(57)【要約】種々の局面では、種々の実施形態において、約０．１Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供し、および／または約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有することができる、約５００℃未満の動作温度を伴う固体酸化物型燃料電池が提供される。種々の実施形態では、電子伝導体およびイオン伝導体の両方である、固体酸化物電解質層を含む、固体酸化物型燃料電池が提供される。種々の局面では、固体酸化物型燃料電池を作製する方法が提供される。種々の局面では、約５００℃未満の温度において約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、厚さ約１００ｎｍ未満の多結晶セラミック層を含む、固体酸化物材料が提供される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池であって、
多孔質陰極層と、
多孔質陽極層と、
該陰極層と陽極層との間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層と
を含み、
該固体酸化物型燃料電池は、約５００℃未満の温度において、約０．１Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、
固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
固体酸化物型燃料電池の積層であって、
該固体酸化物型燃料電池の各々は、多孔質陰極層と、多孔質陽極層と、該陰極層と陽極層との間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層とを含み、固体酸化物型燃料電池は、約５００℃未満の温度において、約０．１Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、固体酸化物型燃料電池と、
該陰極層と流体的に連絡して配置され、該陰極に燃料を運搬するように構成される、第１の多岐管と、
該陽極層と流体的に連絡して配置され、該陽極に酸化剤を運搬するように構成される、第２の多岐管と
を含む、装置。
【請求項３】
前記固体酸化物型燃料電池は、約４００℃未満の温度において、約０．６Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記固体酸化物型燃料電池は、約３５０℃未満の温度において、約０．６Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記固体酸化物型燃料電池は、約５００℃未満の温度において、約１Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記固体酸化物型燃料電池は、約４００℃未満の温度において、約１Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度を提供することが可能である、請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記多孔質陰極層は、厚さ約１０ミクロン未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
前記多孔質陰極層は、Ｎｉ、ジルコニア、Ｙドープジルコニア、Ｃｕ、セリア、Ｇｄドープセリア、および異種原子価ドープ酸化物セラミックスのうちの１つ以上を含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質陽極層は、厚さ約１０ミクロン未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１０】
前記多孔質陽極層は、１つ以上の金属を含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔質陽極層は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｆｅ、ＬａＭｎＯ３、ＳｒＭｎＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）、およびＬａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３のうちの１つ以上を含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１２】
前記多孔質陽極層材料は、ペロブスカイト型構造を有する、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１３】
前記固体酸化物電解質は、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアおよびハフニアの混合物、ジルコニアを伴うセリア、ジルコニアを伴うビスマス、ガドリニウム、ゲルマニウム、およびそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１４】
前記固体酸化物電解質は、ドープされた部分安定化ジルコニア、ドープされた安定化ジルコニア、およびそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含み、ドーパントは、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｈ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、およびＷの酸化物、ならびにそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１５】
前記固体酸化物電解質は、イットリアドープ酸化ビスマス（ＹＤＢ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１６】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約５０ｎｍ未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１７】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約２５ｎｍ未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１８】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約１０ｎｍ未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１９】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約５ｎｍ未満である、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２０】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約５ｎｍ未満の第１の外側固体酸化物電解質層と、厚さ約５ｎｍ未満の第２の外側固体酸化物電解質層との間に配置される、第１の内側固体酸化物電解質層を含む、請求項１または２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２１】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層のうちの１つ以上は、厚さ約２ｎｍ未満である、請求項２０に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２２】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層のうちの１つ以上は、約０．５ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項２０に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２３】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層は、実質的にイオン伝導体のみである、１つ以上の材料から本質的に成り、
前記第１の内側固体酸化物電解質層は、電子伝導体およびイオン伝導体である材料を含む、
請求項２０に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２４】
前記第１および第２の多岐管のうちの少なくとも１つは、シリコンを含む少なくとも１つの壁を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１および第２の多岐管のうちの少なくとも１つは、約１００ミクロン未満の少なくとも１つの寸法を有する流路を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項２６】
固体酸化物型燃料電池であって、
多孔質陰極層と、
多孔質陽極層と、
該陰極層と陽極層との間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層と
を含み、
該固体酸化物電解質層は、約５００℃未満の温度において、約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、
固体酸化物型燃料電池。
【請求項２７】
前記固体酸化物電解質は、約５００℃未満の温度において、約０．０００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、請求項２６に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項２８】
固体酸化物型燃料電池を使用して電流を提供する方法であって、該方法は、
多孔質陰極層と、多孔質陽極層と、該陰極層と陽極層との間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層とを含む、固体酸化物型燃料電池を提供するステップと、
該陰極層および陽極層のうちの１つを燃料と接触させ、該陰極層と陽極層とのうちの１つを酸化剤と接触させるステップと、
該固体酸化物電解質の温度が約５００℃未満であるように、該固体酸化物型燃料電池を操作するステップと
を含む、方法。
【請求項２９】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約５０ｎｍ未満である、請求項２８に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３０】
前記固体酸化物電解質層は、厚さ約２５ｎｍ未満である、請求項２８に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３１】
電極支持固体酸化物型燃料電池を製造する方法であって、該方法は、
（ｉ）固体酸化物型燃料電池コアを製造するステップであって、
（ａ）基材を提供することと、
（ｂ）自身の上に固体酸化物電解質層が堆積される表面の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であるように、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、該基材の少なくとも一部分の上に第１の多孔質電極層を堆積させることと、
（ｃ）約５×１０−７トール未満の真空条件下で、該第１の電極層の少なくとも一部分の上に厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層を堆積させることと、
（ｄ）該固体酸化物電解質層の少なくとも一部分の上に第２の多孔質電極層を堆積させることと、
（ｅ）少なくとも、該基材、第１の多孔質電極層、固体酸化物電解質層、および第２の多孔質電極層を通して、ビアをエッチングして、該第２の多孔質電極層と流体的に連絡している第１のチャネルを形成する、ことと、
（ｆ）少なくとも該基材を通してビアをエッチングして、該第１の多孔質電極層と流体的に連絡している第２のチャネルを形成する、ことと
によって、固体酸化物型燃料電池コアを製造するステップと、
（ｉｉ）筐体の中に該固体酸化物型燃料電池コアを配置するステップであって、該第１のチャネルと流体的に連絡している第１の多岐管および該第２のチャネルと流体的に連絡している第２の多岐管を生産する、ステップと
を含む、方法。
【請求項３２】
前記第２の多孔質電極層を堆積させる前記ステップは、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、前記第２の多孔質電極層を堆積させることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、厚さ約５０ｎｍ未満の層を堆積させることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、厚さ約２５ｎｍ未満の層を堆積させることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、自身の上に第２の多孔質電極層が堆積される前記層の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であるように、該層を堆積させることを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
ステップ（ａ）−（ｆ）を繰り返して、固体酸化物型燃料電池コアの積層を形成することを含み、ステップ（ｉｉ）は、前記固体酸化物型燃料電池コアの前記第１のチャネルと流体的に連絡している第１の多岐管と、該固体酸化物型燃料電池コアの前記第２のチャネルと流体的に連絡している前記第２の多岐管とを形成する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
電極支持固体酸化物型燃料電池を製造する方法であって、該方法は、
（ｉ）固体酸化物型燃料電池コアを製造するステップであって、
（ａ）自身の上に固体酸化物電解質層が堆積される表面の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であるように、基材を提供することと、
（ｂ）約５×１０−７トール未満の真空条件下で、該基材の少なくとも一部分の上に、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層であって、該固体酸化物電解質層は第１の表面および第２の表面を有する、固体酸化物電解質層を堆積させることと、
（ｃ）該固体酸化物電解質層の該第１の表面の少なくとも一部分の上に第１の多孔質電極層を堆積させることと、
（ｄ）少なくとも該基材を通してビアをエッチングして、該固体酸化物電解質層の該第２の表面の少なくとも一部分を露出させ、該固体酸化物電解質層の第２の表面と流体的に連絡している第１のチャネルを形成することと、
（ｅ）少なくとも、該基材、第１の多孔質電極層、および固体酸化物電解質層を通して、ビアをエッチングして、該第１の多孔質電極層と流体的に連絡している第２のチャネルを形成することと、
（ｆ）該固体酸化物電解質層の該第２の表面の少なくとも一部分の上に、第２の多孔質電極層を堆積させることと
によって、固体酸化物型燃料電池コアを製造するステップと、
（ｉｉ）該第１のチャネルと流体的に連絡している第１の多岐管および該第２のチャネルと流体的に連絡している第２の多岐管を生産するように、筐体の中に該固体酸化物型燃料電池コアを配置するステップと
を含む、方法。
【請求項３８】
前記第１の多孔質電極層を堆積させる前記ステップは、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、該第１の多孔質電極層を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、自身の上に第１の多孔質電極層が堆積される前記第１の表面の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であるように、前記層を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、厚さ約５０ｎｍ未満の層を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記固体酸化物電解質層を堆積させる前記ステップは、厚さ約２５ｎｍ未満の層を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２の多孔質電極層を堆積させる前記ステップは、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、該第２の多孔質電極層を堆積させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
ステップ（ａ）−（ｆ）を繰り返して、固体酸化物型燃料電池コアの積層を形成することを含み、ステップ（ｉｉ）は、前記固体酸化物型燃料電池コアの前記第１のチャネルと流体的に連絡している第１の多岐管と、該固体酸化物型燃料電池コアの前記第２のチャネルと流体的に連絡している前記第２の多岐管とを形成する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
厚さ約１００ｎｍ未満の層であって、該層は、約５００℃未満の温度において約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、層に形成される、多結晶セラミックを含む、固体酸化物電解質材料。
【請求項４５】
前記多結晶セラミック層は、約５００℃未満の温度において、約０．０００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項４６】
前記多結晶セラミックは、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアおよびハフニアの混合物、ジルコニアを伴うセリア、ジルコニアを伴うビスマス、ガドリニウム、ゲルマニウム、およびそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項４７】
前記多結晶セラミックは、ドープされた部分安定化ジルコニア、ドープされた安定化ジルコニア、およびそれらの混合物のうちの１つ以上を含み、ドーパントは、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｈ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、およびＷの酸化物、ならびにそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項４８】
前記多結晶セラミックは、イットリアドープ酸化ビスマス（ＹＤＢ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のうちの１つ以上を含む、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項４９】
前記多結晶セラミック層は、厚さ約５０ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５０】
前記多結晶セラミック層は、厚さ約２５ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５１】
前記多結晶セラミック層は、厚さ約１０ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５２】
前記多結晶セラミック層は、厚さ約５ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５３】
前記多結晶セラミック層は、厚さ約５ｎｍ未満の第１の外側固体酸化物電解質層と、厚さ約５ｎｍ未満の第２の外側固体酸化物電解質層との間に配置される、第１の内側固体酸化物電解質層を含む、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５４】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層のうちの１つ以上は、厚さ約２ｎｍ未満である、請求項５３に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５５】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層のうちの１つ以上は、約０．５ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項５３に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５６】
前記第１の外側固体酸化物電解質層および前記第２の外側固体酸化物電解質層は、実質的に単なるイオン伝導体である、１つ以上の材料から本質的に成り、
前記第１の内側固体酸化物電解質層は、電子伝導体およびイオン伝導体である材料を含む、
請求項５３に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５７】
前記多結晶セラミック層は、第１の表面と、該第１の表面に対向する第２の表面とを有し、該第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの二乗平均平方根粗度は、約３ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５８】
前記多結晶セラミック層は、第１の表面と、該第１の表面に対向する第２の表面とを有し、該第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの二乗平均平方根粗度は、約１ｎｍ未満である、請求項４４に記載の固体酸化物電解質材料。
【請求項５９】
熱遮蔽のために燃料電池を被包化するための構造であって、
該燃料電池と外壁との間に空洞を生成する、該燃料電池を包囲する外壁と、
該外壁の内表面に結合され、該燃料電池を支持するように、および該外壁の外側にガスおよび電気接続を運ぶように適合される、相互接続支持構造と
を含む、構造。
【請求項６０】
前記空洞は、選択された圧力まで空気を抜かれる、請求項５９に記載の構造。
【請求項６１】
前記圧力は、約１０−２ｍバールである、請求項６０に記載の構造。
【請求項６２】
前記燃料電池は、選択的放射率を生成するように、電気絶縁体層および金属層の被覆を有する、請求項６０に記載の構造。
【請求項６３】
前記燃料電池と前記外壁との間に１つ以上の箔層をさらに含む、請求項６０に記載の構造。
【請求項６４】
前記選択された圧力を維持するのに役立つように、前記外壁内に吸収材をさらに含む、請求項６０に記載の構造。
【請求項６５】
前記空洞から空気を抜くための送出ポートをさらに含む、請求項６０に記載の構造。
【請求項６６】
前記空洞は、絶縁材を含む、請求項５９に記載の構造。
【請求項６７】
前記絶縁材は、シリカエアロゲルである、請求項６６に記載の構造。
【請求項６８】
前記シリカエアロゲルは、不透明である、請求項６７に記載の構造。
【請求項６９】
前記相互接続支持構造は、熱交換構成で配設される、入力および出力ガスチャネルを有する、請求項５９に記載の構造。
【請求項７０】
前記相互接続支持構造は、３つの層を含む、請求項５９に記載の構造。
【請求項７１】
前記３つの層は、薄い熱伝達層の側面に位置する、ガラス外層を含む、請求項７０に記載の構造。
【請求項７２】
前記薄い熱伝達層は、ガラスである、請求項７１に記載の構造。
【請求項７３】
前記薄い熱伝達層は、薄い金属箔である、請求項７１に記載の構造。
【請求項７４】
前記ガラス外層は、熱伝達配設でガスチャネルを含む、請求項７１に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年８月９日に出願された仮特許出願第６０／９５４，９３５号の優先権を主張し、その全体が本明細書に参考として援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
再生可能生産から無公害消費まで、幅広いエネルギー自給の政治的有益性のために、石油を基にしたエネルギー供給基盤から水素を基にしたエネルギー供給基盤へ移行するという経済的および環境的有益性が明確である。この移行に直面する主要な障害物の１つは、水素中の化学エネルギーを電気または機械エネルギーに変えるための、使い易く、費用効率が高く、かつ効率的な変換デバイスを開発することである。電気化学燃料電池が、本質的に高い効率および電気エネルギーへの直接変換により、特に白熱している。燃料電池生産の進歩は、広範囲の水素燃料用途を可能にし得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
残念ながら、従来の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、効果的となるためには、８００〜１０００℃という非常に高い温度で作動しなければならない。そのような高温では、特に、燃料電池の反応性酸素および水素が豊富な環境において、電極の材料および電池の構造的構成要素（膜支持、ガスの取り扱い、封止剤）の選択が厳しく制約される。材料のうちの最も安定したものでさえ、これらの条件下では腐食し、および／または、熱サイクルからストレスを受けて疲労し、衰える。しかしながら、より低い動作温度のＳＯＦＣの長年にわたる必要性にもかかわらず、我々の知る限り、本明細書で説明される本発明の前に、この点に関して成功は達成されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（本発明の概要）
本発明は、固体酸化物型燃料電池、固体酸化物型燃料電池構造、および同物を作製する方法の種々の実施形態を提供する。本発明の固体酸化物型燃料電池は、多孔質陰極と、多孔質陽極と、陰極と陽極との間に配置される固体酸化物電解質とを含む。
【０００５】
種々の局面では、本発明は、固体酸化物型燃料電池構造と、約５００℃未満の動作温度を伴う固体酸化物を基にした燃料電池を生産することが可能な製造方法とを提供する。種々の実施形態では、固体酸化物型燃料電池と、約（ａ）４５０℃、（ｂ）４００℃、（ｃ）３５０℃、（ｄ）３００℃、および（ｅ）２５０℃のうちの１つ以上の温度未満で動作が可能である、同電池を作製するための方法とが提供される。
【０００６】
種々の実施形態では、本発明は、燃料電池が、約５００℃未満の温度において、約０．１Ｗ／ｃｍ２より大きく、好ましくは約０．６Ｗ／ｃｍ２より大きい、電力密度を提供することが可能である、固体酸化物型燃料電池構造と、同構造を作製するための方法を提供する。
【０００７】
種々の実施形態では、本発明は、固体酸化物型燃料電池構造と、同構造を作製するための方法を提供し、固体酸化物型燃料電池は、多孔質陰極層と多孔質陽極層との間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層を含み、固体酸化物電解質層は、約５００℃未満の温度において、約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する。
【０００８】
種々の固体酸化物を本発明の燃料電池の固体酸化物電解質層に使用することができ、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアおよびハフニアの混合物、ジルコニアを伴うセリア、ジルコニアを伴うビスマス、ガドリニウム、ゲルマニウム、ドープされた部分安定化ジルコニア、ドープされた安定化ジルコニア、およびそれらの混合物のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含むがそれに限定されない。ドーパントの例は、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｈ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、およびＷの酸化物、ならびにそれらの混合物のうちの１つ以上を含むが、それらに限定されない。例えば、種々の実施形態では、固体酸化物電解質は、イットリアドープ酸化ビスマス（ＹＤＢ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含む。
【０００９】
種々の実施形態では、固体酸化物電解質層は、異なる固体酸化物材料の２つ以上の層を含む。種々の実施形態では、固体酸化物層は、第１の外側固体酸化物電解質層と第２の外側固体酸化物電解質層との間に配置される、第１の内側固体酸化物電解質層を含み、第１の内側固体酸化物電解質層の材料は、第１および第２の外側固体酸化物電解質層のうちの少なくとも１つの材料とは異なる。種々の実施形態では、第１の内側固体酸化物電解質層は、イオン伝導体および電子伝導体の両方であり、第１および第２の外側固体酸化物電解質層は、実質的にイオン伝導体のみであり、約５ｎｍ未満の厚さを有する。
【００１０】
種々の材料が本発明の燃料電池の陰極として使用され得、それらは、Ｎｉ、ジルコニア、Ｙドープジルコニア、Ｃｕ、セリア、Ｇｄドープセリア、および異種原子価ドープ酸化物セラミックスを含むが、それらに限定されない。
【００１１】
種々の材料が本発明の燃料電池の陽極として使用され得、それらは、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｆｅ、ＬａＭｎＯ３、ＳｒＭｎＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。
【００１２】
種々の局面では、本発明は、固体酸化物型燃料電池の製造のための方法を提供する。種々の実施形態では、これらの方法は、約５００℃未満の動作温度を伴う固体酸化物型燃料電池の製造を促進する。固体酸化物電解質層のある表面性質が、低温動作を不可能にさせ得ることは、本発明者らの１つの認識である。本発明の方法は、約５００℃未満の動作温度を伴う固体酸化物型燃料電池を提供するために、これらの性質制限がどのように克服され得および／または除去され得るかという種々の実施形態を教示する。
【００１３】
種々の実施形態では、方法は、（ａ）基材を提供するステップと、（ｂ）その上に固体酸化物電解質層が堆積される表面の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であるように、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、基材の少なくとも一部分の上に第１の多孔質電極層を堆積させるステップと、（ｃ）約５×１０−７トール未満の真空条件下で、第１の電極層の少なくとも一部分の上に厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層を堆積させるステップと、（ｄ）固体酸化物電解質層の少なくとも一部分の上に第２の多孔質電極層を堆積させるステップとを含む、固体酸化物型燃料電池コアを製造するステップを含む。好ましくは、第２の多孔質電極層を堆積させるステップはまた、約５×１０−７トール未満の真空条件下で、第２の多孔質電極層を堆積させるステップをも含む。
【００１４】
好ましくは、固体酸化物電解質層を堆積させるステップは、厚さ約５０ｎｍ未満、より好ましくは厚さ約２５ｎｍ未満の層を堆積させるステップを含む。
【００１５】
固体酸化物電解質層の表面粗度は動作温度に悪影響を及ぼし得ることが、発明者らの認識である。好ましい実施形態では、固体酸化物電解質層を堆積させるステップは、その上に第２の多孔質電極層が堆積される層の少なくとも一部分の二乗平均平方根粗度が、約３ｎｍ未満であり、より好ましくは、約１ｎｍ未満の二乗平均平方根粗度であるように、層を堆積させるステップを含む。
【００１６】
種々の局面では、約５００℃未満の温度において、約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きい、および／または約５００℃未満の温度において、約０．０００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する、厚さ約１００ｎｍ未満の多結晶セラミック層を含む、固体酸化物電解質材料が提供される。種々の実施形態では、多結晶セラミック層は、約３ｎｍ未満、好ましくは約２ｎｍ未満、より好ましくは１ｎｍ未満の二乗平均平方根粗度を伴う、少なくとも１つの表面を有する。種々の実施形態では、固体酸化物電解質材料は、例えば、酸素センサ、水素センサ、一酸化炭素センサ、ホスゲンセンサ等の、中性および／または荷電分子センサの一部として製造される。
【００１７】
種々の多結晶セラミックを固体酸化物電解質材料で使用することができ、１つ以上の安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアおよびハフニアの混合物、ジルコニアを伴うセリア、ジルコニアを伴うビスマス、ガドリニウム、ゲルマニウム、ドープされた部分安定化ジルコニア、ドープされた安定化ジルコニア、およびそれらの混合物を含むが、それらに限定されない。ドーパントの例は、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｈ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、およびＷの酸化物、ならびにそれらの混合物のうちの１つ以上を含むが、それらに限定されない。例えば、種々の実施形態では、固体酸化物電解質は、イットリアドープ酸化ビスマス（ＹＤＢ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含む。
【００１８】
種々の実施形態では、多結晶セラミック層は、異なる固体酸化物材料の２つ以上の層を含む。種々の実施形態では、多結晶セラミック層は、第１の外側固体酸化物電解質層と第２の外側固体酸化物電解質層との間に配置される、第１の内側固体酸化物電解質層を含み、第１の内側固体酸化物電解質層の材料は、第１および第２の外側固体酸化物電解質層のうちの少なくとも１つの材料とは異なる。種々の実施形態では、第１の内側固体酸化物電解質層は、イオン伝導体および電子伝導体の両方であり、第１および第２の外側固体酸化物電解質層は、実質的にイオン伝導体のみであり、約５ｎｍ未満の厚さを有する。
【００１９】
種々の実施形態では、（ａ）多孔質陰極層と、多孔質陽極層と、陰極層および陽極層の間に配置される、厚さ約１００ｎｍ未満の固体酸化物電解質層とを含む、固体酸化物型燃料電池を提供するステップと、（ｂ）陰極層および陽極層のうちの一方を燃料と接触させ、陰極層および陽極層のうちの他方を酸化剤と接触させるステップと、（ｃ）固体酸化物電解質の温度が約５００℃未満であるように、固体酸化物型燃料電池を操作するステップとを含む、固体酸化物型燃料電池を使用して電流を提供する方法が提供される。種々の実施形態では、これらの方法は、厚さ約５０ｎｍ未満、厚さ約２５ｎｍ未満、厚さ約１０ｎｍ未満、厚さ約５ｎｍ未満、および／または厚さ約１ｎｍ未満の固体酸化物電解質層を提供することを含む。種々の実施形態では、これらの方法は、固体酸化物電解質の温度が、約（ａ）４５０℃、（ｂ）４００℃、（ｃ）３５０℃、（ｄ）３００℃、および（ｅ）２５０℃のうちの１つ以上の温度未満であるように、固体酸化物型燃料電池を操作することを含む。種々の実施形態では、これらの方法は、０．１Ｗ／ｃｍ２より大きい、約０．６Ｗ／ｃｍ２より大きい、約０．８Ｗ／ｃｍ２より大きい、約１Ｗ／ｃｍ２より大きい、約５Ｗ／ｃｍ２より大きい、および／または約１０Ｗ／ｃｍ２より大きい電力密度において、電力を提供することを含む。
【００２０】
さらに別の局面では、本発明は、燃料電池と外壁との間に空洞を生成する、燃料電池を包囲する外壁と、外壁の内面に結合され、燃料電池を支持するように、および外壁の外側にガスおよび電気接続を運ぶように適合される、相互接続支持構造とを含む、熱遮蔽のために燃料電池を被包化するための構造である。空洞は、空気を抜かれるか、またはシリカエアロゲル等の絶縁体で充填されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明の先述および他の局面、実施形態、目的、特徴、および利点は、添付図面と併せて、以下の説明からさらに十分に理解され得る。図中、類似参照文字は、概して、種々の図の全体を通して、類似の特徴および構造要素を指す。図面は、一定の縮尺である必要はなく、その代わり、そこにおいて本発明の原則を図示することを強調している。
【図１】図１は、種々の実施形態による、多成分固体酸化物電解質の概略図である。
【図２】図２Ａ−図２Ｄは、固体酸化物内の粒子の形成を示す、室温（図２Ａ）から約６００℃（図２Ｄ）に到る薄膜の加熱を示す、固体電解質薄膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。縮尺は、挿入スケールバーによって示されるように、図の間で異なる。
【図３】図３は、粒界の間の非晶相の欠如を示す、高解像度ＴＥＭ画像である。縮尺は、挿入スケールバーによって示される。
【図４Ａ】図４Ａ−図４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池構造を概略的に示す。
【図４Ｂ】図４Ａ−図４Ｂは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池構造を概略的に示す。
【図５】図５Ａ−図５Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体燃料電池構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図６】図６は、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示す。
【図７】図７Ａ−図７Ｄは、本発明の種々の実施形態による、固体燃料電池構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図８】図８Ａ−図８Ｄは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示す。
【図９Ａ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｂ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｃ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｄ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｅ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｆ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｇ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図９Ｈ】図９Ａ−図９Ｄは、本発明の種々の実施形態による、交互配置された固体酸化物型燃料電池積層構造を概略的に示し、図９Ｅ−図９Ｈは、本発明の種々の実施形態による、同構造の製造のための方法を概略的に示す。
【図１０Ａ】図１０Ａ−図１０Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池の概略図および写真である。図１０Ａおよび１０Ｃは、それぞれ「最上部」および断面の概略図を提供し、図１０Ｂおよび１０Ｄは、それぞれ固体酸化物型燃料電池構造の「最上部」および「最下部」からの写真を提供し、図１０Ｅは、チップ形式でリソグラフィによって製造された、種々のサイズのＹＳＺ膜を伴う固体酸化物型燃料電池構造の写真である。
【図１０Ｂ】図１０Ａ−図１０Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池の概略図および写真である。図１０Ａおよび１０Ｃは、それぞれ「最上部」および断面の概略図を提供し、図１０Ｂおよび１０Ｄは、それぞれ固体酸化物型燃料電池構造の「最上部」および「最下部」からの写真を提供し、図１０Ｅは、チップ形式でリソグラフィによって製造された、種々のサイズのＹＳＺ膜を伴う固体酸化物型燃料電池構造の写真である。
【図１０Ｃ】図１０Ａ−図１０Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池の概略図および写真である。図１０Ａおよび１０Ｃは、それぞれ「最上部」および断面の概略図を提供し、図１０Ｂおよび１０Ｄは、それぞれ固体酸化物型燃料電池構造の「最上部」および「最下部」からの写真を提供し、図１０Ｅは、チップ形式でリソグラフィによって製造された、種々のサイズのＹＳＺ膜を伴う固体酸化物型燃料電池構造の写真である。
【図１０Ｄ】図１０Ａ−図１０Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池の概略図および写真である。図１０Ａおよび１０Ｃは、それぞれ「最上部」および断面の概略図を提供し、図１０Ｂおよび１０Ｄは、それぞれ固体酸化物型燃料電池構造の「最上部」および「最下部」からの写真を提供し、図１０Ｅは、チップ形式でリソグラフィによって製造された、種々のサイズのＹＳＺ膜を伴う固体酸化物型燃料電池構造の写真である。
【図１０Ｅ】図１０Ａ−図１０Ｅは、本発明の種々の実施形態による、固体酸化物型燃料電池の概略図および写真である。図１０Ａおよび１０Ｃは、それぞれ「最上部」および断面の概略図を提供し、図１０Ｂおよび１０Ｄは、それぞれ固体酸化物型燃料電池構造の「最上部」および「最下部」からの写真を提供し、図１０Ｅは、チップ形式でリソグラフィによって製造された、種々のサイズのＹＳＺ膜を伴う固体酸化物型燃料電池構造の写真である。
【図１１】図１１は、実施例１の伝導度測定後に記録された、２１０ｎｍの厚さを伴う９．５％イットリアドープジルコニア薄膜のＸ線回折図を示す。
【図１２】図１２は、実施例１の、ＭｇＯ基材上に堆積された種々の厚さの９．５％イットリアドープジルコニアナノスケール薄膜、およびＡｌ２Ｏ３基材上に堆積された１７ｎｍの薄膜の電気伝導度の温度依存性を示す。挿入図は、電気測定用の実験装置を概略的に示す。
【図１３】図１３は、種々の温度における、実施例１の（００１）ＭｇＯ基材上に堆積された、厚さ１７ｎｍのイットリアドープジルコニア薄膜の複素インピーダンススペクトル（ナイキスト線図）を示す。
【図１４】図１４は、被包化構造の斜視分解図である。
【図１５Ａ】図１５Ａ−図１５Ｄは、相互接続支持構造の実施形態の概略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａ−図１５Ｄは、相互接続支持構造の実施形態の概略図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａ−図１５Ｄは、相互接続支持構造の実施形態の概略図である。
【図１５Ｄ】図１５Ａ−図１５Ｄは、相互接続支持構造の実施形態の概略図である。
【図１６Ａ】図１６Ａ−図１６Ｅは、本発明による被包化構造の実施形態の組立を示す、概略図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａ−図１６Ｅは、本発明による被包化構造の実施形態の組立を示す、概略図である。
【図１６Ｃ】図１６Ａ−図１６Ｅは、本発明による被包化構造の実施形態の組立を示す、概略図である。
【図１６Ｄ】図１６Ａ−図１６Ｅは、本発明による被包化構造の実施形態の組立を示す、概略図である。
【図１６Ｅ】図１６Ａ−図１６Ｅは、本発明による被包化構造の実施形態の組立を示す、概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（種々の実施形態の詳細な説明）
種々の実施形態では、本発明は、多孔質陰極と、多孔質陽極と、陰極と陽極との間に配置される固体酸化物電解質とを含む、固体酸化物型燃料電池を提供し、電池は、約（ａ）５００℃、（ｂ）４５０℃、（ｃ）４００℃、（ｄ）３５０℃、（ｅ）３００℃、および／または（ｆ）２５０℃のうちの１つ以上の温度未満の動作温度を有する。種々の実施形態では、動作温度において、（ａ）燃料に暴露される１ｃｍ２の固体酸化物電解質につき約０．６Ｗより大きい電力密度、（ｂ）燃料に暴露される１ｃｍ２の固体酸化物電解質につき約０．８Ｗより大きい電力密度、（ｃ）燃料に暴露される１ｃｍ２の固体酸化物電解質につき約１Ｗより大きい電力密度、（ｄ）燃料に暴露される１ｃｍ２の固体酸化物電解質につき約５Ｗより大きい電力密度、（ｅ）燃料に暴露される１ｃｍ２の固体酸化物電解質につき約１０Ｗより大きい電力密度、（ｄ）約０．００００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する固体酸化物電解質層、（ｅ）約０．００００５オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する固体酸化物電解質層、および／または（ｆ）約０．０００１オーム−１ｃｍ−１より大きいイオン伝導度を有する固体酸化物電解質層のうちの１つ以上を提供することができる、電池が提供される。
【００２３】
種々の実施形態では、固体電解質層は、厚さ約（ａ）１００ｎｍ、（ｂ）７５ｎｍ、（ｃ）５０ｎｍ、（ｄ）２５ｎｍ、（ｅ）１０ｎｍ、（ｆ）５ｎｍ、および／または（ｇ）１ｎｍのうちの１つ以上の厚さ未満である。好ましくは、固体酸化物電解質層は、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、および／または好ましくは約１ｎｍ未満の二乗平均平方根表面粗度で形成された。
【００２４】
種々の実施形態では、固体酸化物電解質層は、異なる固体酸化物材料の２つ以上の層を含む。例えば、図１を参照すると、種々の実施形態では、固体酸化物層は、第１の外側固体酸化物電解質層１０４と第２の外側固体酸化物電解質層１０６との間に配置される、第１の内側固体酸化物電解質層１０２を含む。
【００２５】
種々の実施形態では、第１および第２の外側層は、厚さ約５ｎｍ未満、好ましくは、厚さ約２ｎｍ未満で、実質的にイオン伝導体のみである固体酸化物であり、内側層は、必ずしも純イオン伝導体ではない固体酸化物を含む。例えば、種々の実施形態では、第１の内側固体酸化物電解質層は、イオン伝導体および電子伝導体の両方である。種々の実施形態では、内側固体酸化物電解質層は、高速イオン伝導体である。種々の実施形態では、第１および第２の外側層はそれぞれ、約０．５ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００２６】
種々の実施形態では、理論にとらわれることなく、内側電解質層が電子伝導特性を伴う固体酸化物を含む時でさえも、イオン伝導体材料のみを含むナノスケール外側電解質層が、電子流を遮断し、例えば、高イオン伝導度の維持を促進することができると考えられる。
【００２７】
多層固体酸化物電解質層の種々の実施形態では、第１の内側固体酸化物電解質層は、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）を含み、第１および第２の外側層は、実質的にイオン伝導体のみである、１つ以上の固体酸化物材料から本質的に成る。種々の実施形態では、実質的にイオン伝導体のみである、１つ以上の固体酸化物材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。
【００２８】
種々の固体酸化物が、本発明の燃料電池の多層固体酸化物電解質層のうちの１つ層の中に含む、固体酸化物電解質層として使用され得、それらは、１つ以上の安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアおよびハフニアの混合物、ジルコニアを伴うセリア、ジルコニアを伴うビスマス、ガドリニウム、ゲルマニウム、ドープされた部分安定化ジルコニア、ドープされた安定化ジルコニア、およびそれらの混合物を含むが、それらに限定されない。ドーパントの例は、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｈ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、およびＷの酸化物、ならびにそれらの混合物のうちの１つ以上を含むが、それらに限定されない。例えば、種々の実施形態では、固体酸化物電解質は、イットリアドープ酸化ビスマス（ＹＤＢ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のうちの１つ以上を含む、多結晶セラミックを含む。
【００２９】
種々の局面では、理論にとらわれることなく、本発明の固体酸化物型燃料電池の種々の実施形態の提供は、固体酸化物電解質中の粒界の間に非晶相が実質的にない、固体酸化物電解質層の形成によって促進されると考えられる。例えば、図２Ａ-Ｄを参照すると、室温（図２Ａ）および６００℃までの加熱時（図２Ｄ）における、およそｎｍ厚さのＹＳＺ層が示されている。これらのＴＥＭ画像では、粒子および付随する粒界の形成を見ることができる。図３は、本発明の種々の実施形態に従って生産された、厚さ約３２ｎｍのＹＳＺ固体酸化物電解質層の粒界の高解像度ＴＥＭ画像である。図３のＴＥＭ画像は、非晶相が実質的に存在しない、粒界３０２を示す。図２Ａ-Ｄは、薄膜の粒子成長および結晶化を図示するが、種々の実施形態では、電解質層を焼鈍および／または焼結することができると理解されたい。
【００３０】
種々の実施形態では、理論にとらわれることなく、粒界の間に非晶相が実質的にない、ナノスケール薄膜の形成は、約３ｎｍ未満、好ましくは約２ｎｍ未満、より好ましくは約１ｎｍ未満の二乗平均平方根表面粗度を有する表面を伴う、および／または表面上での、電解質層の形成によって促進および／または提供することができると考えられる。
【００３１】
種々の材料を本発明の燃料電池の多孔質陰極層に使用することができ、Ｎｉ、ジルコニア、Ｙドープジルコニア、Ｃｕ、セリア、Ｇｄドープセリア、異種原子価ドープ酸化物セラミックス、およびそれらの混合物を含むが、それらに限定されない。陰極層に関して、多孔質という用語は、燃料ガスに対して多孔質である陰極層を指し、陰極は他のガスに対して無孔性となり得ることを理解されたい。
【００３２】
種々の材料を本発明の燃料電池の多孔質陽極層に使用することができ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｆｅ、ＬａＭｎＯ３、ＳｒＭｎＯ３、（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。陽極層に関して、多孔質という用語は、酸化剤に対して多孔質である陽極層を指し、陽極は他のガスに対して無孔性となり得ることを理解されたい。種々の実施形態では、多孔質陽極層材料は、ペロブスカイト型構造を有する。
【００３３】
種々の実施形態では、本発明の固体酸化物型燃料電池は、例えば、電解質層と電極層との間の電気接触を向上させるように１つ以上の相互接続層を含む。例えば、種々の実施形態では、相互接続層は、希土類元素（Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ等）でドープされたＬａＣｒＯ３、Ｃａドープイットリウムクロマイト、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの金属のうちの１つ以上を含む。
【００３４】
本発明は、種々の局面および実施形態において、従来の電池で見出される動作温度に満たない動作温度を伴う、固体酸化物型燃料電池を提供するが、そのような電池内の環境には、有害な影響、例えば、電池の種々の領域の中で見出される温度および強力な酸化環境があり得る。種々の実施形態では、基材、多岐管チャネル、筐体等の保護を促進するために、１つ以上の保護被覆を使用することができる。例えば、種々の実施形態では、酸化を低減および／または防止して、例えば、デバイスの動作寿命を増加させるために、窒化ケイ素または同様の絶縁材料の薄膜を使用することができる。
【００３５】
種々の実施形態では、水素／酸素；合成ガス（水素および一酸化炭素の混合物）；ならびに、酸化剤、例えば、酸素、一酸化炭素などを伴う、例えば、メタン、ブタン、プロパンなどの、ガス状アルカン等の燃料を含むがそれらに限定されない、種々の燃料酸化剤の組み合わせとともに、固体酸化物型燃料電池を使用することができる。
【００３６】
（製造方法および構造の実施例）
種々の局面では、本発明は、固体酸化物型燃料電池の形成のための方法を提供する。図４Ａ〜１０Ｅは、種々の非限定的構造および形成方法を図示する。例えば、図４Ａ-Ｂを参照すると、種々の実施形態では、固体酸化物型燃料電池は、第１の多孔質電極層４０４（例えば、図４Ａ-Ｂの陽極）と第２の多孔質電極層４０６（例えば、図４Ａ-Ｂの陰極）との間に配置される、固体酸化物電解質層４０２を含む。陽極・電解質・陰極構造は、基材４０８、４１０（例えば、シリコン４１０上の酸化シリコン４０８）の上に形成される。基材は、燃料電池コアの陰極側への燃料（例えば、水素）の送達用の第１の多岐管４１２と、燃料電池コアの陽極側への酸化剤（例えば、酸素）の送達用の第２の多岐管４１４とを有する。種々の実施形態では、多岐管のうちの１つ以上は、伝導性材料、例えば、金属を含む。例えば、種々の実施形態では、第２の多岐管を形成する層４１６が、金属を含む。種々の実施形態では、そのような伝導性多岐管は、デバイスから使用可能な電流を提供する構造の導線および電気接点（例えば、陽極接点４１８）の一部として使用することができる。燃料電池構造の接点４１８、４２０は、例えば、伝導度を向上させるように、１つ以上の相互接続層を含むことができる。
【００３７】
図４Ａおよび４Ｂはまた、分岐した燃料および酸化剤多岐管４１２、４１４の提供を示し、図４Ｂの説明図は、それらの一般的関係と、燃料および酸化剤の入力および出力の配設の概略的実施例とを図示するように、第２の多岐管４１４および第１の多岐管４１２をオフセットする。
【００３８】
図４Ａ-Ｂに図示されるように、陰極層は、基材上に堆積させることができるが、堆積の順番は、基材上に堆積された陽極層により、逆転させることができると理解されたい。さらに、種々の実施形態では、陰極・固体酸化物電解質・陽極の燃料電池コア構造が３次元積層で配設され、種々の基材材料層が、燃料電池コアの１つの層のためのキャップおよび／または多岐管と、燃料電池コアの別の層のための基材とを形成することを理解されたい。また、陰極／水素チャネル対陽極／酸素チャネルの指定は多様となることができ、どの空間がどの目的を果たすかを決定するために、設計配慮がなされることも理解されたい。例えば、種々の実施形態では、「最上部」多岐管４１４の下の分岐空隙が、下側の空隙４１２（ここではシリコンウエハとして図示される、ほぼ基材の厚さである）よりも有意に薄い場合、リソグラフィ製造は、より単純となり得る。種々の実施形態では、電池を冷却するように、過度の空気が所望され、電池に供給されてもよく、この目的で、より大きい空間が使用されてもよい。本発明の燃料電池構造は、種々の技法で製造することができる。これらの技法および方法のうちの種々のものを、図５Ａ〜５Ｅと関連して論議する。
【００３９】
図５Ａ〜５Ｅを参照すると、種々の実施形態では、燃料電池は、基材４０８、４１０上のパターン化した多孔質陰極層４０６の形成、陰極層上のパターン化した固体酸化物電解質層４０２の形成、および電解質層上のパターン化した多孔質陽極層４０４の形成によって、形成することができる。層の形成の間、全ての層が形成された後、またはそれらの組み合わせで、燃料または酸化剤多岐管を形成するために使用することができるチャネル５０２を形成するために、エッチングプロセスを使用することができる。種々の実施形態では、レジスト５０４を堆積させ、レジストの上に別の層５０６、例えば、金属層を堆積させることによって、多岐管用の一連のチャネルを形成することができる。付加的なレジストを基材５０８の裏面に堆積させることができ、燃料電池コアの陽極層側への酸化剤の送達用の多岐管５１０と、陰極層側への燃料の送達用の多岐管を形成するために使用され得る第２の一連のチャネル５１２とを提供するように、１つ以上のステップで材料をエッチングすることができる。種々の実施形態では、図５Ｅを参照すると、ガス進入および排出用の穴を有する別の層５１４（例えば、シリコンウエハ）を、基材４１０の裏面５０８に結合することによって、燃料電池コアの陰極側への燃料の送達用の多岐管が提供される。
【００４０】
種々の実施形態では、多岐管構造を燃料電池の積層に統合することができる。例えば、図６を参照すると、種々の実施形態では、例えば、図５Ｅに図示されるように、基礎基材構造６０２に対して、複数の燃料電池のコアを配置することによって、３次元燃料電池構造を形成することができる。キャップ構造６０４は、燃料電池コアを覆って配置され、後続のコアに対する基盤としての機能を果たすことができ、したがって、種々の実施形態では、例えば、積層に統合された多岐管とともに、一連の積層燃料電池を提供する。種々の実施形態では、キャップ構造６０４のスペース６０６は冷却剤を提供するために使用され得る。
【００４１】
燃料および酸化剤ガスは、いくつかの方法で燃料電池積層に提供することができる。種々の実施形態では、流動インピーダンスが各電池を通して実質的に同じであるように、ガス排出が積層の最下部に運び出される。種々の実施形態では、例えば、最下部基材に溝をエッチングし、積層の異なる穴を通して排ガスを連れ戻すことによって、積層の同じ側面上に進入するガス管線の単純性を保ちながら、この効果を生成することができる。
【００４２】
陽極／電解質／陰極の３層を種々の方法で形成することができると理解されたい。例えば、種々の実施形態では、３つの層のうちの２つが、基材（例えば、シリコンウエハ）の一側面上に形成され、その場合、固体酸化物電解質層が基材上に形成され、電極層のうちの１つが電解質層上に形成される。電解質層を露出させるように、基材の裏面（電解質層がない側面）をエッチングすることができ、他方の電極層を電解質層上に形成することができる。例えば、種々の実施形態では、このプロセスは、基材表面よりも粗くなり得る（より大きい二乗平均平方根表面粗度）多孔質電極層よりもむしろ、基材表面上で電解質を支持する。種々の実施形態では、このことは、電解質層をより薄くすることを促進し、例えば、種々の実施形態では、伝導性となるように選択することができる基材（例えば、ドープされたシリコンウエハ等）に接触するように、最下部電極を形成することができるため、電池を直列で電気的に接続することを促進することができる。
【００４３】
例えば、図７Ａ−Ｄを参照すると、種々の実施形態では、パターン化した固体酸化物電解質層７０２が、基材７０４、７０６（例えば、シリコン７０６上の酸化シリコン７０４）上に形成され、第１のパターン化した多孔質電極層７０８が、電解質層７０２上に形成される。製造は、チャネル７１０を形成し、電解質層の裏面および電解質層上に形成される第２の多孔質電極層７１２を露出させるように、基材の裏面のエッチングを進めることができる。第１の多孔質電極層７０８へのガスの送達用の多岐管を形成するために、チャネルを有するキャップ構造７１４を使用することができる。種々の実施形態では、例えば、冷却ガスを送達するために使用することができる、空間７１６を提供するように、チャネルがキャップに形成される。
【００４４】
種々の実施形態では、金属層７１８を形成し、例えば、上方の電極層と上側のキャップ７１４との間で接触するために使用することができ、それは順に、別の一連の燃料電池コアに対する基礎基材としての機能を果たしてもよい（例えば、図８参照）。種々の好ましい実施形態では、多孔質電極層とキャップとの間で良好な電気接触を行うように、金属層７１８は、十分に正確な厚さで、および／または十分に可鍛性の金属で形成される。
【００４５】
種々の実施形態では、多孔質電極層は、十分に可鍛性であり、および／または、第１の多孔質電極層７０８の厚さ、および隣接キャップ７１４における対応するエッチングの深度は、第１の多孔質電極層（例えば、陰極）とキャップ（例えば、隣接シリコンウエハ）との間に直接接触を提供するように十分な精度で形成される。
【００４６】
図８は、図７Ａ−Ｄで図示される燃料電池コアを燃料電池の積層に統合する、多くの可能な実施形態のうちの１つを示す。例えば、図６を参照すると、種々の実施形態では、例えば、図７Ｄに図示されるように、例えば、第２の多孔質電極層へのガスの送達用の多岐管を形成する、基礎基材構造８０２に対して、複数の燃料電池のコアを配置することによって、統合３次元燃料電池構造を形成することができる（ここでは、水素である燃料が図示され、第２の電極層は陰極と見なされ、第１の電極層は陽極と見なされる）。キャップ構造７１４は、後続のコアに対する基盤としての機能を果たし、したがって、種々の実施形態では、例えば、積層に統合された多岐管とともに、一連の積層燃料電池を提供する。
【００４７】
図９Ａ−Ｄを参照すると、交互配置設計を有する、統合燃料電池積層の別の実施形態が示されている。図９Ａ−Ｄでは、積層は、固体酸化物電解質層９０２と、多孔質陽極層９０４と、多孔質陰極層９０６と、電気絶縁体層９１０（例えば、シリコン基材材料上の二酸化ケイ素）および／または導電性層９２０を含むことができる、種々の基材９０８とを含む。図９Ｂ-Ｄは、交互配置およびガス送達を図示する、種々の断面図であり、図９Ｂは、積層の「奇数」層を通る断面であり、図９Ｃは、積層の「偶数」層を通る断面であり、両方の図が、チャネル９１２および陰極層９０６へのガス送達用の複数の層を通る穴９１６、チャネル９１４および陽極層９０４へのガスの送達用の複数の層を通る穴９１８を示す。図９Ｄは、多岐管へのガスの供給および多岐管からの排出の実施形態を図示する。
【００４８】
図９Ｅ-Ｈは、例えば、図９Ａの構造を提供する際に使用可能である、燃料電池コアを形成するステップの種々の実施形態を概略的に示す。種々の実施形態では、パターン化した固体酸化物電解質層９０２が、基材９０８の電気絶縁表面９１０上に形成され、第１のパターン化した多孔質電極層、例えば、陽極層９０４は、電解質層上に形成される。パターン化した導電性層９２０が形成される。基材に一連のチャネル９２２および穴９２４を形成し、電解質層の裏面を露出させるために、エッチングが使用される。次いで、第２の多孔質電極層、例えば、陰極層９０６が、電解質層の裏面に形成される。
【００４９】
種々の実施形態では、多孔質電極および／または固体酸化物電解質層を形成するステップは、電子ビーム蒸着、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ助長化学気相堆積（ＰＶＤ）、電気化学気相堆積（ＥＶＤ）、電子ビーム蒸着、スパッタリング（例えば、熱蒸発器、プラズマ、レーザ、ＲＦスパッタリング、反応性スパッタリング等による）、および分子線エピタキシー（ＭＢＥ）のうちの１つ以上を含む。例えば、種々の実施形態では、多孔質電極および／または固体酸化物電解質層を形成するステップは、１つ以上のドーパント、１つ以上のセラミック酸化物、またはそれらの組み合わせの同時スパッタリングを含む。種々の実施形態では、多孔質電極および／または固体酸化物電解質層を形成するステップは、１つ以上のドーパント、１つ以上のセラミック酸化物、またはそれらの組み合わせの同時蒸着を含む。種々の実施形態では、約５×１０−７トール、約３×１０−７トール、および／または約１×１０−７トール未満のうちの１つ以上の真空条件下で、多孔質電極および／または固体酸化物電解質層を形成するように、材料が堆積される。
【００５０】
固体酸化物電解質層は、例えば、約数ミクロン、数十ミクロン、数百ミクロン、およびそれ以上等の、ナノメートル尺度よりも実質的に大きい横方向寸法を有することができると理解されたい。種々の実施形態では、例えば、シャドウマスキング、フォトリソグラフィ、スクリーン印刷等を使用して、指向性プロセス（例えば、スパッタリングまたは他の真空堆積、ドライエッチング）を行うことができ、フォトリソグラフィまたはスクリーン印刷を使用して、無指向性プロセス（例えば、ウェットエッチング、原子層堆積）を行うことができる。
【００５１】
種々の実施形態では、理論にとらわれることなく、粒界の間に非晶相が実質的にない、ナノスケール薄膜の形成は、約３ｎｍ未満、好ましくは約２ｎｍ未満、より好ましくは約１ｎｍ未満の二乗平均平方根表面粗度を有する表面を伴う、および／または表面上での、電解質層の形成によって促進および／または提供することができると考えられる。
【００５２】
種々の実施形態では、例えば、化学的機械的研磨、熱アニール、イオン衝撃（例えば、Ａｒイオン等によるなどのうちの１つ以上によって、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、および／または約１ｎｍ未満のうちの１つ以上の二乗平均平方根表面粗度を伴う基材表面を提供することができる。種々の実施形態では、例えば、化学的機械的研磨、熱アニール、イオン衝撃（例えば、Ａｒイオン等による）などのうちの１つ以上によって、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、および／または約１ｎｍ未満のうちの１つ以上の二乗平均平方根表面粗度を伴う多孔質電極層を提供することができる。種々の実施形態では、例えば、化学的機械的研磨、熱アニール、イオン衝撃（例えば、Ａｒイオン等による）などのうちの１つ以上によって、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、および／または約１ｎｍ未満のうちの１つ以上の二乗平均平方根表面粗度を伴う固体酸化物電解質層を提供することができる。
【００５３】
二乗平均平方根表面粗度を決定するために、種々の技法を使用することができ、それらは、走査トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）、水平力顕微鏡法（ＬＦＭ）、近接場走査型光学顕微鏡法（ＳＮＯＭ）、磁気力顕微鏡法（ＭＦＭ）、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）、および干渉顕微鏡法（ＩＭ）を含むが、それらに限定されない。現在のところ、ナノメートル尺度での表面計測の測定は困難であり、そのような測定を評価する時には、そのような測定の誤差、特有の不確実性および正確性が考慮されることを理解されたい。種々の測定プロトコルの例およびナノメートル尺度の計測についてのさらなる情報は、例えば、米国規格協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＡＮＳＩ））ＡＳＴＭ  Ｆ  １４３８、ＡＮＳＩ  Ｂ４６．Ｉ標準、米国機械学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（ＡＳＭＥ））ＡＳＭＥ  Ｂ４６．１標準、国際標準化機構（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ（ＩＳＯ））（Ｌ'Ｏｒｇａｎｉｓａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ  ｄｅ  ｎｏｒｍａｌｉｓａｔｉｏｎ）ＩＳＯ  ４２８７、４２８８標準、およびドイツ工業規格（Ｄｅｕｔｓｃｈｅｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  ｆｕｒ  Ｎｏｒｍｕｎｇ）（ＤＩＮ）ＤＩＮ  ４７６２標準との関連で見出すことができる。
【００５４】
種々の実施形態では、第１の固体酸化物材料の薄膜堆積により、厚さ約５ｎｍ未満の第１の外側固体酸化物電解質層を形成し、それに続いて、第１の外側固体酸化物電解質層上の第２の固体酸化物の薄膜堆積により、第１の内側固体酸化物電解質層を形成し、それに続いて、第３の固体酸化物材料の薄膜堆積により、厚さ約５ｎｍ未満の第２の外側固体酸化物電解質層をすることによって、固体酸化物電解質層を製造することができ、第３の固体酸化物材料は、第１の材料と実質的に同じとなり得る。種々の実施形態では、第１および第３の固体酸化物材料は、実質的にイオン伝導体のみである固体酸化物から本質的に成り、第２の固体酸化物材料は、イオン伝導体および電子伝導体の両方である、固体酸化物である。
【００５５】
図１０Ａ〜１０Ｅを参照すると、種々の電解質構造の写真、例えば、図１０Ｂ、１０Ｄ、および１０Ｅが、写真の理解を促進するように、概略図、例えば、図１０Ａおよび１０Ｃとともに示されている。図１０Ａ〜１０Ｄでは、例えば、ＹＳＣ固体酸化物電解質層１００８上の堆積からの窒化ケイ素層１００６（基材が除去されている）の一部分の除去の前に、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）被覆１００４を有するシリコン基材１００２で製造された構造が示されている。電解質層を示すことを妨害しないよう、図１０Ａ-Ｅでは電極層が示されていない。図１０Ｂおよび１０Ｄの固体酸化物電解質層は、厚さ約２００ｎｍである。相互接続を図示するように、電気接点、例えば、Ｐｔ電極１０１０および接点（Ｔｉ／Ｐｔ）１０１２も製造されている。
【００５６】
図１０Ｅは、ミクロン尺度範囲の種々の横方向寸法および２００ｎｍ以下の範囲の厚さを伴う、複数のＹＳＺ膜の固体酸化物電解質層１０２０による構造の写真である。図１０Ｅの固体酸化物電解質層は、厚さ約１７０ｎｍである。
【００５７】
（実施例）
実施例１：イットリアドープジルコニア固体酸化物電解質層
本実施例は、本発明の種々の実施形態に従って形成される固体酸化物電解質層についての実験データを提供し、これらの層の種々の性質を実証し、それらをより従来型の層と比較する。ＭｇＯ基材上の堆積によって固体酸化物電解質層を形成して試験し、Ａｌ２Ｏ３基材上の堆積によって層を形成して試験した。さらなる詳細は、発表された論文、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ８９，１８３１１６  （２００６）に見出すことができる。
【００５８】
（材料および方法）
様々な厚さのイットリアドープジルコニア薄膜を堆積させるための基材として、単結晶ＭｇＯ（１００）（ＭＴＩ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入）を使用した。０．５オングストローム／秒（Å／ｓ）の推定堆積速度で室温にて、基材に電子ビーム蒸着によって、薄膜堆積を実行した。原料として、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）（９．５モル％イットリア）断片を使用した。ＭｇＯ基材を、最初に、アセトン、メタノール、後に脱イオン水で洗浄し、次いで、電子ビームチャンバ中の原位置で３０分間、６００℃まで加熱処理した。ラザフォード後方散乱および低角度Ｘ線散乱を使用して、薄膜厚さを測定した。１７、３５、７０、および２１０ｎｍの厚さを伴うＹＤＺ薄膜を、基材上に形成した。
【００５９】
一連の薄膜を、大きさが１０×１０ｍｍ２であるＭｇＯ（１００）単結晶基材上に堆積させた。マスクを使用して、薄膜面積を８×８で固定した。ＭｇＯについてこの実施例で説明される本質的に同じ手段を使用して、一連の薄膜を、（０００１）Ａｌ２Ｏ３基材上にも堆積させた。
【００６０】
加熱炉に組み込まれた機械加工されたアルミナサンプルホルダを含み、導線は純白金製の、高温設備を使用して、熱処理された薄膜上で電気伝導度測定を実行した。
【００６１】
（データおよび考察）
電気伝導度測定後に記録された、厚さ２１０ｎｍの薄膜のＸ線回折データを図１１に示す。この厚さ２１０ｎｍの薄膜およびより薄い厚さの薄膜における、相の検査は、イットリアドープジルコニアが部分安定化していることを示す。図１１で見られる、付加的な回折ピークは、それぞれＰＴおよびＭｇＯ表記によって示されるような、白金電極およびＭｇＯ基材によるものである。
【００６２】
ＭｇＯ上で成長させられた、種々の厚さの薄膜の全伝導度のアレニウスプロットを図１２に示し、凡例が図中に挿入されている。図１２の挿入図は、基材１２０２、薄膜１２０４、アルミナサンプルホルダ１２０６、電極１２０８、および白金導線１２１０を示す、実験装置の概略図である。「単結晶ＹＳＺ」という表記によって示された、１０％ＹＳＺの単結晶の電気伝導度も、比較のために図１２に示す。２１０ｎｍほどの厚さの多結晶サンプルでも、単結晶値に近い高伝導度が観察される。バルク多結晶値と比較した時のこれらの値は、より高く、かつ界面効果に起因する。厚さ１７ｎｍの薄膜については、全伝導度向上は、この実施例では、単結晶ＹＳＺよりもほぼ１桁分高く観察された。
【００６３】
ＭｇＯ上に堆積され、種々の温度で記録された、厚さ１７ｎｍの薄膜のサンプル複素インピーダンススペクトル（ナイキスト線図）を、図１３に示す。同等の回路の実施例を、挿入図１３０２として図１３に示す。薄膜におけるイオン伝導に対応する、１つの半円アークが、高周波数および中間周波数において観察される。より低い周波数では、位相角を伴う短い直線の形成が観察され、理論にとらわれることなく、白金電極および関連電極プロセスの部分的無孔性に起因する。最大で約２１０ｎｍの厚さまでのより大きい厚さのサンプルについて、同様の結果が観察された。
【００６４】
ベアのＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３基材の抵抗を、同一条件下で系統的に測定し、サンプルよりも有意に高いことが分かり、伝導度値は、ＹＳＺよりも約５〜６桁小さく、さらに、より高い活性化エネルギーを有する（ＭｇＯは約１．３電子ボルト（ｅＶ）およびＡｌ２Ｏ３は約１．６７ｅＶ）。薄膜サンプルにおいて観察された酸素イオン移動の活性化エネルギーは、ほぼ１．１ｅＶであることが分かり、バルクＹＳＺで通常に観察される活性化エネルギーとよく合致する。
【００６５】
ＭｇＯ／ＹＳＺ界面によって果たされる役割をよりよく理解するために、厚さ１７ｎｍの薄膜もＡｌ２Ｏ３（０００１）上で成長させ、前述のような同一の熱処理および伝導度測定を行った。アルミナ基材上のＹＤＺ薄膜の伝導度の結果も、図１３に示されており（白抜き星印によって表されたデータ）、ＭｇＯ基材上で成長させられた薄膜と同様と見られる。
【００６６】
周波数（ｆ）および温度の関数としての種々のイミタンスパラメータを分析することによって、薄膜における伝導緩和機構をさらに調査した。電気係数から、その内側でイオン輸送が長距離であり、その上側では局限される、周波数ドメインを識別することができる。イオン輸送プロセスは、周波数の関数としての係数（Ｍ”）の虚数部におけるピークを表し、誘電率（ε”）の虚数部におけるそのようなピークは表さない。ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３上に堆積されたイットリアドープジルコニア薄膜には、７００〜９４０℃の温度範囲のε”対ｆプロットでピークがないことが観察された。しかしながら、全てのサンプルは、対応するＭ”対ｆプロットにおいて明確なピークを示す。
【００６７】
本明細書で開示されるようなもの等の固体酸化物型燃料電池が高温で動作するため、燃料電池積層は、熱遮蔽を提供するように被包化される必要がある。
【００６８】
１０Ｗの電気出力について、これは、約２ｃｍ３の完全電池積層を意味し、それは、妥当な組立の制約内での最小表面積として、約１３ｍｍの立方体を意味する。５０〜７０％変換効率において、１０Ｗの産生された電力は、４〜１０Ｗの消散電力を伴う。このセクションは、熱遮蔽のためにこの積層をどのように被包化するのかと、室温におけるガス管線および電気接点への便利なアクセスとを説明し、目標はプラグインモジュールである。
【００６９】
考慮されなければならない、電池からの熱損失に対する４つの構成要素があり、それらは、絶縁材を通したもの、支持構造を通したもの、電気接点を通したもの、およびガス（燃料および空気）を介したものである。それらの合計をすでに消散している４〜１０Ｗの熱出力に抑制する目的で、各々を個別に論議する。電力の範囲が以下のセクションで示される場合、下端は３００℃動作に対応し、上端は５００℃に対応する。
【００７０】
（絶縁材）
絶縁材は、積層の全表面積（約１０ｃｍ２）を包囲しなければならないため、最も厳密な要件を有する。この絶縁材に対する２つの基本戦略は、多孔質材料（おそらくシリカエアロゲル）または真空であるが、ハイブリッドアプローチのいくつかの考えられる利点がある。
【００７１】
「不透明な」（赤外光を強力に吸収し、再放射するためにある材料に注入された）エアロゲルは、約３００〜５００℃から室温までで約２０ｍＷ／ｍ・Ｋほどの低さの熱伝導度を有することができ、そのおよそ５０％が放射によるものであり、１０％が固体伝導、４０％がガス伝導である。このことは、効果的な表面積が絶縁材の厚さとともに増加するため、厚さ２ｍｍのエアロゲルについて約４〜７Ｗ、または４ｍｍについて２．５〜４Ｗをもたらす。（このことは、Ｐ＝κＡ・ΔＴ／ｔ（電力＝伝導度×面積×温度差／厚さ）という関係にあまり従わないことに留意されたい。近似公式は、Ｐ＝κＡ・ΔＴ［１／ｔ＋２／ｗ］であり、式中、ｗは積層の幅である。）この消散は、すでに十分に低い場合があるが、約１ｍバールまで空気を送出することによって、ガスの寄与を排除することができ、４ｍｍのエアロゲルを通して、消散を約１．５〜２．５Ｗまで低下させる。
【００７２】
積層を包囲する空洞から単に空気が抜かれた場合、残存ガスを通した放射および伝導を介して、壁への熱輸送が発生する。放射は、Ｐ＝σεＡ（Ｔｈ４−Ｔｃ４）に従い、σはシュテファン・ボルツマン定数、εは積層の放射率、Ｔｈ，ｃはケルビンでの高温および低温である。最初に、電気絶縁体（ガラス等）で、次いで、金属（酸化した場合に放射率があまり変化しないため、おそらく亜鉛）で積層を被覆することによって、約０．１の放射率が達成可能となるべきである。より大きい表面積を有するため、外壁の放射率はあまり重要ではないが、金属被覆から多少利益を得る。これは、０．６〜２．０Ｗの電力を生じる。原則として、この消散をさらに減少させるように、１つ以上の箔層（超断熱材として知られている）が、積層と外壁との間に挿入されてもよいが、追加複雑性のため、これはおそらく価値がない。
【００７３】
残留ガスの伝導度は、その構成分子の平均自由行程λが、高温および低温表面の間の距離より長くなるまで、実質的に減少せず、その時点で距離は無関係となる。これに対する近似式は、Ｐ＝κＡΔＴ／（ｔ＋λ）である。空気は、約２５ｍＷ／ｍ・Ｋの伝導度を有し、大気圧から１ｍバールまで下がって２ｍｍ間隙にわたって３．８〜６．３Ｗの消散をもたらし、次いで、０．１ｍバールにおいて０．８〜１．３Ｗ、および１０−２ｍバールにおいて１１０〜１７０ｍＷまで降下する。したがって、エアロゲルよりも真空で良好な絶縁を達成できることが明確であるが、高温積層の周辺で１０−２ｍバール以下の圧力を持続することは、ポンプの余裕なしでは実用的ではないことが分かってもよい。この圧力を維持するのを支援するために、室温で、チャンバの延長部における小型吸収体を使用することができる。また、真空が使用される場合には、強力で漏れない外側ケーシングが必要とされる。これは、図１４に示されるように、２つの部品で製造され、積層２００２の支持構造に融合される、ボックス２０００ほどに単純となり得る。この設計の１つの潜在的不利点は、ガラスボックスの下方の部品に対する非平面シールである。いずれにしても最終的な支持構造がより複雑な形状を必要とするという事実を利用する、これに対する解決法が以下に提示され、それは、ボックス材料についても論議する。ボックスは、弁を通して送出されてもよく（後で再送出するために）、または、永久シールが容認可能であれば、加熱され、送出後に挟持される突出ガラス管を単純に通して送出されてもよい。この送出ポート２００４は、密閉縁から離れたガラスボックス上のどこにも配置され得る。
【００７４】
（支持構造）
いくつかの固体材料は、積層２００２を外側に接続すること、それを定位置で担持すること、ならびにガスおよび電気接続を運ぶことを要求される。この接続のための材料は、強力であるが最小熱伝導度を伴うべきであり、原則として、導電体および絶縁体の混合であり、電気接点としても機能することができるが、明確となるように、導電体は、非常に薄くなる必要があり、十分に強くなる必要はない。より良好な選択肢は、独自の熱伝導を最小限化するように絶縁支持材を設計し、次いで、電気接点のために、その上に薄い伝導体をめっきすることである。
【００７５】
ガラスは、あらゆる高密度固体の中でほぼ最低の熱伝導度を有し、的確なガラスを選択して、最大でも１Ｗ／ｍ・Ｋの室温から５００℃までの平均値を期待することができる。１ｍｍ×１ｃｍの断面積および２ｍｍの厚さ（外壁から積層まで）を想定すると、ガラスは、１．５〜２．５Ｗを伝導する。断面を減少させるように適切な穴を切り取ること、または室温と積層との間のより長い工程を選択することによって、これを１Ｗ以下に低減することができるはずである。
【００７６】
（導線）
ヴィーデマン・フランツの法則は、材料の電気および熱伝導度に関し、κ／σ＝ＬＴであって、式中、Ｌ＝π２ｋ２／３ｅ２＝２．４５×１０−８ＷΩ／Ｋ２である。伝導電子が熱の主要担体でなければ悪い働きをする材料を作製することが容易であるが、電子を何らかの非熱的分布に入れることができない限り（例えば、超電導体の中）、それは良い働きができると思われない。熱および電気伝導率が形状とともに同様に上がるため、この法則は、平均温度を使用して展開形でも適用でき、Ｇｔｈ／Ｇｅｌ＝ＬＴｍｅａｎである。２つの導線が与えられると、これは、熱的伝導電力とジュール加熱電力との間の関係を生じ、Ｐｔｈ＝４Ｉ２ＬＴｍｅａｎΔＴ／Ｐｅｌである。ＰｔｈおよびＰｅｌの両方が損失であるため、それらの合計を最小限化すると、１本の導線あたりの抵抗Ｒ＝（ＬＴｍｅａｎΔＴ）１／２／Ｉにおいて、Ｐｅｌ＋ｔｈ＝４Ｉ（ＬＴｍｅａｎΔＴ）１／２をもたらす。我々の１０Ｗ積層が１Ａで動作する場合（直列の約１５個の電池に対応する）、これは、Ｒ＝０．０５〜０．０８ΩとともにＰｅｌ＋ｔｈ＝２３０〜３２０ｍＷをもたらす。しかしながら、熱出力が積層自体における非効率によってすでに生成されている一方で、ジュール加熱は電気が生成された後の損失であるため、より低いジュール加熱およびより高い熱伝導率を伴うシステムを設計することを好んでもよい。加えて、この電力損失は、電力とともに上がるため、積層中の電池の数を増加させることによって低減することができる。
【００７７】
良好な金属は、１０−８〜１０−７Ω・ｍの範囲の抵抗率を有し、１０ｍｍの長さおよび１ｍｍの幅を選択した場合、これは、１〜２０μｍの範囲の厚さを暗示する。そのような厚さは、製造しやすく、外側（頑丈な接触のため）および内側（積層における最小損失のため）のより厚いセクションに嵌合させることができる。
【００７８】
（ガス輸送）
反応のために、燃料および空気が積層温度まで加温される必要がある。各入力流について、モル流量Ｑ＝Ｐ／（ＦＶｎｘ）を計算することができ、式中、Ｐは出力電力であり、Ｆはファラデー定数（９６５００Ｃ／モル）であり、Ｖは１つの電池の電圧、ｎは１モルあたりの電子の数（Ｏ２では４、Ｈ２では２、ＣＨ４では８等）、ｘは活性種のモル分率である。空気中のＯ２についてはｘ＝０．２、Ｈ２については１である。ｘは、他の燃料については、例えば、内部改質を促進するためにそれらを加湿する必要がある場合に、１未満であってもよい。活性種が完全に消費されない場合（例えば、空気の過剰供給）、これは、ｘをさらに減少させるが、次の分析から外される。また、入力および出力流が異なるモル流量を含有してもよいという事実も外される。空気流は、より少ないＯ２を含有するが、８０％のＮ２が影響を受けないため、これはおそらくわずかな影響である。より重要なことには、Ｈ２以外の燃料が使用される場合、燃料流は、より多くの分子を含有する（例えば、ＣＨ４がＣＯ２＋２Ｈ２Ｏを生じる）。このことは、排気が供給よりも高い熱容量を有し、排気が供給を完全に加熱し、依然として過剰な熱を運び出すことができることを意味する。このことを見る最も簡単な方法は、温度の関数としての改質反応の変化するエネルギー論の結果として見ることである。一般に、改質反応は、積層中でいくらかの熱を生成し、それは、室温におけるよりも、より高い温度において少ない。この論議は、どの燃料が選択されるのかに大部分は無関係であるため、いずれか一方の熱源を定量化するつもりはないが、両方が、少量の電力となり、熱管理問題をわずかに平易にすることに留意されたい。
【００７９】
６０％効率における１０Ｗ積層について、モル流量は、空気では１．８×１０−４モル／秒、Ｈ２では７×１０−５モル／秒、他の燃料ではより少ない。これらの流量を加熱するために必要とされる電力は、Ｐｇａｓ＝ＱｃｐΔＴであり、式中、ｃｐは定圧における熱容量であり、ほとんどの単純ガスでは約３０Ｊ／モル・Ｋである。これは、空気では１．６〜２．７Ｗ、Ｈ２では０．６〜１．０Ｗ、他の燃料ではいくらかより少ない量をもたらす（ｎはより大きいが、より大きいガス分子のｃｐも大きい）。
【００８０】
入力および出力ガス流が、熱交換構成において相互を越えて送られる場合、排気を冷却することによって、入力流を加熱する電力のいくらかを得ることができる。熱交換器が、長さｌおよび幅ｗとともに、厚さｔの障壁によって分離された、高さｈの２つの逆伝搬流としてモデル化される場合、Ｐｇａｓは、おおむね因数１＋ｌｗ／［Ｑｃｐ（ｔ／κＢ＋ｈ／κＧ）］だけ減少する。κＢおよびκＧは、障壁およびガスの熱伝導度であるが、ガスを混合しようとすると、有効なｈ／κＧが劇的に低減する場合がある。この期間（すなわち、完全混合）を無視すると、厚さ０．１ｍｍのガラス（κＢ＝１Ｗ／ｍ・Ｋ）によって分離される１対の２ｍｍ×５ｍｍチャネルは、空気流中の熱の９５％を交換する。しかし、混合がなければ、空気には約４０ｍＷ／ｍ・ＫｍのκＢしかないため、チャネルが高さ０．２ｍｍである場合、同デバイスは熱の２５％しか除去しない。大幅な混合が可能ではない場合、より複雑な支持構造が必要とされてもよく、それらは、積層から室温までの道をうねって、より大きい熱交換を可能にする。燃料側のより低いＱは、加熱電力を減少させることに加えて、熱交換をより効率的にすることに留意されたい。
【００８１】
表１は、上記で説明される熱損失の４つのカテゴリからの主要な数字をまとめ、４つの異なるシナリオ（３００℃または５００℃、および真空またはエアロゲル絶縁材）についてそれらを合計し、１０Ｗ出力を考慮すると、既述のように、または注釈列中で推奨される改良による熱損失の予想５０％低減を伴って、この熱流量を維持する積層の最大動作効率を計算する。
【００８２】
【表１】
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我々の標的が６０％効率である場合、５００℃でさえも、少しばかり余分な努力のみでこの目標を達成することができる。熱損失および電流／電圧／温度特性の両方がシステムを安定化させることに留意されたい。積層は、過度に効率的に動作している（すなわち、消散の平衡を保つことに十分な余分熱を産生していない）場合、冷却し、それにより、生成される熱が消散される熱の平衡を保つまで、増加した電解質および電極の過電圧による熱生成を増加させるのと同時に、熱輸送を減少させる。同様に、積層は、過度に非効率に動作している場合、加熱し、熱輸送を増加させて熱生成を減少させる。しかしながら、このフィードバックは、一定の電力を引き出すことを必要とする。このフィードバックが不適切に高い積層温度を生じる程度まで絶縁材を改良した場合、過剰な空気を供給することによって、熱損失を常に増加させることができる。
【００８３】
（統合積層被包化設計）
以下は、これらの発想をまとめ、支持、ガスの取り扱い、および導線を統合する  相互接続構造とともに、絶縁シェルの内側の積層の単純密閉を可能にする、より詳細な被包化設計である。この相互接続構造は、３つの層で作製される。２つのガラス層は、それらに切り込まれる、またはエッチングされるガスチャネルを有し、積層から室温への熱的接触を低減するように、それらに穴が切り開かれる。これらのガラス層は、同様にガラスであってもよく、または薄い金属箔であってもよい、薄い熱伝達層を挟装する。これらの３つの層は、共に融合され、それらに適用される導線を有し、燃料電池積層に結合され、最終的に、この全構造は、被包化シェル内に結合される。
【００８４】
図１５Ａ-Ｄは、３つの層がどのように見えるかを概略的に示す。図１５Ａは、最上部ガラス層を示し、図１５Ｂは、熱交換層を示し、図１５Ｃは、最下部ガラス層を示す。図１５Ｄは、電極が最上部および最下部にあり、燃料および空気開口部が端にある、接続タブの側面図である。各層は、それに切り込まれたわずかに異なるチャネルまたはガス流穴を伴う、同じ起伏のある形状を有する。中心正方形領域２００６が燃料電池積層の最上部を覆い、最下部層が積層に直接結合される。外側周縁が外側シェルに組み込まれ、これは、一方が空気用、もう一方が燃料用といった、２つの熱交換器アームを介して、中心正方形に接続される。これらの熱交換器は、逆伝搬ガス流の間の熱伝達を最大限化しながら、それらができているガラスにおける熱伝導を最小限化するために、高温と低温との間の間接経路を通る。最も単純な構成では、積層に対するガスおよび電気接続の全てが、単一タブ（接続タブ）上に現れて、被包化された積層の容易な設置および交換を促進するように、２つの交換器は室温へと退出する際に一緒になる。熱交換器に加えて、必要であれば、積層と外側周縁との間に別の間接接続を残すことによって、さらなる強度を達成することができる。
【００８５】
図１５に示されるような相互接続構造では、外側ケースの最上部および最下部の部品の両方は、平坦な結合表面を伴って作製され得る。これらの部品は、ガラスでも作製され得、概念的には、これらの部品が相互接続構造に直接融合されてもよいため、これが最も単純な選択肢である。しかしながら、決して高温にならない場合には、ほぼあらゆる材料が使用され、相互接続構造に接着されてもよいが、絶縁材の空気が抜かれるならば真空適合性でなければならない。組立プロセスを図１６に示す。図１６Ａでは、３つの相互接続構造層がともに融合される。図１６Ｂに示されるように、相互接続構造が積層２００２の上に融合される。その後、図１６Ｃに示されるように、積層の側面を電気的に絶縁し、積層の最下部を相互接続構造の最上部に接続する（おそらく、金属塗料により）。図１６Ｄに示されるように、外側ケーシングが調製され、エアロゲルが、選択された場合、挿入される。図１６Ｅに示されるように、相互接続構造および積層が外側ケーシング（ならびに、真空が選択された場合はポンプおよびシール）に融合される。
【００８６】
図１５の相互接続構造を使用して、支持構造による熱損失およびガス輸送は、両方とも、表１で挙げられる値と比べて低減される。示されるように、ガラス支持構造（２ｍｍ２の断面で長さ約１５ｍｍ）は、約４０〜７０ｍＷを伝導し、熱交換器は、空気中の熱負荷の少なくとも５０％を除去して、熱負荷の最大でも１．１〜１．８Ｗを残す。次いで、熱負荷は、真空絶縁では２．０〜４．２Ｗ、エアロゲルでは３．９〜６．２Ｗとなる。次いで、この設計は、表１の「低損失」の場合よりもわずかに良好である。５００℃でさえも、エアロゲル絶縁により、６２％効率を持続することができる。
【００８７】
特許、特許出願、論説、本、論文、論述、およびウェブページを含む、本出願で引用される全ての文献および同様の資料は、そのような文献および同様の資料の形式にかかわらず、それらの全体が参考として明示的に援用される。援用される文献および同様の資料のうちの１つ以上が、定義された用語、用語の使用法、説明された技法などを含む、本願と異なるか、または矛盾する場合には、本願が優先となる。
【００８８】
本明細書で使用される項の見出しは、組織目的のみであり、決して説明される主題を限定すると解釈されるべきではない。
【００８９】
種々の実施形態および実施例と併せて本発明を説明したが、本発明がそのような実施形態または実施例に限定されることは意図されない。それとは逆に、本発明は、当業者によって理解されるような、種々の代替案、修正、および均等物を包含する。したがって、説明、方法、および図は、その趣旨の記述がない限り、説明された要素の順番に限定されるものとして読まれるべきではない。
【００９０】
本開示は、本発明のある好ましい実施形態を説明および図示しているが、本発明がこれらの特定の実施形態に制限されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、説明および図示されている、具体的実施形態および特徴の機能的または機械的均等物である、全ての実施形態を含む。
【００９１】
請求項は、その趣旨の記述がない限り、説明された順番または要素に限定されるものとして読まれるべきではない。添付の請求項の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の種々の変更を行ってもよいことを理解されたい。したがって、以下の請求項および均等物の範囲内および精神内となる、全ての実施形態が請求される。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【国際調査報告】
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