体電解質２２を含む。本発明の固体酸化物燃料電池１０は、さらに、前記単セル１２間に相互接続部材２４を備えており、当該相互接続部材２４は、各単セル１２の前記第１電極１４と接触する第１面２６と、各単セル１２の前記第２電極１６と接触する第２面２８とを有し、かつ、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）から実質的に構成されている。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単セルと、これら単セル間に配置された相互接続部材とを備える固体酸化物燃料電池であって、
各単セルが、
ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質、
を有しており、
前記相互接続部材が、各単セルの前記第１電極と接触する第１面と、各単セルの前記第２電極と接触する第２面とを有し、かつ、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）から実質的に構成されている、固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、各単セルが、さらに、前記酸素ガス源および前記第１電極と流体連通する第１ガス流路と、前記燃料ガス源および前記第２電極と流体連通する第２ガス流路とを有する固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
請求項２において、前記第１電極の少なくとも一部が前記第１ガス流路を形成し、前記第２電極の少なくとも一部が前記第２ガス流路を形成している固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
請求項１において、前記第１電極および前記第２電極がそれぞれ多孔質である固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
請求項４において、前記相互接続部材が略平板状である固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
請求項１において、前記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物が、ストロンチウムチタネート、カルシウムチタネート、バリウムチタネートおよびマグネシウムチタネートで構成されるグループから選択される固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
請求項６において、前記相互接続部材が、ｎドープされたストロンチウムチタネートまたはｎドープされたカルシウムチタネートを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
請求項７において、前記相互接続部材が、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされたストロンチウムチタネートを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
請求項１において、前記固体電解質が、ＺｒＯ２系材料、ＣｅＯ２系材料およびランタニドガレート系材料で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
請求項１において、前記第１電極がランタンマンガネート系材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
請求項１において、前記第２電極がニッケルサーメットを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
請求項１において、前記複数の単セルのうち少なくとも１つにおける前記第１電極の厚さおよび前記第２電極の厚さが、それぞれ約１ｍｍ〜約２ｍｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２において、前記相互接続部材の厚さが約１０μｍ〜約１０００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３において、前記相互接続部材の厚さが約１０μｍ〜約２００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項１５】
請求項１４において、前記相互接続部材の厚さが約５０μｍ〜約２００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項１６】
請求項１において、前記単セルが互いに直列に接続されている固体酸化物燃料電池。
【請求項１７】
複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池を形成する方法であって、
前記単セルの各々を相互接続部材を介して接続する工程を含み、
前記単セルの各々は、
ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質、
を含み、
前記相互接続部材が、Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）から実質的に構成されており、かつ、各単セルの前記第１電極と接触する第１面と、各単セルの前記第２電極と接触する第２面とを有する、固体酸化物燃料電池形成方法。
【請求項１８】
複数の単セルと、これら単セル間に配置された相互接続部材とを備える固体酸化物燃料電池であって、
各単セルが、
ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質を含み、
前記相互接続部材が、
ｉ）金属、金属合金、および金属の混合物で構成されるグループから選択される導電性材料を含む、各単セルの前記第１電極と接触する第１層、および
ｉｉ）ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）を含む、各単セルの前記第２電極と接触する第２層、
を有する固体酸化物燃料電池。
【請求項１９】
請求項１８において、各単セルが、さらに、前記酸素ガス源と流体連通する第１ガス流路と、前記燃料ガス源と流体連通する第２ガス流路とを有する固体酸化物燃料電池。
【請求項２０】
請求項１９において、前記第１電極の少なくとも一部が前記第１ガス流路を形成し、前記第２電極の少なくとも一部が前記第２ガス流路を形成している固体酸化物燃料電池。
【請求項２１】
請求項１８において、前記第１電極および前記第２電極がそれぞれ多孔質である固体酸化物燃料電池。
【請求項２２】
請求項２１において、前記相互接続部材が略平板状である固体酸化物燃料電池。
【請求項２３】
請求項１８において、前記ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物が、ドープされたストロンチウムチタネート、ドープされたカルシウムチタネート、ドープされたバリウムチタネートおよびドープされたマグネシウムチタネートで構成されるグループから選択される固体酸化物燃料電池。
【請求項２４】
請求項２３において、前記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物が、ｎドープされたストロンチウムチタネートまたはｎドープされたカルシウムチタネートを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項２５】
請求項２４において、前記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物が、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされたストロンチウムチタネートを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項２６】
請求項１８において、前記固体電解質が、ＺｒＯ２系材料、ＣｅＯ２系材料およびランタニドガレート系材料で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項２７】
請求項１８において、前記第１電極がランタンマンガネート系材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項２８】
請求項１８において、前記第２電極がＮｉサーメットを含む固体酸化物燃料電池。
【請求項２９】
請求項１８において、前記相互接続部材の前記第１層が、クロム系合金、フェライト鋼、ニッケル系超合金およびＮｉ−Ｆｅ−Ｙ２Ｏ３合金で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項３０】
請求項１８において、前記複数の単セルのうち少なくとも１つにおける前記第１電極の厚さおよび前記第２電極の厚さが、それぞれ約１ｍｍ〜約２ｍｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項３１】
請求項３０において、前記相互接続部材の厚さが約１０μｍ〜約１０００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項３２】
請求項３１において、前記相互接続部材の厚さが約１０μｍ〜約２００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項３３】
請求項３２において、前記相互接続部材の厚さが約５０μｍ〜約２００μｍである固体酸化物燃料電池。
【請求項３４】
複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池を形成する方法であって、
前記単セルの各々を相互接続部材に接続する工程を含み、
前記単セルの各々は、
ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質、
を有し、
前記相互接続部材が、
ｉ）各単セルの前記第１電極と接触する、導電性の金属、金属合金、または金属の混合物からなる第１層、および
ｉｉ）各単セルの前記第２電極と接触し、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）を含む第２層、
を有する固体酸化物燃料電池形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）において各単セル同士を接続する相互接続部材、この相互接続部材を備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を形成する方法に関する。
【関連出願】
【０００２】
本願は、２００６年１２月２８日付の米国仮特許出願第60/877,503号および米国仮特許出願第60/877,504号の利益を主張する。これら仮特許出願の全教示内容は、参照によって本願に取り入れたものとする。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、化学反応によって電気を生成する装置である。多種多様な燃料電池の中でも、固体酸化物燃料電池は、金属（例えば、カルシウムまたはジルコニウム）酸化物の硬質なセラミック化合物を電解質として用いるものである。典型的に、固体酸化物燃料電池では、Ｏ２などの酸素ガスがカソードにおいて酸素イオン（Ｏ２−）に還元され、Ｈ２ガスなどの燃料ガスが上記酸素イオンによって酸化され、アノードにおいて水が生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
相互接続部材は、固体酸化物燃料電池の商業化を律速する重要な課題の１つである。現在、平板型セルに取り組んでいる会社および研究者のほとんどが、被覆を施した金属製の相互接続部材を使用している。例えば、Ｃｒｏｆｅｒ  ２２  ＡＰＵや、オーストリア国のＰｌａｎｓｅｅ  ＡＧ社が販売する粉末冶金成形体などのフェライトステンレス鋼系金属製相互接続部材は、固体酸化物燃料電池とのＣＴＥ（熱膨張係数）相違の程度が良好であり、また、固体酸化物燃料電池との相性がよい。しかしながら、動作時において金属製の相互接続部材が酸化し、クロミア（Ｃｒ２Ｏ３）のような金属酸化物を形成し、この金属酸化物の金属の電極層および／または電極−電解質界面へのマイグレーション（例えば、クロムマイグレーション）が、固体酸化物燃料電池の性能劣化を引き起こす主なメカニズムの１つとして挙げられる。
【０００５】
金属製の相互接続部材は作製および加工が比較的簡単である一方、一般的に動作時の相互接続部材／アノード界面／相互接続部材カソード界面でのクロミア（Ｃｒ２Ｏ３）などの金属酸化物の形成が一因となって、出力低下率が高くなってしまう（例えば、１０％／１０００ｈ）。ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）系のセラミック製の相互接続部材は、熱力学的安定性が比較的高いこと、および金属製の相互接続部材の場合にこの相互接続部材と電極との界面に形成されるクロミア（Ｃｒ２Ｏ３）と比べてランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）のクロム蒸気圧が小さいことなどにより、金属製の相互接続部材よりも劣化率が小さい。しかしながら、ドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）では、一般的に、反り、または他の歪みなどの寸法変化、およびこれに起因する還元条件における密封不良が生じる。ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）に係る他の課題として、比較的低い焼結性が挙げられる。
【０００６】
このため、前述の課題の１つ以上について対処できる、固体酸化物燃料電池用の新しい相互接続部材の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を形成する方法に関する。各単セルは、酸素ガス源と流体連通する第１電極、燃料ガス源と流体連通する第２電極、および第１電極と第２電極との間に介在する固体電解質を有する。本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、さらに、単セル間に相互接続部材を備えている。
【０００８】
一実施形態において、上記相互接続部材は、各単セルの第１電極と接触する第１面と、各単セルの第２電極と接触する第２面とを有する。この相互接続部材は、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）から実質的に構成されている
【０００９】
他の実施形態において、上記相互接続部材は、各単セルの第１電極と接触する第１層と、各単セルの第２電極と接触する第２層とを有する。第１層は、金属、金属合金およびこれらの混合物で構成されるグループから選択される導電性材料を含む。第２層は、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）を含む。
【００１０】
本発明は、さらに、上述したような固体酸化物燃料電池を形成する方法を含む。この方法は、単セルの各々を、上述した相互接続部材に接続する工程を含む。
【００１１】
本発明におけるドープされたＭ−チタネート（例えば、ＭＴｉＯ３）、特に、ｎドープされたＭ−チタネート、例えばｎドープされたストロンチウムチタネートまたはｎドープされたカルシウムチタネートは、従来のｐドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）と比べて、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）の動作時の酸素空孔形成が少ないので、従来のｐドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）に係る格子膨張の問題を抑えられるか、またはこの問題を解消できると考えられる。さらに、ドープされたＭ−チタネートは、効果的な酸化防止バリアとして機能するので、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）の動作寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の一実施形態である、平板スタック型構造の燃料電池を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池のさらなる他の実施形態である、チューブ型構造の燃料電池を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上述の構成は、添付の図面に示された本発明の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から明確になる。添付の図面における同一の符号は、異なる図を通して同一の部分を示している。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１４】
図１に、本発明に係る燃料電池１０を示す。燃料電池１０は、複数の単セル（sub-cell）１２を備える。各単セル１２は、第１電極１４および第２電極１６を含む。典型的には、第１電極１４および第２電極１６は多孔質である。燃料電池１０において、第１電極１４は、少なくともその一部が空気などの酸素ガス源と流体連通する複数の第１ガス流路１８を形成している。第２電極１６は、少なくともその一部がＨ２（水素）ガス、または第２電極１６のその場でＨ２（水素）に変換されることが可能な天然ガスなどの燃料ガス源と流体連通する、複数の第２ガス流路２０を形成している。
【００１５】
図１では第１電極１４および第２電極１６がそれぞれ複数の第１ガス流路１８および複数の第２ガス流路２０を形成しているが、本発明では、他の種類のガス流路、例えば各電極に設けた微細構造を有する流路（例えば、溝加工された流路）、または電極と流体連通する別の層を使用してもよい。例えば、図２では、第１ガス流路１８の少なくとも一部が第１電極１４により形成され、少なくとも他の一部が相互接続部材２４により形成され、第２ガス流路２０の少なくとも一部が第２電極１６により形成され、少なくとも他の一部が相互接続部材２４により形成されている。
【００１６】
当該技術分野において公知である適切な任意のカソード材料を第１電極１４に使用してよく、例えば、“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 119-143, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたカソード材料を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。一実施形態において、第１電極１４は、ランタンマンガネート（例えば、Ｌａ１−ａＭｎＯ３；ただし、ａは０以上０．１以下の範囲内である。）系材料、またはランタンフェライト系材料を含む。典型的に、上記ランタンマンガネート系材料または上記ランタンフェライト系材料は、Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅなどの１種以上の適切なドーパントがドープされる。ドープされたランタンマンガネート系材料の例には、ランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３；ただし、ｋは０．１以上０．３以下、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎは約１．０から約０．９５の範囲内である（モル比）。）、およびランタンカルシウムマンガネート（例えば、Ｌａ１−ｋＣａｋＭｎＯ３；ただし、ｋは０．１以上０．３以下、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎは約１．０から約０．９５の範囲内である（モル比）。）が含まれる。ドープされたランタンフェライト系材料の例には、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）（例えば、Ｌａ１−ｑＳｒｑＣｏ１−ｊＦｅｊＯ３；ただし、ｑは０．１以上０．４以下、ｊは０．１以上０．４以下、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）は約１．０から約０．９５の範囲内である（モル比）。）が含まれる。特定の一実施形態において、第１電極１４は、ランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３）およびランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）のうち少なくとも１種を含む。一般的な例には、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３±δ（ただし、δは０以上０．３以下の範囲内である。）およびＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３が含まれる。
【００１７】
当該技術分野において公知である適切な任意のアノード材料を第２電極１６に使用してよく、例えば、“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 149-169, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたアノード材料を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。一実施形態において、第２電極１６はニッケル（Ｎｉ）サーメットを含む。本明細書で用いられる「Ｎｉサーメット」という用語は、Ｎｉを含む、セラミックと金属との複合材料のことを意味し、例えばＮｉを約２０重量％〜７０重量％含んでいる。Ｎｉサーメットの例として、Ｎｉと、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を約１５重量％含有するジルコニア（ＺｒＯ２）などのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とを含む材料、およびＮｉと、イットリア安定化ジルコニア（Y-zirconia）またはスカンジア安定化ジルコニア（Sc-zirconia）とを含む材料が挙げられる。アノード材料のさらなる例として、銅−セリウム酸化物（Cu-cerium oxide）が挙げられる。Ｎｉサーメットの特定の一例は、Ｎｉを６７重量％、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を３３重量％含有する。
【００１８】
典型的に、第１電極１４および第２電極１６の厚さは、それぞれ、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍである。好ましくは、第１電極１４および第２電極１６の厚さは、それぞれ、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。
【００１９】
固体電解質２２が第１電極１４と第２電極１６との間に介在している。当該技術分野において公知である、適切な任意の固体電解質を本発明において使用してもよく、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 83-112, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載された固体電解質を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。例として、ジルコニア（ＺｒＯ２）系材料、例えばスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）をドープしたジルコニア、イットリア（Ｙ２Ｏ３）をドープしたジルコニア、およびイッテルビア（Ｙｂ２Ｏ３）をドープしたジルコニア；セリア（ＣｅＯ２）系材料、例えば、サマリア（Ｓｍ２Ｏ３）をドープしたセリア、ガドリア（Ｇｄ２Ｏ３）をドープしたセリア、イットリア（Ｙ２Ｏ３）をドープしたセリア、カルシア（ＣａＯ）をドープしたセリア：ランタニドガレート（Ｌｎ−ｇａｌｌａｔｅ）系材料（Ｌｎ＝Ｌａ，Ｐｒ，ＮｄまたはＳｍなどのランタニド）、例えば、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅまたはこれらの混合物をドープしたランタンガレート（ＬａＧａＯ３）（例として、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７またはＬａ０．９Ａ０．１Ｇａ３（ただし、ＡはＳｒ，ＣａまたはＢａ））；およびこれらの混合物が挙げられる。他の例として、ドープされたイットリウムジルコネート（例えば、ＹＺｒ２Ｏ７）、ドープされたガドリニウムチタネート（例えば、Ｇｄ２Ｔｉ２Ｏ７）およびブラウンミラライト型化合物（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ６またはＢａ２Ｉｎ２Ｏ５）が含まれる。特定の一実施形態において、電解質２２は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）が８モル％ドープされたジルコニアを含む（すなわち、８モル％イットリアドープジルコニア）。
【００２０】
典型的に、固体電解質２２の厚さは、約５μｍ〜約２０μｍ、例えば、約５μｍ〜約１０μｍである。あるいは、固体電解質２２の厚さは、約１００μｍより大きい（例えば、約１００μｍ〜約５００１００μｍである）。厚さが約１００μｍ超である固体電解質２２を用いる本実施形態では、当該固体電解質２２が燃料電池１０を構造的に支持することができる。
【００２１】
燃料電池１０は、さらに、単セル１２間に相互接続部材２４を備えている。一実施形態を示す図１において、相互接続部材２４は、第１電極１４と接触する第１面２６と、第２電極１６と接触する第２面２８とを有する。相互接続部材２４は、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）から実質的に構成されている。本明細書で用いられる「〜から実質的に構成される」という表現は、相互接続部材２４が、当該相互接続部材２４の特性に著しい影響を与え得る他のあらゆる金属酸化物を含まないことを意味する。適切なドーパント材料の例には、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＶおよびＴｉが含まれる。特定の一実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、ストロンチウムチタネート（例えば、ＳｒＴｉＯ３）、カルシウムチタネート（例えば、ＣａＴｉＯ３）、バリウムチタネート（例えば、ＢａＴｉＯ３）またはマグネシウムチタネート（例えば、ＭｇＴｉＯ３）である。他の特定の実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、ｎドープされており、例えば、ｎドープされたストロンチウムチタネートまたはｎドープされたカルシウムチタネートである。さらなる他の特定の実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種がドープされたストロンチウムチタネートである。
【００２２】
他の実施形態を示す図２において、相互接続部材２４は、第１電極１４と接触する第１層３６と、第２電極１６と接触する第２層３８とを有する。第１層３６は、金属、金属合金およびこれらの混合物から選択される導電性材料を含む。第１層３６に適した導電性材料の例として、クロム系合金、フェライト鋼、ニッケル系超合金、およびニッケル−鉄−イットリア（Ｎｉ−Ｆｅ−Ｙ２Ｏ３）合金が含まれる。第２層３８は、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属）を含む。好ましくは、第２層３８に含まれる材料はｎドープされている。適切なドーパント材料の例には、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＶおよびＴｉが含まれる。適切なｎドーパントには、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉが含まれる。特定の一実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、ストロンチウムチタネート（例えば、ＳｒＴｉＯ３）、カルシウムチタネート（例えば、ＣａＴｉＯ３）、バリウムチタネート（例えば、ＢａＴｉＯ３）またはマグネシウムチタネート（例えば、ＭｇＴｉＯ３）である。他の特定の実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、ｎドープされており、例えば、ｎドープされたストロンチウムチタネートまたはｎドープされたカルシウムチタネートである。さらなる他の特定の実施形態において、上記Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種がドープされたストロンチウムチタネートである。
【００２３】
Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、当該技術分野で公知のペロブスカイト構造を有しており、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 120-123, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたペロブスカイト構造を有する。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。ペロブスカイト構造は、化学式ＡＢＯ３を有する酸化物の多くが有している構造である。一般的な結晶構造は、陽イオンＡを単位格子の中心部に有し、陽イオンＢを同単位格子の隅部に有し、陰イオン（すなわちＯ２−）を同単位格子の各縁部の中央に有する単純立方構造である。単純立方構造が理想的な構造であるが、陽イオンＡと陽イオンＢの割合が異なると、数多くの様々な、いわゆる歪みが生じることがあり、中でも、傾斜（tilting）が最も一般的である。本明細書で用いられる「Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物」も、これらのような歪みを有する。「Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物」では、Ｍ原子が一般的に陽イオンＡの位置を占める一方、Ｔｉ原子が一般的に陽イオンＢの位置を占める。
【００２４】
相互接続部材２４は、平板状（図１および図２を参照されたい）または微細構造を有する形状（例えば、溝を有する形状）（図３を参照されたい）など、任意の形状であってよい。特定の一実施形態において、燃料電池１０の少なくとも１つの相互接続部材２４は略平板状である。
【００２５】
一実施形態において、相互接続部材２４の厚さは約１０μｍ〜約１０００μｍである。あるいは、相互接続部材２４の厚さは約０．００５ｍｍ〜約２．０ｍｍである。特定の一実施形態において、相互接続部材２４の厚さは１０μｍ〜約５００μｍである。他の実施形態において、相互接続部材２４の厚さは１０μｍ〜約２００μｍである。さらなる他の実施形態において、相互接続部材２４の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍである。さらなる他の実施形態において、相互接続部材２４の厚さは約１０μｍ〜約７５μｍである。さらなる他の実施形態において、相互接続部材２４の厚さは約１５μｍ〜約６５μｍである。
【００２６】
特定の一実施形態において、第１電極１４の厚さおよび／または第２電極１６の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍであり、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。さらに、相互接続部材２４の厚さは約１０μｍ〜約２００μｍ、好ましくは、約１０μｍ〜約２００μｍ、より好ましくは、約１０μｍ〜約１００μｍである。
【００２７】
他の特定の実施形態において、第２層３８は、上述したストロンチウムチタネートランタン系のペロブスカイト型化合物を含み、相互接続部材２４の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍ、好ましくは、約１０μｍ〜約７５μｍ、より好ましくは、約１５μｍ〜約６５μｍである。
【００２８】
さらなる他の特定の実施形態において、少なくとも１つの単セル１２は、多孔質の第１電極１４および多孔質の第２電極１６を備えており、各電極の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。さらに、固体電解質２２の厚さは約５μｍ〜約２０μｍである。また、相互接続部材２４は略平板状であり、その厚さは約１０μｍ〜約２００μｍである。
【００２９】
さらなる他の特定の実施形態において、相互接続部材２４は略平板状であり、第１電極１４および第２電極１６はそれぞれ多孔質であり、第１電極１４は、ランタンマンガネート系材料またはランタンフェライト系材料（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３またはＬａ１−ｑＳｒｑＣｏｊＦｅ１−ｊＯ３；ただし、ｋ、ｑおよびｊの値はそれぞれ前述したものと同じである）を含み、第２電極１６はＮｉサーメット（例えば、６７重量％のＮｉおよび３３重量％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））を含む。この特定の実施形態の一構成において、電解質２２は、８モル％イットリアドープジルコニアを含む。
【００３０】
さらなる他の特定の実施形態において、第１電極１４は、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３±δまたはＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を含む。また、第２電極１６は、６７重量％のＮｉおよび３３重量％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。この実施形態において、特に、電解質２２は、８モル％イットリアドープジルコニアを含む。
【００３１】
本発明の燃料電池１０は、複数の単セル１２を、適切な任意の個数含むものであってよい。一実施形態において、本発明の燃料電池１０は少なくとも３０〜５０個の単セル１２を含む。燃料電池１０の単セル１２は、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。
【００３２】
本発明の燃料電池は、図３に示すような平板スタック型燃料電池であってもよい。あるいは、本発明の燃料電池は、図４に示すようなチューブ型燃料電池であってもよい。図３および図４に示された各燃料電池は、図１および図２に示された燃料電池１０について説明したような特定の変数を含む特性を有する（分かり易くするため、セルの構成品の詳細は図３および図４に示していない）。図３に示された平板型構造では、典型的に、当該構造の構成品は平坦なスタック状に組立てられており、空気および燃料が、相互接続部材に組み込まれた流路を流れるようになっている。図４に示されたチューブ型構造では、当該構造の構成品は中空チューブ状に組立てられており、チューブ状のカソードのまわりにセルが層状に構築され、空気が当該チューブの内部を流れ、燃料が外側部のまわりを流れるようになっている。
【００３３】
本発明は、さらに、上述した燃料電池を形成する方法も含む。この方法は、上述したような単セル１２を複数形成すること、および単セル１２の各々を相互接続部材２４に接続することを含む。単セル１２および相互接続部材２４の作製には、当該技術分野において公知である、適切な任意の技術を用いてよく、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 83-225, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載された技術を用いてよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。例えば、本発明の平板スタック型の燃料電池は、粉体プロセス（particulate process）または堆積プロセス（deposition process）によって作製することができる。本発明のチューブ型の燃料電池は、カルシア安定化ジルコニアなどの多孔質の円筒型チューブ上に薄い層状のセルの構成品を設けることによって作製することができる。
【００３４】
典型的には、テープ成形またはテープカレンダ法（tape calendering）などの適切な粉体プロセスは、粉末を、例えばセラミック製の粉末を加圧成形することによって燃料電池の構成品（例えば、電極、電解質および相互接続部材）を形成すること、および高温で高密度化を行うことを含む。例えば、本発明の電解質、電極または相互接続部材に用いる適切な粉末材料は、組成酸化物の固相反応によって生成される。適切な大表面積粉末は、硝酸塩溶液および他の溶液からゲル生成物として沈殿させ、これを乾燥、か焼および粉砕して結晶粒子を生成することによって得られる。上記堆積プロセスは、適切な化学プロセスまたは物理プロセスによって支持体上にセル構成品を形成することを含み得る。堆積の例として、化学気相成長、プラズマ溶射およびプラズマ熱分解が含まれる。
【００３５】
特定の一実施形態において、相互接続部材２４は、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物から実質的に構成されており、Ｍ−チタネート系のペロブスカイト型化合物の材料を第１電極１４または第２電極１６の上に堆積させ、この材料を焼結させることにより形成される。一般的に、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物の材料は、約５〜約５０トンの荷重を加えながら約５０℃〜約８０℃の温度で処理される。ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物は、一般的に、高い理論密度（例えば、約９０％超の理論密度または約９５％超の理論密度）を有する相互接続部材２４を形成するように焼結される。
【００３６】
他の特定の実施形態において、相互接続部材２４は第１層３６と第２層３８とを有し、これら第１層３６および第２層３８は、当該技術分野において公知である適切な任意の堆積法を用いて、例えば化学気相成長によって、導電性材料を第１電極１４に堆積することで第１層３６を形成し、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物をこの第１層３６に堆積することにより形成される。一般的に、ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物の材料は、約５〜約５０トンの荷重を加えながら約５０℃〜約８０℃の温度で処理される。ドープされたＭ−チタネート系のペロブスカイト型化合物の材料は、一般的に、高い理論密度（例えば、約９０％超の理論密度または約９５％超の理論密度）を有する相互接続部材２４を形成するように焼結される。
【００３７】
本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は持ち運び可能である。また、本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は、例えば高温の水を生成するための、住宅用の電源として使用することもできる。
【００３８】
本発明を、例示的な実施形態を用いて詳細に示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が可能であることを理解できるであろう。
【符号の説明】
【００３９】
１０    固体酸化物燃料電池
１２    単セル
１４    単セルの第１電極
１６    単セルの第２電極
２２    固体電解質
２４    相互接続部材
２６    相互接続部材の第１面
２８    相互接続部材の第２面
３６    相互接続部材の第１層
３８    相互接続部材の第２層
【図１】
2010515225.tif 000002
【図２】
2010515225.tif 000003
【図３】
2010515225.tif 000004
【図４】
2010515225.tif 000005
【国際調査報告】
2010515225.tif 000006
2010515225.tif 000007
2010515225.tif 000008
2010515225.tif 000009
2010515225.tif 000010