(57)【要約】  平均厚さが約１００μｍ以下である機能層を有するＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性を有し、かつ、前記第１のタイプの多孔性は長さ：幅の所定のアスペクト比を有し、前記幅が前記機能層の厚さの大きさと実質的に一致するＳＯＦＣ単位セルを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均厚さが約１００μｍ以下である機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性を備え、前記第１のタイプの多孔性は長さ：幅の所定のアスペクト比を有し、前記長さが前記機能層の厚さの大きさと実質的に一致するＳＯＦＣ単位セル
を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。
【請求項２】
前記第１のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の著しい量で存在する、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３】
前記第１のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の少なくとも約５％の量、例えば、前記機能層の多孔性の総体積の少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％などの量で存在する、請求項２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４】
ランダムな配向を有する第２のタイプの多孔性をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項５】
前記第２のタイプの多孔性が、前記第１のタイプの多孔性よりも大きい量（ｖｏｌ％）で存在する、請求項４に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項６】
前記第１のタイプの多孔性が、前記第２のタイプの多孔性よりも大きい量（ｖｏｌ％）で存在する、請求項４に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項７】
水平方向の配向を有する第３のタイプの多孔性をさらに備える、請求項４に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項８】
前記機能層が該機能層の総体積の約４５ｖｏｌ％以下の多孔性、例えば、該機能層の総体積について約４０ｖｏｌ％以下または約３５ｖｏｌ％以下などの多孔性を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項９】
前記機能層が該機能層の総体積について少なくとも約５ｖｏｌ％の多孔性を備え、例えば、該機能層の総体積について少なくとも約１２ｖｏｌ％の多孔性など、例えば、少なくとも約１５ｖｏｌ％の多孔性、少なくとも約１８ｖｏｌ％の多孔性または少なくとも約２０ｖｏｌ％の多孔性などを備える、請求項８に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１０】
前記第１のタイプの多孔性が、約２５μｍ以下である平均細孔サイズ（例えば、約２０μｍ以下、約１５μｍ以下、約１２μｍ以下または約１０μｍ以下など）を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１１】
前記第１のタイプの多孔性の前記平均細孔サイズが少なくとも約０．０１μｍであり、例えば、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．０７μｍまたは少なくとも約０．１ミクロンなどである、請求項１０に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１２】
前記機能層が、前記第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも大きい平均細孔サイズを含む第２のタイプの多孔性を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１３】
前記機能層が、前記第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも小さい平均細孔サイズを含む第２のタイプの多孔性を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１４】
前記機能層が、前記第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズと実質的に同じである平均細孔サイズを含む第２のタイプの多孔性を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１５】
前記機能層が、約２５μｍ以下である平均細孔サイズ、例えば、約２０μｍ以下、約１５μｍ以下、約１２μｍ以下または約１０μｍ以下などの平均細孔サイズを有する第２のタイプの多孔性を備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１６】
前記平均細孔サイズが少なくとも約０．０１μｍであり、例えば、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．０７μｍまたは少なくとも約０．１μｍなどである、請求項１５に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１７】
前記機能層が約９０μｍ以下の平均厚さ、例えば、約８０μｍ以下、約７０μｍ以下、約６０μｍ以下、約５０μｍ以下、約４０μｍ以下または約３０μｍ以下などの平均厚さを備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１８】
前記機能層の前記平均厚さが少なくとも約１μｍであり、例えば、少なくとも約３μｍ、少なくとも約５μｍまたは少なくとも約１０μｍなどである、請求項１７に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１９】
前記ＳＯＦＣ単位セルがさらに、第１の電極を含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２０】
前記第１の電極が陰極を含む、請求項１９に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２１】
前記陰極が前記機能層と直接に接触している、請求項２０に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２２】
前記陰極が、前記機能層と直接に接触しているバルク層部分を含む、請求項２０に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２３】
前記バルク層部分が、前記機能層の多孔性（ｖｏｌ％）よりも大きい多孔性（ｖｏｌ％）を備える、請求項２２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２４】
前記バルク層部分が、前記陰極の一部を介してガス状化学種の送達するように構成される経路を含む、請求項２２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２５】
前記陰極が酸化物を含む、請求項２０に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２６】
前記陰極が希土類元素を含む、請求項２５に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２７】
前記陰極が、ランタン、マンガン、ストロンチウムおよびそれらの組合せからなる群から選択される元素を含む、請求項２６に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２８】
前記陰極がランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含む、請求項２７に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項２９】
前記陰極がさらに、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、請求項２８に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３０】
前記ＳＯＦＣ単位セルがさらに、機能層の上側に位置する緻密層を含む、請求項１〜２９のいずれか一項に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３１】
前記緻密層が電解質を含む、請求項３０に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３２】
前記電解質が酸化物を含む、請求項３１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３３】
前記電解質がジルコニアを含む、請求項３２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３４】
前記電解質がさらに、安定剤を含む、請求項３３に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３５】
前記安定剤がイットリアを含む、請求項３４に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３６】
前記電解質が該電解質の総体積について約１５ｖｏｌ％未満の多孔性を備える、請求項３１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３７】
電極と緻密層との間に配置される機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は約１００μｍ以下の平均厚さを有し、前記機能層の多孔性の一部分が、所定の長さおよび所定の幅を有し、ここで、前記長さは前記幅よりも大きい第１のタイプの多孔性を備え、かつ、前記第１のタイプの多孔性の大部分が垂直方向の配向を有し、長さの大きさにより、前記機能層の幅を規定する水平軸から約４５度よりも大きい角度を形成する細孔軸が規定されるＳＯＦＣ単位セル
を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。
【請求項３８】
前記細孔軸が、約４６度よりも大きい角度、約４８度よりも大きい角度、約５０度よりも大きい角度、約５２度よりも大きい角度、約５４度よりも大きい角度、約５６度よりも大きい角度、約５８度よりも大きい角度、または、約６０度よりも大きい角度を形成する、請求項３７に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３９】
前記機能層が、前記ＳＯＦＣ単位セルを形成するためのプレス成形操作の期間中に加えられる力の方向に対応する垂直軸を備え、前記垂直軸は前記水平軸に対して垂直であり、前記垂直軸は、前記機能層の厚さと平行する方向で延びる、請求項３７に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４０】
前記プレス成形操作がホットプレス成形操作を含む、請求項３９に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４１】
ガスが前記機能層の相互接続された経路の入り組んだ網状組織を介して前記陰極と前記電解質との間を拡散する、請求項３９に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４２】
平均厚さが約１００ミクロン以下である機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層の多孔性の一部分が、
少なくとも約１．１：１の長さ：幅のアスペクト比と、前記機能層の幅を規定する水平軸に関して垂直方向の配向とを有する第１のタイプの多孔性、および
前記機能層の前記水平軸に関して非垂直方向の配向を有する第２のタイプの多孔性
を備えるＳＯＦＣ単位セル
を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。
【請求項４３】
長さ：幅の前記アスペクト比が、少なくとも約１．２：１、１．３：１、例えば、少なくとも約１．４：１、少なくとも約１．５：１、少なくとも約１．６：１、少なくとも約１．７：１、少なくとも約１．８：１、少なくとも約１．９：１、または、少なくとも約２：１などである、請求項４２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４４】
前記長さおよび幅が、２０００Ｘ〜５０００Ｘの間の範囲に含まれる倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により断面において見られる、請求項４２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４５】
固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣ品を形成する方法であって、
約２０μｍ未満のメジアンサイズを有する細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および
前記未加工の機能層を、垂直軸に沿って加えられる力により、仕上がった機能層を形成するためにプレス成形する工程（ただし、プレス成形期間中に、前記機能層の内部の多孔性の一部分が形状を変化させ、かつ、垂直方向の配向を有し、前記仕上がった機能層は約１００μｍ以下の平均厚さを備える）
を含む方法。
【請求項４６】
前記細孔形成剤の前記メジアンサイズが約１０μｍ未満であり、例えば、約９μｍ未満、約８μｍ未満、約７μｍ未満または約６μｍ未満などである、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記未加工の機能層がさらに、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）粒子を含む、請求項４５〜４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
前記ＬＳＭ粒子が、前記細孔形成剤の前記メジアンサイズと実質的に類似するメジアン粒子サイズを有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記ＬＳＭ粒子が約２０μｍ未満のメジアン粒子サイズを有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記未加工の機能層がさらに、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）粒子を含む、請求項４５〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記ＹＳＺ粒子が、前記細孔形成剤の前記メジアンサイズと実質的に類似するメジアン粒子サイズを有する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記ＹＳＺ粒子が約２０μｍ未満のメジアン粒子サイズを有する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記細孔形成剤が、天然物、ポリマー、無機物およびそれらの組合せからなる群から選択され、前記細孔形成剤が、異方性の微細構造を有する材料を含み、前記細孔形成剤が、少なくとも１．３：１、少なくとも約１．５：１、少なくとも約１．８：１、少なくとも約２：１の長さ：幅のアスペクト比を有する材料を含み、前記細孔形成剤が、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、カーボンブラック、グラファイトおよびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項４５〜５２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣ品を形成する方法であって、
細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および
前記未加工の機能層を、温度、圧力、時間および雰囲気からなる群から選択される変形条件のもと、仕上がった機能層を形成するために一軸方向ホットプレス成形する工程（ただし、前記細孔形成剤から形成される細孔の著しい部分が一軸ホットプレス成形の期間中に水平軸に関して垂直方向に配向する）
を含む方法。
【請求項５５】
前記仕上がった機能層が約１００μｍ以下の平均厚さ、例えば、約９０μｍ以下、約８０μｍ以下、約７０μｍ以下、約６０μｍ以下または約５０μｍ以下などの平均厚さを備える、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記仕上がった機能層の前記平均厚さが少なくとも約１μｍであり、例えば、少なくとも約３μｍ、少なくとも約５μｍまたは少なくとも約１０μｍなどである、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
一軸ホットプレス成形が、少なくとも約０．０１ＭＰａ、少なくとも約０．０５ＭＰａ、少なくとも約０．１ＭＰａ、少なくとも約０．５ＭＰａ、少なくとも約１ＭＰａで、かつ、約３０ＭＰａ以下、約１５ＭＰａ以下の圧力において行われる、請求項５４〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
一軸ホットプレス成形が、少なくとも約１０００℃、少なくとも約１１００℃、少なくとも約１１５０℃、少なくとも約１２００℃で、かつ、約１８００℃以下、約１７００℃以下、約１５００℃以下、約１４００℃以下の温度において行われる、請求項５４〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
一軸ホットプレス成形が、少なくとも約１５分、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、少なくとも約４時間で、かつ、約４８時間以下、約２４時間以下、約１２時間以下または約６時間以下の期間にわたって行われる、請求項５４〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
一軸ホットプレス成形が酸化性雰囲気で行われ、非還元性雰囲気で行われ、前記雰囲気は大気圧未満の圧力を備え、一軸ホットプレス成形期間中の前記雰囲気の圧力が、約１０−１ａｔｍ以下、約１０−３ａｔｍ以下、約１０−４ａｔｍ以下で、かつ、少なくとも約１０−２０ａｔｍである、請求項５４〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
垂直方向の配向を有する細孔の前記著しい部分が不規則な端部を有する、請求項５４〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
前記未加工の層が所定のメジアン粒子サイズ（ＰＳｃｐ）を有する原料粉末を含み、前記細孔形成剤が所定のメジアン粒子サイズ（ＰＳｐｆａ）を含み、さらに、少なくとも約１：１．１、少なくとも約１：１．２、少なくとも約１：１．３、少なくとも約１：１．４、少なくとも約１：１．５で、約１：４以下、約１：３以下、約１：２．５以下の粒子サイズ比（ＰＳｃｐ：ＰＳｐｆａ）を備える、請求項５４〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
下記は固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）およびＳＯＦＣ形成方法に関し、具体的には、ＳＯＦＣ単位セルを形成する単一焼結プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気を化学反応によって生じさせる装置である。様々な燃料電池の中で、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、硬いセラミック複合金属（例えば、カルシウムまたはジルコニウム）酸化物を電解質として使用する。典型的には、固体酸化物燃料電池では、酸素ガス、例えば、Ｏ２などが陰極において酸素イオン（Ｏ２−）に還元され、燃料ガス、例えば、Ｈ２ガスなどが陽極において酸素イオンにより酸化されて、水を形成する。
【０００３】
一部の場合において、燃料電池集成体が、陰極、陽極、および、陰極と陽極との間の固体電解質を含む積み重ね体として設計されている。それぞれの積み重ね体が、完全なＳＯＦＣ品を形成するために他の積み重ね体と組み合わせることができる半組立て品であると見なされ得る。ＳＯＦＣ品を組み立てる際には、電気的相互接続体が１つの積み重ね体の陰極と別の積み重ね体の陽極との間に配置され得る。
【０００４】
しかしながら、個々の燃料電池の積み重ね体は、それらの形成期間中または使用期間中の温度における変動によって引き起こされる損傷を受けやすい可能性がある。具体的には、異なる組成のセラミックスを含めて、様々な構成成分を形成するために用いられる材料が、ＳＯＦＣ品の破壊および不良を生じさせ得る異なった材料特性、化学的特性および電気的特性を示す。特に、燃料電池は、温度における変化については限られた許容範囲を有する。温度における変化によって引き起こされる機械的応力に伴う様々な問題が、個々の燃料電池が積み重ねられるときには悪化する。燃料電池、特に、積み重ね体で組み立てられる燃料電池の限られた熱衝撃抵抗性は、生産の歩留まりを制限し、また、運転期間中の不良の高まった危険性をもたらす。
【０００５】
そのうえ、ＳＯＦＣ品の製造はそれ自身の一連の懸念事項を有している。組成的に異なる層を層状に積み重ね、焼結することに伴う懸念事項が、ＳＯＦＣ製造における非常に困難な課題の１つである。現在の取り組みは、多段階焼成プロセス、および、金属性の相互接続材料の使用に集中している。産業界は、改善されたＳＯＦＣ品および形成方法を要求し続けている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品は、平均厚さが約１００μｍ以下である機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性を備え、前記第１のタイプの多孔性は長さ：幅の所定のアスペクト比を有し、前記長さが前記機能層の厚さの大きさと実質的に一致するＳＯＦＣ単位セルを含む。
【０００７】
別の態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品は、電極と緻密層との間に配置される機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は約１００μｍ以下の平均厚さを有し、前記機能層の多孔性の一部分が、所定の長さおよび所定の幅（ただし、長さは幅よりも大きい）を有する第１のタイプの多孔性を備え、前記第１のタイプの多孔性の大部分が垂直方向の配向を有し、長さの大きさが細孔軸を規定し、前記細孔軸は前記機能層の幅を規定する水平軸から約４５度よりも大きい角度を形成するＳＯＦＣ単位セルを含む。
【０００８】
さらに別の態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品は、約１００ミクロン以下の平均厚さを有する機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層の多孔性の一部分が、少なくとも約１．１：１の長さ：幅のアスペクト比と、前記機能層の幅を規定する水平軸に関して垂直方向の配向とを有する第１のタイプの多孔性、および、前記機能層の前記水平軸に関して非垂直方向の配向を有する第２のタイプの多孔性を備えるＳＯＦＣ単位セルを含む。
【０００９】
なおさらに別の態様によれば、固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣ品を形成する方法は、約２０μｍ未満のメジアンサイズを有する細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および、前記未加工の機能層を、垂直軸に沿って加えられる力により、仕上がった機能層を形成するためにプレス成形する工程（ただし、プレス成形期間中に、前記機能層の内部の多孔性の一部分が形状を変化させ、かつ、垂直方向の配向を有し、前記仕上がった機能層は約１００μｍ以下の平均厚さを含む）を含む。
【００１０】
別の態様によれば、固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣ品を形成する方法は、細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および、前記未加工の機能層を、温度、圧力、時間および雰囲気からなる群から選択される変形条件のもとで、仕上がった機能層を形成するために一軸方向ホットプレス成形する工程（ただし、前記細孔形成剤から形成される細孔の著しい部分が、一軸ホットプレス成形の期間中に、水平軸に関して垂直方向に配向する）を含む。
【００１１】
添付された図面を参照することによって、本開示はより良く理解することができ、また、その数多くの特徴および利点が当業者に明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】１つの実施形態によるＳＯＦＣ品を作製する方法を例示するフローチャートを含む図である。
【図２】１つの実施形態によるＳＯＦＣ単位セルの断面の例示を含む図である。
【図３】１つの実施形態によるＳＯＦＣ単位セルの例示を含む図である。
【図４】１つの実施形態による垂直方向の配向を有する細孔の例示を含む図である。
【図５】１つの実施形態による水平方向の配向を有する細孔の例示を含む図である。
【図６】１つの実施形態による機能層の一部分のＳＥＭ像を含む図である。
【図７】図６のＳＥＭ像から形成される二値像を含む図である。
【図８】比較用の機能層の一部分のＳＥＭ像を含む図である。
【図９】図８のＳＥＭ像から形成される二値像を含む図である。
【図１０】１つの実施例による細孔の略図を含む図である。
【図１１】１つの実施例による細孔の略図を含む図である。
【図１２】１つの実施形態による機能層の一部分のＳＥＭ像を含む図である。
【図１３】１つの実施例による細孔の略図を含む図である。
【図１４】１つの実施例による細孔の略図を含む図である。
【図１５】１つの実施例による細孔の略図を含む図である。
【図１６】１つの実施形態による電圧および最大出力密度を例示するプロットを含む図である。
【図１７】１つの実施形態によるインピーダンスを例示するプロットを含む図である。
【図１８】様々な実施形態による粉末材料および細孔形成剤の粒子サイズ分布を例示するプロットを含む図である。
【図１９】１つの実施形態による機能層の一部分のＳＥＭ像を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
異なる図面における同じ参照記号の使用により、類似するものまたは同一のものが示される。
【００１４】
図１は、１つの実施形態による固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品を形成する方法を例示するフローチャートを含む。例示されるように、このプロセスは、混合物を作製することによって工程１０１において開始することができる。混合物は、ＳＯＦＣ単位セルの一部分とするための機能層を形成するために利用される原料成分を含むことができる。
【００１５】
１つの実施形態によれば、例えば、無機材料（例えば、セラミック材料など）を含めて、機能層を形成するために好適である原料粉末を含むことができる。例えば、原料粉末は、１つまたは複数の酸化物材料、あるいは、異なる酸化物材料の組合せを含むことができる。いくつかの好適な酸化物には、ジルコニア（ＺｒＯ２）、より具体的には、イットリア（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、スカンジウム（Ｓｃ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）およびそれらの組合せなどの元素を含むことができる他の元素（例えば、安定剤またはドーパントなど）を取り込むことができるジルコニア系材料が含まれ得る。好適な酸化物原料粉末材料の具体的な例には、Ｙ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｙｂ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｓｃ２Ｏ３ドープかつＣｅＯ２ドープのＺｒＯ２、および、それらの組合せが含まれる。代替として、または、加えて、原料粉末はランタニド系材料を含むことができ、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）材料などを含むことができる。ランタンマンガナイト材料はドープ処理することができ、下記の式によって表される一般的組成を有することができる：（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δ、式中、ドーパント材が「Ａ」によって表され、ペロブスカイト型結晶構造のＡ部位においてランタン（Ｌａ）の代わりに当該材料の内部で置換される。ドーパント材は、アルカリ土類金属、鉛、または、一般には、原子比が約０．４オングストローム〜０．９オングストロームの間である二価カチオンから選択することができる。そのようなものとして、１つの実施形態によれば、ドーパント材が、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｇａ、ＰｂおよびＺｒからなる元素の群から選択される。いくつかの例示的なランタニド系材料には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．１５Ｃｏ０．５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７またはＬａ０．９Ａ０．１ＧａＯ３（式中、Ａは、Ｓｒ、ＣａまたはＢａからの元素の１つを表す）が含まれる。
【００１６】
上記で記載されるように、機能層の材料は酸化物成分の組合せを含み得ることが理解されるであろう。例えば、材料の組合せの具体的な例には、ＬＳＭ−ＹＳＺ、ＬＳＣＦ−ＹＳＺ、ＬＣＭ−ＹＳＺおよびＬＳＭ−ＳＣＳＺが含まれ得るが、これらに限定されない。
【００１７】
混合物はさらに、機能層成分を形成するために利用される原料粉末のほかに他の材料を含有する場合がある。例えば、混合物は、ある種の添加物を含有することができる。１つの実施形態において、１つの好適なタイプの添加物は、ある特定のタイプおよび含有量の多孔性を機能層の内部に形成するために利用され得る細孔形成剤であることが可能である。１つの実施形態によれば、細孔形成剤は、無機物、有機物、天然物およびそれらの組合せである場合がある。いくつかの好適な細孔形成剤には、グラファイト、繊維、天然繊維、綿、靱皮繊維、コード用繊維、または、動物繊維（例えば、羊毛など）、再生セルロース繊維、二酢酸セルロース繊維、三酢酸セルロース繊維、デンプン繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアクリル繊維、ポリビニル繊維、ポリオレフィン繊維、あるいは、液晶ポリマーが含まれ得る。細孔形成剤はまた、結合剤物質（例えば、合成ゴム、熱可塑性プラスチックまたはポリビニルなど）および可塑剤物質（例えば、グリコール群およびフタル酸エステル群など）である場合がある。別の実施形態において、材料はパスタ（例えば、スパゲッティなど）であることが可能である。１つの具体的な場合において、細孔形成剤には、アクリル酸エステル、より具体的には、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）が含まれ得る。別の実施形態において、細孔形成剤はカーボンブラックであることが可能である。なおさらに別の実施形態において、細孔形成剤はグラファイトであることが可能である。
【００１８】
特定の実施形態において、細孔形成剤は、異方性を有する物質であることが可能である。例えば、細孔形成剤は異方性の微細構造を含むことができ、例えば、層状またはシート状の構造を有する物質などを含むことができる。より具体的な場合において、細孔形成剤には、長さが幅よりも測定可能なほどに大きいように、少なくとも１．３：１の長さ：幅のアスペクト比を有する物質が含まれ得る。別の実施形態によれば、細孔形成剤のアスペクト比は、少なくとも約１．５：１であることが可能であり、例えば、少なくとも約１．８：１、または、それどころか、少なくとも約２：１などであることが可能である。細孔形成剤のそのような性質は、本明細書中の実施形態の特徴を有するＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にする場合がある。
【００１９】
加えて、混合物は、本明細書中の実施形態によるＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にするために細孔形成剤の特定の含有量を含有するように形成することができる。例えば、混合物は、混合物の総重量について少なくとも約５ｗｔ％の細孔形成剤を含有することができる。他のプロセスにおいて、細孔形成剤の量はそれよりも大きい場合があり、例えば、少なくとも約８ｗｔ％、少なくとも約１０ｗｔ％、少なくとも約１２ｗｔ％、少なくとも約１４ｗｔ％、少なくとも約１６ｗｔ％、少なくとも約１８ｗｔ％、または、それどころか、少なくとも約２０ｗｔ％などである場合がある。それでもなお、細孔形成剤の量は限定されることが可能であり、例えば、約５０ｗｔ％以下、約４６ｗｔ％以下、約４２ｗｔ％以下、または、それどころか、約３８ｗｔ％以下であることが可能である。混合物における細孔形成剤の量は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００２０】
１つの実施形態によれば、混合物に取り込まれる細孔形成剤は、特定のタイプの多孔性を最終的に形成された機能層の内部に形成するために好適である特定のサイズを有する場合がある。例えば、細孔形成剤は、約２０ミクロン未満であるメジアンサイズ（すなわち、Ｄ５０）を有する場合がある。他の場合において、細孔形成剤のメジアンサイズはそれよりも小さいことが可能であり、例えば、約１８ミクロン未満、約１５ミクロン未満、約１２ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約９ミクロン未満、約８ミクロン未満、約７ミクロン未満、または、それどころか、約６ミクロン未満などであることが可能である。それでもなお、細孔形成剤のメジアンサイズは、少なくとも約０．０１ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約０．０５ミクロンなどであり、例えば、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．５ミクロン、または、それどころか、少なくとも約１ミクロンなどであることが可能である。細孔形成剤のメジアンサイズは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００２１】
そのうえ、混合物内の細孔形成剤は、原料粉末成分（特に酸化物原料粉末）のメジアン粒子サイズに対する特定の関係でのメジアンサイズを有することができる。例えば、細孔形成剤は、ＬＳＭ原料粉末粒子のメジアン粒子サイズと実質的に類似する（すなわち、ＬＳＭ原料粉末のメジアン粒子サイズの５％以内である）メジアンサイズを有する場合がある。他の場合において、細孔形成剤は、原料粉末の他の構成成分（例えば、ＹＳＺなど）に関して特定のサイズを有することができる。例えば、細孔形成剤は、ＹＳＺ原料粉末粒子のメジアン粒子サイズと実質的に同じである（すなわち、ＹＳＺ原料粉末のメジアン粒子サイズの５％以内である）メジアンサイズを有することができる。
【００２２】
特定の場合において、原料粉末のいずれか１つのメジアン粒子サイズ（ＰＳｃｐ）と、細孔形成剤のメジアン粒子サイズ（ＰＳｐｆａ）とにより、少なくとも約１：１．１の粒子サイズ比（ＰＳｃｐ：ＰＳｐｆａ）を規定することができる。すなわち、細孔形成剤のメジアン粒子サイズは原料粉末のメジアン粒子サイズよりも大きいことが可能である。他の実施形態において、粒子サイズ比（ＰＳｃｐ：ＰＳｐｆａ）は、少なくとも約１：１．２であることが可能であり、例えば、少なくとも約１：１．３、少なくとも約１：１．４、少なくとも約１：１．５、少なくとも約１：２、少なくとも約１：３、少なくとも約１：４などであることが可能である。それでもなお、ある特定の限定されない実施形態において、粒子サイズ比（ＰＳｃｐ：ＰＳｐｆａ）は約１：２０以下であることが可能であり、例えば、約１：１５以下、または、それどころか、約１：１０以下であることが可能である。粒子サイズ比（ＰＳｃｐ：ＰＳｐｆａ）は、上記で記される最小比率および最大比率のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００２３】
１つの実施形態によれば、原料粉末（例えば、ＬＳＭ原料粉末およびＹＳＺ原料粉末）は、少なくとも約２０ミクロン未満のメジアン粒子サイズ（すなわち、Ｄ５０）を有する場合がある。他の場合において、原料粉末のメジアン粒子サイズはそれよりも小さいことが可能であり、例えば、約１８ミクロン以下、約１５ミクロン以下、約１２ミクロン以下、約１０ミクロン以下、約８ミクロン以下、約５ミクロン以下、または、それどころか、約２ミクロン以下などであることが可能である。それでもなお、機能層を形成するために使用される原料粉末のメジアン粒子サイズは、少なくとも約０．０１ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．５ミクロンなどであることが可能である。原料粉末のメジアン粒子サイズは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００２４】
混合物を工程１０１において形成した後、プロセスは、未加工の機能層を混合物から形成することによって工程１０３において継続することができる。様々な技術が、未加工の機能層を形成するために使用される場合があり、そのような技術には、例えば、注型、印刷、析出、押出し、成形、積層化、金型プレス成形、ゲル注型、溶射、スクリーン印刷、ロール圧密成形、射出成形、ならびに、それらの組合せおよびそれらのどのような組合せもが含まれる。１つの具体的な場合において、混合物が、平滑な薄いフィルムを未加工の機能層の形態で形成するためにテープ成形プロセスを使用して形成される場合がある。ある特定の場合において、所望される厚さを有する最終的に形成された機能層の形成を容易にするために、混合物の１つまたは複数のフィルムがテープ成形法から形成され、互いの上部に積み重ねられる場合がある。
【００２５】
「未加工（の）」品に対する本明細書中での参照は、緻密化または結晶粒成長に影響を与えるための焼結を受けていない材料に対する参照である。未加工品は、乾燥され、低い水分含有量を有する場合があり、しかし、未焼成である未完成品であり得る。未加工品は、自身を支えるための好適な強度を有することができ、また、形成されている他の未加工の層を有することができる。
【００２６】
未加工の機能層を工程１０３において形成した後、プロセスは、機能層を含むＳＯＦＣ単位セルを形成することによって工程１０５において継続することができる。１つの実施形態によれば、ＳＯＦＣ単位セルは、様々な層（例えば、機能層など）を個々に単一プロセスにおいて個々に形成し、後で、これらの個々の層のそれぞれを共焼結プロセスにおいて合体させることによって形成することができる。
【００２７】
代替において、形成プロセスにより、例えば、未加工の機能層、未加工の電解質層、未加工の電極層を含めて、単一の形成プロセスにおいて同時に処理することができる一連の未加工の層部分が、１つにまとめられた一体化している共焼結されたＳＯＦＣ単位セルＳＯＦＣを形成するために合体させられる場合がある。１つの具体的な実施形態において、焼結プロセス（すなわち、共焼成プロセス）は、未加工のＳＯＦＣ単位セル１００が周囲圧力条件のもとで焼成される自由焼結プロセスであることが可能である。すなわち、外部圧力が焼結時においてＳＯＦＣ単位セル１００に必ずしも加えられない。自由焼結プロセスを、焼結期間中の温度における変化および焼結期間中に使用される雰囲気を考慮に入れて、実質的に大気圧である圧力において行うことができる。具体的には、焼結期間中において、特定の層を、例えば、機能層などを、本明細書中の実施形態の特徴を有するＳＯＦＣの形成を容易にするために引張り応力下に置くことができる。
【００２８】
他の場合において、ＳＯＦＣ単位セルを形成する１つの好適な焼結プロセスは、熱および／または圧力を上記１つまたは複数の未加工の層に加えるプロセスを含むことができる。例えば、１つの実施形態において、ＳＯＦＣセルを形成するプロセスは、ホットプレス成形操作などのプレス成形操作を含むことができる。特定の場合において、ＳＯＦＣセルを一軸ホットプレス成形操作により形成することができる。一軸ホットプレス成形において、力を、最終的に形成された一体型ＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にするために特定の持続期間にわたって、特定の温度で、かつ、特定の雰囲気条件のもとで、未加工の層の積み重ね体に加えることができる。
【００２９】
例えば、１つの実施形態において、ＳＯＦＣ単位セルを、約６Ｎ〜２０ｋＮの間の範囲に含まれる力を利用して、より具体的には、約１ｋＮ〜約１９ｋＮの間の範囲に含まれる力、例えば、約２ｋＮ〜約１６ｋＮの間、約５ｋＮ〜約１６ｋＮの間などの範囲に含まれる力を利用して焼結操作により形成することができる。
【００３０】
そのようなものとして、未加工の層の面積に依存して、一軸ホットプレス成形操作を、少なくとも約０．０１ＭＰａ、例えば、少なくとも約０．０５ＭＰａなど、例えば、少なくとも約０．１ＭＰａ、少なくとも約０．５ＭＰａ、または、それどころか、少なくとも約１ＭＰａなどの、未加工のＳＯＦＣ単位セルに加えられる圧力において行うことができる。それでもなお、特定の場合においては、一軸ホットプレス成形操作を、未加工の機能層が、約３０ＭＰａ以下である圧力において、例えば、約２５ＭＰａ以下、約２０ＭＰａ以下、約１５ＭＰａ以下、または、それどころか、約１３ＭＰａ以下などである圧力においてプレス成形されるように行うことができる。一軸ホットプレス成形操作は、上記で記される最小圧力および最大圧力のいずれかの間の範囲に含まれる圧力において行われ得ることが理解されるであろう。
【００３１】
さらに、焼結プロセス、例えば、一軸ホットプレス成形操作を含む焼結プロセスは、等温保持が行われる最大温度を含む特定の温度において行うことができる。例えば、一軸ホットプレス成形の期間中に利用される温度（すなわち、等温保持温度）は、少なくとも約９００℃であることが可能であり、例えば、少なくとも約１０００℃など、例えば、少なくとも約１１００℃、少なくとも約１１５０℃、または、それどころか、少なくとも約１２００℃などであることが可能である。それでもなお、温度は約１８００℃以下であることが可能であり、例えば、約１７００℃以下、約１５００℃以下、または、それどころか、約１４００℃以下などであることが可能である。一軸ホットプレス成形操作の期間中に利用される温度は、上記で記される最小温度および最大温度のいずれかの間の範囲に含まれ得ることが理解されるであろう。
【００３２】
さらに、一軸ホットプレス成形は、本明細書中の実施形態による特徴を有するＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にするために特定の期間にわたって行われる場合がある。例えば、一軸ホットプレス成形を等温保持において少なくとも１５分の期間にわたって行うことができる。他の実施形態において、持続期間はそれよりも長いことが可能であり、例えば、少なくとも約１時間、少なくとも約２時間、または、それどころか、少なくとも約４時間であることが可能である。それでもなお、一軸ホットプレス成形の期間中に利用される等温保持の持続期間は約４８時間以下であることが可能であり、例えば、約２４時間以下、約１２時間以下、または、それどころか、約６時間以下などであることが可能である。
【００３３】
さらに、特定の雰囲気が、本明細書中に記載される特徴を有するＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にするために一軸ホットプレス成形の期間中に利用される場合がある。例えば、一軸ホットプレス成形の期間中に利用される雰囲気は非還元性雰囲気である場合がある。より具体的には、一軸ホットプレス成形期間中の雰囲気は酸化性雰囲気である場合がある。代替では、一軸ホットプレス成形が還元性雰囲気において行われる場合がある。１つの場合において、雰囲気は、例えば、典型的な周囲大気圧よりも小さい圧力を含む特定の圧力を有することができる。１つの具体的な場合において、一軸ホットプレス成形の期間中に利用される雰囲気の圧力は約１０−１ａｔｍ以下であることが可能であり、例えば、約１０−３ａｔｍ以下、または、それどころか、約１０−４ａｔｍ以下などであることが可能である。それでもなお、一軸ホットプレス成形の期間中に利用される雰囲気の圧力は、少なくとも約１０−２０ａｔｍである場合がある。
【００３４】
ＳＯＦＣ単位セルを工程１０５において形成した後で、他のプロセスに、最終的に形成された固体酸化物燃料電池品の形成を容易にするために着手することができる。例えば、さらなる工程が、さらなる層をＳＯＦＣ単位セルに取り付け、ＳＯＦＣ品を形成するために着手される場合がある。例えば、第２の焼結プロセスを、ＳＯＦＣ単位セルを、電極層、電解質層、相互接続層およびそれらの組合せ（これらに限定されない）を含めて、他の層と接合するために完了させることができる。この第２の焼結プロセスは、ＳＯＦＣ単位セルを形成するために使用される第１の焼結プロセスと別個であることが可能である。
【００３５】
特定の実施形態において、第２の焼結プロセスは自由焼結プロセスであることが可能である。第２の焼結プロセスを、ＳＯＦＣ単位セルを形成するために使用される第１の焼結温度よりも著しく低い結合焼結温度または接合焼結温度において行うことができる。そのうえ、接合温度は、他の構成成分（例えば、一体型の陰極単位セルなど）を形成するために使用される焼結温度よりも低いことが可能である。具体的な場合において、接合温度は、第１の焼結プロセスの焼結温度よりも少なくとも約５℃低いことが可能であり、例えば、少なくとも約８℃、少なくとも約１０℃、または、それどころか、少なくとも約１２℃低いことが可能である。
【００３６】
前記段落において記される接合プロセスは、代替的な処理経路に従って着手される場合がある。例えば、接合プロセスは、ＳＯＦＣ単位セルを単一焼結プロセスにおいて本明細書中に記載されるように形成することができ、一方、第２の単位セル（例えば、電極単位セル）を焼結ＳＯＦＣ単位セルとの未加工の状態で形成し、接合することができる２工程のプロセスであることが可能である。この２工程プロセスの接合プロセスは、焼結温度とは異なる接合温度を利用することができ、具体的には、ＳＯＦＣ単位セルを形成するために自由焼結プロセスにおいて使用される焼結温度よりも低い接合温度を利用することができる。
【００３７】
別の実施形態において、接合プロセスは、ＳＯＦＣ単位セルを単一焼結プロセスにおいて本明細書中に記載されるように形成することができ、一方、第２の単位セル（例えば、電極単位セル）をＳＯＦＣ単位セルとは別個に形成し、焼結することができる３工程のプロセスであることが可能である。焼結されたＳＯＦＣ単位セルおよび焼結された電極単位セルは第３の熱処理において接合することができる。第３の熱処理は、ＳＯＦＣ単位セルまたは電極単位セルを形成するために使用される焼結温度とは異なる接合温度を利用することができる。具体的には、接合温度は、ＳＯＦＣ単位セルを形成するために焼結プロセスにおいて使用される焼結温度よりも低い温度で、かつ、焼結された電極単位セルを形成する際に使用される焼結温度よりも低い温度であることが可能である。
【００３８】
図２は、１つの実施形態によるＳＯＦＣ単位セルの例示を含む。例示されるように、単位セル２００は、機能層２０１、機能層２０１の上側に位置する緻密層２０３、および、機能層２０１の下側に位置する第１の電極２０２を含むことができる。さらに例示されるように、機能層２０１は、垂直軸２０６によって規定される大きさを有する厚さ（ｔ）を有するように形成することができる。さらに、図２に例示されるように、垂直軸２０６は、一軸ホットプレス成形の期間中に加えられる力の方向を規定する軸２０５と実質的に一致し、対応することができる。加えて、機能層２０１は、機能層２０１の水平軸２０７に沿って延びる大きさとして規定される幅（ｗ）を有することができる。例示されるように、垂直軸２０６は、水平軸２０７に対して実質的に垂直であり得る。１つの実施形態によれば、機能層は、ＳＯＦＣ単位セル２００を形成するためにプレス成形操作の期間中に加えられる力の方向２０５に対応する垂直軸２０６を有することができる。具体的には、垂直軸２０６は水平軸２０７に対して垂直であり得る。加えて、垂直軸２０６は、機能層２０１の厚さ（ｔ）と平行する方向で延びることができる。
【００３９】
１つの実施形態によれば、機能層２０１は、本明細書中に記載されるような混合物を形成する原料粉末の組成を有する材料から作製することができる。具体的には、機能層２０１は、１つまたは複数の酸化物材料、あるいは、異なる酸化物材料の組合せを含むことができる。いくつかの好適な酸化物には、ジルコニア（ＺｒＯ２）、より具体的には、Ｙ２Ｏ３ドープＺｒＯ２が含まれ得る。代替として、または、加えて、原料粉末はランタニド系材料を含むことができ、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）材料などを含むことができる。ランタンマンガナイト材料はドープ処理することができ、下記の式によって表される一般的組成を有することができる：（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δ。
【００４０】
特定の場合において、原料の混合物におけるＬＳＭの量は、成分粉末の重量パーセントに基づいて混合物内のＹＳＺの量よりも大きいことが可能である。他の実施形態において、ＬＳＭの量は、混合物内のＹＳＺの量と実質的に同じであることが可能である。なおさらに他の実施形態において、混合物内のＹＳＺの量は、混合物内のＬＳＭの量よりも大きいことが可能である。１つの実施形態によれば、混合物は、ＬＳＭおよびＹＳＺを、ＬＳＭ／ＹＳＺの比率が約４０／６０〜６０／４０の間の範囲内であるように含むために形成される。
【００４１】
別の実施形態によれば、機能層２０１は、機能層２０１の幅（ｗ）に沿って延びる実質的に均一な厚さ（ｔ）を有するように形成することができる。具体的には、機能層は、約１００ミクロン以下である平均厚さを有するように形成される場合がある。他の場合において、機能層２０１の平均厚さは、約９０ミクロン以下であるように、例えば、約８０ミクロン以下、約７０ミクロン以下、約６０ミクロン以下、約５０ミクロン以下、約４０ミクロン以下、または、それどころか、約３０ミクロン以下などであるように、それよりも小さいことが可能である。それでもなお、機能層２０１の平均厚さは、少なくとも約１ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約３ミクロン、少なくとも約５ミクロン、または、それどころか、少なくとも約１０ミクロンなどであることが可能である。機能層２０１の平均厚さは、上記で記される最小平均厚さおよび最大平均厚さのいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００４２】
１つの実施形態によれば、機能層２０１は、約４５ｖｏｌ％以下である、機能層の総体積についての多孔性の総含有量を有するように形成することができる。他の実施形態において、機能層２０１内の多孔性の量はそれよりも少ないことが可能であり、例えば、約４０ｖｏｌ％以下、約３５ｖｏｌ％以下、または、それどころか、約３３ｖｏｌ％以下などであることが可能である。それでもなお、１つの実施形態において、機能層は、少なくとも約５ｖｏｌ％の多孔性の総含有量を有するように、例えば、機能層２０１の総体積について少なくとも約１２ｖｏｌ％など、例えば、少なくとも約１５ｖｏｌ％、少なくとも約１８ｖｏｌ％、または、それどころか、少なくとも約２０ｖｏｌ％などの多孔性を有するように形成することができる。機能層２０１内の多孔性の総含有量は、上記で記される最小平均多孔性値および最大平均多孔性値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００４３】
加えて、機能層２０１は、特定のタイプの多孔性を有するように形成することができる。例えば、機能層２０１は、断面において見られるような細孔の長さ対幅の尺度である特定のアスペクト比を有する第１のタイプの多孔性を有することができる。一般には、細孔は、機能層２０１内の細孔の好適なサンプリングを見るための好適な倍率（例えば、２０００Ｘまたは５０００Ｘ）のもと、走査型電子顕微鏡を使用して断面において見ることができる。細孔のアスペクト比に対する参照は長さ：幅の比率であることが理解されるであろう（ただし、この場合、長さは、断面において見られるような細孔の最も長い大きさであり、幅は、断面において見られるような細孔の最も短い大きさである）。１つの実施形態によれば、機能層２０１内の第１のタイプの多孔性は、少なくとも１．１：１のアスペクト比（長さ：幅）を有することができる。他の実施形態において、アスペクト比は、少なくとも約１．２：１であることが可能であり、例えば、少なくとも約１．３：１、少なくとも約１．４：１、少なくとも約１．５：１、少なくとも約１．６：１、少なくとも約１．７：１、少なくとも約１．８：１、少なくとも約１．９：１、または、それどころか、少なくとも約２：１などであることが可能である。それでもなお、ある特定の他の実施形態において、機能層２０１内の第１のタイプの多孔性のアスペクト比（長さ：幅）は約１００：１以下であることが可能である。機能層２０１内の第１のタイプの多孔性の細孔のアスペクト比は、上記で記されるアスペクト比のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００４４】
１つの実施形態によれば、機能層２０１の第１のタイプの多孔性は、機能層２０１の多孔性の総体積の著しい量を占めることができる。著しい量は、利用可能な特徴づけ技術により容易に特定される測定可能な量であり得る。１つの実施形態によれば、第１のタイプの多孔性は機能層２０１の多孔性の総体積の少なくとも約５％の量で機能層２０１に存在することができる。他の場合において、機能層２０１内に存在する第１のタイプの多孔性の量はそれよりも大きいことが可能であり、例えば、機能層２０１の多孔性の総体積の少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、または、それどころか、少なくとも約９０％などであることが可能である。機能層２０１の第１の多孔性の含有量は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００４５】
機能層２０１内に存在する第１のタイプの多孔性は約２５ミクロン以下の平均細孔サイズを有することができる。他の実施形態において、機能層２０１内の第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズはそれよりも小さいことが可能であり、例えば、約２０ミクロン以下、約１５ミクロン以下、約１２ミクロン以下、または、それどころか、約１０ミクロン以下などであることが可能である。他の場合において、機能層２０１内の第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズは、少なくとも約０．０１ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０７ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．１ミクロンなどであることが可能である。機能層２０１の第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００４６】
より具体的な場合において、第１のタイプの多孔性は、細孔形成剤の使用を伴わない最終的に形成された機能層２０１の内部に形成される多孔性である本来の多孔性に関連づけられる場合がある。加えて、第１のタイプの多孔性は、細孔形成剤の使用により形成される多孔性である外因性の多孔性に関連づけられる場合がある。注目すべきことに、特定の場合において、第１のタイプの多孔性は、本来の多孔性および外因性の多孔性の組合せに関連づけることができ、この場合、プロセス期間中に利用される加工パラメーターおよび材料のある特定の組合せにより、垂直方向の配向を機能層２０１の内部に有する第１のタイプの多孔性の形成が促進される。図４を一時的に参照すると、垂直方向の配向を有する細孔の断面の例示が提供される。例示されるように、細孔４０１は、細孔４０１の長さを規定する細孔軸４０２を有する。さらに例示されるように、細孔４０１はＸ−Ｙ座標に置かれており、この場合、Ｘ軸は機能層２０１の水平軸２０７に対応し、Ｙ軸は機能層２０１の垂直軸２０６に対応し、特に、機能層２０１の厚さ（ｔ）に対応する。１つの実施形態によれば、細孔４０１は、細孔軸４０２と水平軸２０７との間の角度として規定される配向角度（α）（４０３）を有するように垂直方向の配向を有することができる。例示されるように、垂直方向の配向を有する細孔は、図４でのように、４５°を超える配向角度４０３を有することができる。１つの実施形態によれば、垂直方向の配向を有する機能層内の第１のタイプの多孔性の配向角度４０３は約４６°超であることが可能であり、例えば、約４８°超、約５０°超、約５２°超、約５４°超、約５６°超、約５８°超、または、それどころか、約６０°超などであることが可能である。
【００４７】
ある特定の実施形態によれば、機能層２０１は、垂直方向の配向を有する細孔を含む第１のタイプの多孔性を有することができ、より具体的には、第１のタイプの多孔性のすべてについての平均配向角度が約４６°〜約９０°の間の範囲内であることが可能であり、例えば、約４６°〜約８０°の間、約４６°〜約７５°の間、約４６°〜約７３°の間、約４６°〜約７０°の間、約４６°〜約６８°の間、約４６°〜約６５°の間、約４６°〜約６０°の間などの範囲内であることが可能である。細孔の配向を測定する方法が実施例１において詳述される。
【００４８】
別の実施形態によれば、機能層２０１は、第１のタイプの多孔性とは異なる第２のタイプの多孔性を有するように形成することができる。具体的には、第２のタイプの多孔性は、一般にはランダムな配向を有することができる。ランダムな配向は、細孔軸を規定するための、したがって、当該細孔の特定の配向を規定するための好適なアスペクト比を有しない細孔、または、代替において、４５°の配向角度を有する細孔であり得る。１つの実施形態によれば、第２のタイプの多孔性は、第１のタイプの多孔性の含有量（ｖｏｌ％）よりも大きい機能層２０１内の量で存在することができる。代替において、第１のタイプの多孔性は、機能層２０１内の第２のタイプの多孔性の量（ｖｏｌ％）よりも大きい量で存在することができる。
【００４９】
別の実施形態において、機能層２０１は、第１および第２のタイプの多孔性と異なった第３のタイプの多孔性を備えることができる。第３のタイプの多孔性は、水平方向の配向を有する細孔によって規定され得る。図５を一時的に見ると、水平方向の配向を有する細孔が例示される。例示されるように、細孔４０８は、細孔４０８の最も長い大きさ（すなわち、長さ）に沿って延びる細孔軸４１０を含む特定のアスペクト比を有することができる。さらに例示されるように、水平軸２０７および垂直軸２０６が、Ｘ軸およびＹ軸としてそれぞれ、細孔４０８の断面図の上に置かれている。細孔軸４１０は、水平軸２０７と細孔軸４１０との間の角度（α）（４０３）を形成することができる。１つの実施形態によれば、細孔４０８は、配向角度４０３が４５°未満であるように水平方向の配向を有することができる。１つの実施形態によれば、第３のタイプの多孔性の配向角度は約４３°未満であることが可能であり、例えば、約４２°未満など、例えば、約４１°未満、約４０°未満、または、それどころか、約３８°未満などであることが可能である。
【００５０】
ある特定の実施形態によれば、機能層２０１は、水平方向の配向を有する細孔を含む第３のタイプの多孔性を有することができ、より具体的には、第３のタイプの細孔のすべてについての平均配向角度が、４５°未満、４４°未満、より具体的には、約２５°〜約４４°の間の範囲内、約２８°〜約４４°の間の範囲内、約３０°〜約４４°の間の範囲内、約３５°〜約４４°の間の範囲内、より具体的には、約３８°〜約４３°の間の範囲内であることが可能である。
【００５１】
第３のタイプの多孔性は一般に、ある特定のタイプの細孔形成剤を、機能層２０１を形成するために利用される混合物に取り込むことの結果として存在することができる。すなわち、第３のタイプの多孔性は、主として細孔形成剤を介する外因性の細孔として形成される場合があり、より具体的には、細孔形成剤の使用に起因する外因性の細孔としてもっぱら存在することができる。それによれば、第３のタイプの多孔性は、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性と比較して、著しくより平滑な端部を有する場合がある。そのようなものとして、１つの実施形態によれば、第１のタイプの多孔性は、実質的に不規則な端部を有する細孔を含むことができる。
【００５２】
１つの実施形態によれば、機能層２０１は、第３のタイプに多孔性が、第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも大きい平均細孔サイズを有するように形成することができる。それでもなお、他の実施形態において、機能層２０１内の第３のタイプの多孔性は、第１のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも小さい平均細孔サイズを有することができる。さらに別の実施形態において、第３のタイプの多孔性および第１のタイプの多孔性は、実質的に同じである平均細孔サイズを有することができる。
【００５３】
特定の場合において、機能層２０１は、第３のタイプの多孔性が、約２５ミクロン以下である平均細孔サイズ（これは最大の大きさの平均として測定される）を有するように形成することができる。他の実施形態において、機能層内の第３のタイプの多孔性の平均細孔サイズはそれよりも小さいことが可能であり、例えば、約２０ミクロン以下、約１５ミクロン以下、約１２ミクロン以下、または、それどころか、約１０ミクロン以下などであることが可能である。それにもかかわらず、別の実施形態において、機能層２０１内の第３のタイプの多孔性の平均細孔サイズは、少なくとも約０．０１ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０７ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．１ミクロンなどであることが可能である。第３のタイプの多孔性の平均細孔サイズは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００５４】
１つの実施形態によれば、第３のタイプの多孔性は、第１のタイプの多孔性の量よりも大きい量で存在することができる。しかしながら、他の特定の実施形態において、第３のタイプの多孔性は、第１のタイプの多孔性の量よりも少ない量で存在することができる。
【００５５】
１つの実施形態において、機能層２０１は、第３のタイプの多孔性が機能層２０１の多孔性の総体積について著しい量で存在するように形成することができる。例えば、第３のタイプの多孔性は、機能層内の多孔性の総体積について少なくとも約５％の量で、例えば、少なくとも約２０％、少なくとも約４０％、少なくとも約６０％、または、それどころか、少なくとも約８０％などの量で存在することができる。しかしながら、特定の場合において、第３のタイプの多孔性は、機能層２０１の多孔性の総体積について約８０％以下の量で、約７０％以下の量で、約６０％以下の量で、約５０％以下の量で、または、それどころか、約２０％以下の量で存在しないように制限されてもよいことが好適である。機能層２０１内の第３のタイプの多孔性の含有量は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。
【００５６】
図２に例示されるように、ＳＯＦＣ単位セル２００は、機能層２０１の上側に位置する緻密層２０３を含むことができ、より具体的には、機能層２０１と直接に接触していることができる。１つの実施形態によれば、緻密層２０３は、機能層２０１の多孔性よりも小さい多孔性を有することができる。緻密層２０３は、約２０ｖｏｌ％以下である、緻密層２０３の総体積についての多孔性の総含有量を有するように形成することができる。他の実施形態において、緻密層２０３内の多孔性の量はそれよりも少ないことが可能であり、例えば、約１５ｖｏｌ％以下、約１２ｖｏｌ％以下、約１０ｖｏｌ％以下、約８ｖｏｌ％以下、または、それどころか、約６ｖｏｌ％以下、約５ｖｏｌ％以下、約４ｖｏｌ％以下、約３ｖｏｌ％以下、約２ｖｏｌ％以下、または、それどころか、約１ｖｏｌ％以下などであることが可能である。
【００５７】
特定の場合において、緻密層２０３は電解質層であることが可能である。電解質層は無機材料（例えば、セラミック材料など）含むことができる。例えば、電解質層は酸化物材料を含むことができる。いくつかの好適な酸化物には、ジルコニア（ＺｒＯ２）、より具体的には、イットリア（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、スカンジウム（Ｓｃ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジウム（Ｎｄ）およびそれらの組合せなどの元素を含むことができる他の元素（例えば、安定剤またはドーパントなど）を取り込むことができるジルコニア系材料が含まれ得る。好適な電解質材料の具体的な例には、Ｓｃ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｙｂ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｓｃ２Ｏ３ドープかつＣｅＯ２ドープのＺｒＯ２、および、それらの組合せが含まれ得る。電解質層はまた、セリア（ＣｅＯ２）を含むことができ、より具体的には、Ｓｍ２Ｏ３ドープＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３ドープＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープＣｅＯ２およびＣａＯドープＣｅＯ２などのセリア系材料を含むことができる。電解質材料にはまた、ランタニド系材料（例えば、ＬａＧａＯ３など）が含まれ得る。ランタニド系材料には特定の元素をドープすることができ、そのような元素には、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅおよびそれらの組合せが含まれるが、これらに限定されない。具体的には、電解質材料には、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）材料が含まれ得る。いくつかの例示的な電解質材料には、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．１５Ｃｏ０．５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７またはＬａ０．９Ａ０．１ＧａＯ３（式中、Ａは、Ｓｒ、ＣａまたはＢａの群からの元素の１つを表す）が含まれる。１つの具体的な実施形態によれば、電解質層１０１は、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３がドープされるＺｒＯ２（すなわち、８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３ドープＺｒＯ２）から作製することができる。この８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３は、熱反応特性を容易にし、かつ、電解質材料の加工特性を改善するための特定のドーパント（例えば、Ａｌおよび／またはＭｎなど）を有することができる。他の例示的な電解質材料には、ドープ処理されたイットリウムジルコニウム酸塩（例えば、Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７）、ドープ処理されたガドリニウムチタン酸塩（例えば、Ｇｄ２Ｔｉ２Ｏ７）、および、ブラウンミレライト（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ６またはＢａ２Ｉｎ２Ｏ５）が含まれ得る。
【００５８】
電解質層を緻密層２０３として利用するある特定の実施形態のために、電解質層は、材料の特に薄い平面状の層であることが可能である。例えば、電解質層は、約１ｍｍ以下の平均厚さ、例えば、約５００ミクロン以下などの平均厚さ、例えば、約３００ミクロン以下、約２００ミクロン以下、約１００ミクロン以下、約８０ミクロン以下、約５０ミクロン以下、または、それどころか、約２５ミクロン以下などの平均厚さを有することができる。それでもなお、電解質層は、少なくとも約１ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約２ミクロン、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約８ミクロンまたは少なくとも約１０ミクロンなどの平均厚さを有することができる。電解質層の平均厚さは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００５９】
電解質層は、注型、析出、印刷、押出し、積層化、金型プレス成形、ゲル注型、溶射、スクリーン印刷、ロール圧密成形、射出成形およびそれらの組合せにより形成することができる。例えば、電形質層を個々に形成することができ、または、他の層の形成に続いて形成することができる。例えば、電解質層を他の以前に形成された層の１つ（例えば、機能層２０１）に形成することができる。
【００６０】
電解質層は、本明細書中の実施形態による単位セルの形成を容易にするために特定の粒子サイズを有する粉末電解質材料から形成することができる。例えば、粉末電解質材料は約１００ミクロン未満のメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約５ミクロン未満、または、それどころか、約１ミクロン未満などのメジアン粒子サイズを有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末電解質材料のメジアン粒子サイズは、少なくとも約０．０１ミクロン、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０８ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．２ミクロンであることが可能である。粉末電解質材料は、上記で記される最小値および最大値のいずれかを含む範囲に含まれるメジアン粒子サイズを有し得ることが理解されるであろう。
【００６１】
代替となる実施形態によれば、機能層２０１の上側に位置する緻密層２０３は相互接続層であることが可能である。相互接続層は無機材料（例えば、セラミック材料など）を含む場合がある。具体的には、相互接続層は酸化物材料を含むことができ、より具体的には、クロマイト材料またはニッケル酸化物材料であることが可能である。より具体的には、相互接続層は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、カルシウム（Ｃａ）、ガリウム（Ｇａ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリア（Ｙ）およびそれらの組合せからなる群から選択される元素を含むことができる。ある特定の場合において、相互接続層は、酸化クロム系材料、酸化ニッケル系材料、酸化コバルト系材料および酸化チタン系材料（例えば、チタン酸ランタン（ｌａｎｔｈａｎｉｕｍ）ストロンチウム）を含むことができる。具体的には、相互接続層は、ＬａＳｒＣｒＯ３、ＬａＭｎＣｒＯ３、ＬａＣａＣｒＯ３、ＹＣｒＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＣａＮｉＯ３、ＣａＣｒＯ３およびそれらの組合せなどの材料から作製することができる。具体的には、相互接続層はＬＳＴ（またはＹＳＴ）を含むことができ、また、ＮｂドープＬＳＴ（例えば、１つまたは複数のドーパントを有するＬａ０．２Ｓｒ０．８ＴｉＯ３など）から本質的になる場合がある。相互接続材料は、例えば、ランタンカチオンまたはストロンチウムカチオンによって典型的に占められる格子部位が空位であるＡ部位欠損材料を含む場合があり、したがって、この材料は非化学量論的組成を有することが理解されるであろう。
【００６２】
相互接続層は、材料の特に薄い平面状の層であることが可能である。例えば、相互接続層は、約１ｍｍ以下の平均厚さ、例えば、約５００ミクロン以下などの平均厚さ、例えば、約３００ミクロン以下、約２００ミクロン以下、約１００ミクロン以下、約８０ミクロン以下、約５０ミクロン以下、または、それどころか、約２５ミクロン以下などの平均厚さを有することができる。それでもなお、相互接続層は、少なくとも約１ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約２ミクロン、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約８ミクロンまたは少なくとも約１０ミクロンなどの平均厚さを有することができる。相互接続層の平均厚さは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００６３】
相互接続層は、例えば、注型、析出、印刷、押出し、積層化、金型プレス成形、ゲル注型、溶射、スクリーン印刷、ロール圧密成形、射出成形およびそれらの組合せを含めて、電解質層の形成と類似するプロセスを使用して形成することができる。相互接続層は個々に形成することができ、または、相互接続層が他の以前に形成された層の１つ（例えば、電極層１０３）に形成され得るように他の層の形成に続いて形成することができる。
【００６４】
相互接続層は、機能層２０１のＣＴＥと実質的に同じであってもよい熱膨張率（ＣＴＥ）を有することができる。特定の場合において、相互接続層のＣＴＥは機能層２０１のＣＴＥと本質的に同じであることが可能である。
【００６５】
相互接続層は、本明細書中の実施形態による単位セルの形成を容易にする特定の粒子サイズを有する粉末相互接続材料から形成することができる。例えば、粉末相互接続材料は約１００ミクロン未満のメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約５ミクロン未満、または、それどころか、約１ミクロン未満などのメジアン粒子サイズを有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末相互接続材料のメジアン粒子サイズは、少なくとも約０．０１ミクロン、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０８ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．４ミクロンであることが可能である。粉末相互接続材料は、上記で記される最小値および最大値のいずれかを含む範囲に含まれるメジアン粒子サイズを有し得ることが理解されるであろう。
【００６６】
図２においてさらに例示されるように、ＳＯＦＣ単位セル２００は、機能層２０１の下側に位置する電極層２０２を含むことができる。特定の場合において、電極層２０２は、陰極機能層であることが可能である機能層２０１に直接に接続される陰極であることが可能である。１つの実施形態において、電極層２０２は、無機材料（例えば、セラミック材料など）から、より具体的には酸化物から作製することができる。電極層２０２は希土類元素を含むことができる。少なくとも１つの実施形態において、電極層２０２は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびそれらの組合せなどの元素を含むことができる。別の実施形態において、電極層２０２のための材料には、ランタンマンガナイト材料が含まれ得る。電極層２０２は、陰極組成物にペロブスカイト型結晶構造を与えるドープ処理されたランタンマンガナイト材料から作製することができる。したがって、ドープ処理されたランタンマンガナイト材料は、下記の式によって表される一般的組成を有することができる：（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δ、式中、ドーパント材が「Ａ」によって表され、ペロブスカイト型結晶構造のＡ部位においてランタン（Ｌａ）の代わりに当該物質の内部で置換される。ドーパント材は、アルカリ土類金属、鉛、または、一般には、原子比が約０．４オングストローム〜０．９オングストロームの間である二価カチオンから選択することができる。そのようなものとして、１つの実施形態によれば、ドーパント材が、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｇａ、ＰｂおよびＺｒからなる元素の群から選択される。具体的な実施形態によれば、ドーパントがＳｒであり、陰極材料が、一般にはＬＳＭとして知られているランタンストロンチウムマンガナイト材料である。
【００６７】
ドープ処理されたランタンマンガナイト材料の化学量論を参照して、１つの実施形態によれば、存在する原子のタイプ、結晶構造内の空位の割合、および、原子の比率（具体的には、陰極材料内のＬａ／Ｍｎの比率）などのパラメーターが、燃料電池の運転期間中における電気伝導率制限組成物の形成を管理するために提供される。電気伝導率制限組成物の形成はセルの効率を低下させる場合があり、ＳＯＦＣの寿命を短くする。１つの実施形態によれば、ドープ処理されたランタンマンガナイト材料は（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δ（式中、ｘは約０．５以下であり、ｙは約１．０以下であり、Ｌａ／Ｍｎの比率が約１．０以下である）を含む。ドープ処理されたランタンマンガナイト組成物におけるｘの値は、構造内においてＬａに代わって置換されるドーパントの量を表す。１つの実施形態によれば、ｘは約０．５以下であり、例えば、約０．４または０．３を超えない。それでもなお、電極層２０２材料内に施されるドーパントの量は、ｘが約０．２以下であるか、または、それでもなお、０．１以下であり、特に、約０．４〜０．０５の間の範囲内であるように、それよりも小さい場合がある。
【００６８】
特定の実施形態において、ドーパント材は、電極層２０２の組成物が（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δ（式中、ｘは約０．５以下であり、例えば、約０．４、０．３、０．２を超えず、または、それどころか、約０．１以下などであり、特に、約０．３５〜０．０５の間の範囲内である）であるように、Ｓｒである（ＬＳＭ陰極）。前記実施形態において記載されるようなドーパント濃度を有する電極層２０２は、燃料電池の運転期間中における電気伝導率制限組成物の形成を低下させるために望ましい場合がある。
【００６９】
電極層２０２の材料の化学量論に対するさらなる参照において、一般式（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δにおけるｙの値は結晶格子内のＡ部位における原子のパーセント占有を表す。別の方法の考えでは、ｙの値はまた、１．０から引かれる場合があり、結晶格子内のＡ部位における空位の割合を表す。本開示の目的のために、１．０未満のｙの値を有するドープ処理されたランタンマンガナイト材料は、結晶構造内のＡ部位が１００％占有されていないので、「Ａ部位欠損構造」と呼ばれる。１つの実施形態によれば、ｙは約０．９５以下であり、例えば、約０．９０、０．８８を超えず、または、それどころか、約０．８５以下などである。具体的な実施形態において、電極層２０２の材料は、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δの組成を有するＬＳＭ（ドーパント材がＳｒである）であることが可能であり、ｙの値が約１．０以下であり、例えば、約０．９５、０．９３、または、それどころか、０．９０などを超えず、特に、約０．７０〜０．９９の間の範囲に含まれる。前記実施形態において提供されるような、Ａ部位欠損のドープ処理ランタンマンガナイト組成物を有する電極層２０２は、燃料電池の運転期間中における電気伝導率制限組成物の形成を低下させるために望ましい。
【００７０】
電極層２０２のドープ処理されたランタンマンガナイト材料の組成に対するさらなる参照において、１つの実施形態によれば、Ｌａ／Ｍｎの比率が約１．０以下であることが可能である。材料内のＬａ／Ｍｎの比率は、ドーパントの添加（一般式におけるｘの値）によって、同様にまた、（ｙの値に関連づけられる）Ａ部位の空位をランタンマンガナイトの結晶構造の内部に生じさせることによって変更することができる。そのようなものとして、別の実施形態において、Ｌａ／Ｍｎの比率は１．０未満であることが可能であり、例えば、約０．９７、０．９５よりも小さく、または、それどころか、約０．９３未満などであることが可能である。具体的な実施形態によれば、陰極材料は、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δ（式中、ｘは約０．５以下であり、ｙは約１．０以下であり、Ｌａ／Ｍｎの比率が１．０以下である）の一般的組成を有するＬＳＭであることが可能である。したがって、ＬＳＭ材料内のＬａ／Ｍｎの比率が約１．０未満である場合があり、例えば、約０．９７、０．９５、または、それどころか、約０．９０などよりも小さい場合がある。一般に、１．０以下のＬａ／Ｍｎの比率、特に、１．０未満のＬａ／Ｍｎの比率は、ＳＯＦＣの運転期間中における電気伝導率制限組成物の形成を低下させる望ましい化学量論的条件を提供する。そのような電気伝導率制限組成物の形成はＳＯＦＣの効率および運転可能な寿命を低下させる場合がある。
【００７１】
代替において、または、加えて、電極層２０２の材料はＬａ−フェライト系材料を含むことができる。典型的には、Ｌａ−フェライト系材料は１つまたは複数の好適なドーパント（例えば、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、ＣｏまたはＦｅなど）によりドープ処理することができる。ドープ処理されたＬａ−フェライト系材料の例には、ＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）（例えば、Ｌａ１−ｇＳｒｑＣｏ１−ｊＦｅｊＯ３（式中、ｑおよびｊのそれぞれが独立して０．１以上であり、かつ、０．４以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）が約１．０〜約０．９０（モル比）の間の範囲である）が含まれる。１つの具体的な実施形態において、電極層２０２は、Ｌａ−マンガナイト材料およびＬａ−フェライト材料の混合物を含むことができる。例えば、電極層２０２はＬａＳｒ−マンガナイト（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３）およびＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）を含むことができる。一般的な例には、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８Ｍｎ３＋-Δ（式中、Δはゼロ以上であり、かつ、０．３未満である）およびＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ４２Ｆｅ０．８Ｏ３が含まれる。
【００７２】
電極層２０２は、機能層２０１のＣＴＥと実質的に同じで、かつ、それどころか、緻密層２０３のＣＴＥと実質的に同じであり得る熱膨張率（ＣＴＥ）を有することができる。
【００７３】
電極層２０２は、材料の薄い実質的に平面状の層であることが可能である。電極層２０２は、機能層２０１または緻密層２０３の平均厚さよりも大きい平均厚さを有することができる。例えば、電極層２０２は、少なくとも約１００ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約３００ミクロン、少なくとも約５００ミクロン、少なくとも約７００ミクロン、または、それどころか、少なくとも約１ｍｍなどの平均厚さを有することができる。それでもなお、電極層２０２は約５ｍｍ以下の平均厚さを有することができ、例えば、約２ｍｍ以下、約１．５ｍｍ以下などの平均厚さを有することができる。電極層２０２の平均厚さは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００７４】
電極層２０２は、本明細書中の実施形態による単位セルの形成を容易にする特定の粒子サイズを有する粉末電極材料から形成することができる。例えば、粉末電極材料は約１００ミクロン未満のメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約５ミクロン未満、または、それどころか、約１ミクロン未満などのメジアン粒子サイズを有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末電極材料のメジアン粒子サイズは、少なくとも約０．０１ミクロン、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０８ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、または、それどころか、少なくとも約０．４ミクロンであることが可能である。粉末電極材料は、上記で記される最小値および最大値のいずれかを含む範囲に含まれるメジアン粒子サイズを有し得ることが理解されるであろう。
【００７５】
電極層２０２は多孔性層であることが可能である。多孔性は、ガスをＳＯＦＣ品に送達するために利用することができる経路の形態である場合がある。そのような経路が、特定の様式で、例えば、電極層２０２の体積全体を通して規則的な繰り返しパターンなどで構成される場合がある。好適な技術はどれも、多孔性および／または経路を形成するために使用される場合があり、そのような技術には、例えば、形状化された一過性のものを取り込むこと、エンボス加工すること、経路をテープに切り刻み、その後、テープを積み重ねて経路を規定すること、予備成形物を介して押出しを使用すること、パターン化されたロールをロール圧密成形において使用することが含まれる。
【００７６】
特定の場合において、電極層２０２は、例えば、バルク層部分および結合層部分を含めて、１つまたは複数の個々の層から作製することができる。ある特定の構築物において、電極層２０１は、間に配置されるバルク層部分、具体的には、機能層部分２０３に直接に結合するバルク層部分と、結合層部分とを含むことができる。
【００７７】
バルク層部分は、当該バルク層部分の総体積について約２０ｖｏｌ％〜約６０ｖｏｌ％の間の範囲に含まれる多孔性を有する多孔性層であることが可能である。バルク層部分は、機能層部分層または結合層部分の内部の細孔の平均細孔サイズよりも著しく大きい平均細孔サイズを有することができる。具体的には、バルク層部分は、ガス状化学種を他の成分層（例えば、電解質層）に送達するための経路を含有することができる。電極層２０２のバルク層部分は、機能層２０３よりも著しく大きい多孔性を有することができる。
【００７８】
バルク層部分の未加工の材料を、機能層２０１または電極層２０２の結合層部分よりも一般には粗い材料から形成することができる。特定の場合において、バルク層部分は凝集粉末から形成することができる。凝集物は約１ミクロン〜約３００ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する場合があり、例えば、約１ミクロン〜約２００ミクロンの間、または、それどころか、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間などのメジアン粒子サイズを有する場合がある。特定の実施形態において、粗い粒子が、凝集粉末の代わりに、または、凝集粉末に加えて使用される場合がある。そのような粗い粒子は、約０．１ミクロン〜約１００ミクロンの間の範囲に含まれるメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約０．１ミクロン〜約５０ミクロンの間、または、それどころか、約０．１ミクロン〜約１５ミクロンの間などのメジアン粒子サイズを有することができる。
【００７９】
電極層２０２のバルク層部分は、機能層２０１または電極層２０２の結合層部分の平均厚さよりも大きい平均厚さを有する、材料の薄い実質的に平面状の層であることが可能である。具体的には、バルク層部分は約２ｍｍ以下の平均厚さを有することができ、例えば、約１ｍｍ以下または約８００ミクロン以下などの平均厚さを有することができる。それでもなお、バルク層部分は、少なくとも約５０ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約１００ミクロン、少なくとも約２００ミクロンまたは少なくとも約５００ミクロンなどの平均厚さを有することができる。バルク層部分は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００８０】
電極層２０２の結合層部分はバルク層部分と直接に接触していることが可能である。電極層２０２の結合層部分はまた、相互接続層の上側に位置する（ｏｖｅｒｌｙ）場合があり、具体的には、相互接続層と直接に接続する場合がある。結合層部分は、本明細書中に記載される電極層２０２と同じ材料を含むことができる。
【００８１】
結合層部分は、当該結合層部分の総体積について約０ｖｏｌ％〜約４０ｖｏｌ％の間の範囲に含まれる多孔性を有する多孔性層であることが可能である。結合層部分は、バルク層部分の内部の細孔の平均細孔サイズよりも著しく小さい平均細孔サイズを有することができる。結合層部分は、完成したＳＯＦＣ品の好適な電気的特性を容易にすることができる。
【００８２】
電極層２０２の結合層部分の原料を、電極層２０２のバルク層部分の原料よりも一般には細かい材料から形成することができる。特定の場合において、結合層部分の原料を、比較的細かい凝集粉末から形成することができる。細かい凝集粉末は約１００ミクロン以下の平均凝集物サイズを有することができ、例えば、約７５ミクロン以下、約４５ミクロン以下、または、それどころか、約２０ミクロン以下などの平均凝集物サイズを有することができる。それでもなお、細かい凝集粉末のメジアン粒子サイズは、少なくとも約０．５ミクロンであることが可能であり、例えば、少なくとも約１ミクロンまたは少なくとも約５ミクロンなどであることが可能である。細かい凝集粉末のメジアン粒子サイズは、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲内とされ得ることが理解されるであろう。加えて、細かい凝集粉末は、特により細かい粒子サイズを有する、大部分が凝集していない粉末と混合することができる。代替において、細かい凝集粉末は、凝集していない粒子により一部分または全体が置き換えられる場合がある。粉末材料の特定のサイズは、好適な細孔サイズおよび粒径を結合層部分の内部において形成することを容易にすることができる。
【００８３】
電極層２０２の結合層部分は、バルク層部分の平均厚さよりも小さい平均厚さを有する、材料の薄い実質的に平面状の層であることが可能である。具体的には、結合層部分は約１ｍｍ以下の平均厚さを有することができ、例えば、約７００ミクロン以下、約５００ミクロン以下、または、それどころか、約２００以下などの平均厚さを有することができる。それでもなお、結合層部分は、少なくとも約１ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約１０ミクロン、少なくとも約２０ミクロンなど、例えば、少なくとも約５０ミクロン、少なくとも約７５ミクロン、少なくとも約１００ミクロンなどの平均厚さを有することができる。結合層部分は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００８４】
図３は、１つの実施形態によるＳＯＦＣ単位セルの例示を含む。ＳＯＦＣ単位セル３００は、陰極結合層３０８、陰極結合層３０８の上側に位置する陰極バルク層３０７、陰極バルク層３０７の上側に位置する陰極機能層３０６、陰極機能層３０６の上側に位置する電解質層３０５、電解質層３０５の上側に位置する陽極機能層３０４、陽極機能層３０４の上側に位置する陽極バルク層３０３、陽極バルク層３０３の上側に位置する陽極結合層３０２、および、陽極結合層３０２の上側に位置する相互接続層３０１を含むことができる。本明細書中に記載されるように、ＳＯＦＣ単位セル３００は、例えば、最終的に形成された一体型ＳＯＦＣ単位セルの形成を容易にするための一軸ホットプレス成形を含めて、本明細書中に記載されるプロセスに従って作製することができる。そのうえ、ＳＯＦＣ単位セル３００の層のそれぞれが、示されるように互いに直接に接触していることが可能である。
【００８５】
陰極結合層３０８、陰極バルク層３０７、陰極機能層３０６、電解質層３０５、陽極機能層３０４および相互接続層３０２は、本明細書中の実施形態に記載されるように作製することができる。そのうえ、陰極結合層３０８、陰極バルク層３０７、陰極機能層３０６、電解質層３０５、陽極機能層３０４、陽極バルク層３０３および相互接続層３０１は、本明細書中の他の実施形態に記載される対応する層の特徴を有することができる。
【００８６】
陽極バルク層３０３は、サーメット材料から、すなわち、セラミック材料および金属性材料の組合せから作製することができる。いくつかの好適な金属には、例えば、ニッケルまたは銅を含めて、遷移金属種が含まれ得る。陽極バルク層３０３は、例えば、セラミック材料および特に酸化物材料を含めて、イオン性導体を含むことができる。例えば、陽極バルク層３０３は、ニッケルおよびジルコニア系材料（例えば、イットリア安定化ジルコニアを含む）を用いて形成される場合がある。代替において、陽極バルク層３０３はセリア系材料（例えば、酸化ガドリニウム安定化セリアを含む）を含むことができる。この場合のニッケルは、陽極の未加工の材料に含まれる酸化ニッケルの還元により生じさせることができる。代替において、ある特定の他のタイプの酸化物材料が陽極バルク層３０３において使用され得ることが理解されるであろう（例えば、チタナイト、マンガナイト、クロマイトおよびそれらの組合せなど）。そのような酸化物はまた、ペロブスカイト型材料であってもよいことが理解されるであろう。
【００８７】
例示されるように、ＳＯＦＣ単位セルは、機能層部分３０４、バルク層部分３０３および結合層部分３０２を含む複数の層から作製される陽極を含むことができる。陽極バルク層３０３は、当該層の総体積について約２０ｖｏｌ％〜約６０ｖｏｌ％の間の範囲に含まれる多孔性を有する多孔性層であることが可能である。陽極バルク層３０３は、陽極機能層部分層または陽極結合層部分の内部の細孔の平均細孔サイズよりも著しく大きい平均細孔サイズを有することができる。具体的には、陽極バルク層３０３は、ガス状化学種を他の成分層（例えば、電解質層）に送達するための経路を含有することができる。陽極バルク層３０３は、機能層よりも著しく大きい多孔性を有することができる。
【００８８】
陽極バルク層３０３の未加工の材料を、陽極の陽極機能層３０４または陽極結合層３０２よりも一般には粗い材料から形成することができる。特定の場合において、陽極バルク層３０３は凝集粉末から形成することができる。凝集物は約１ミクロン〜約３００ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する場合があり、例えば、約１ミクロン〜約２００ミクロンの間、または、それどころか、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間などのメジアン粒子サイズを有する場合がある。特定の実施形態において、粗い粒子は、凝集粉末の代わりに、または、凝集粉末に加えて使用される場合がある。そのような粗い粒子は、約０．１ミクロン〜約１００ミクロンの間の範囲に含まれるメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約０．１ミクロン〜約５０ミクロンの間、または、それどころか、約０．１ミクロン〜約１５ミクロンの間などのメジアン粒子サイズを有することができる。
【００８９】
陽極バルク層３０３は、陽極の電極層の機能層または結合層部分の平均厚さよりも大きい平均厚さを有する、材料の薄い実質的に平面状の層であることが可能である。具体的には、陽極バルク層３０３は約２ｍｍ以下の平均厚さを有することができ、例えば、約１ｍｍ以下または約８００ミクロン以下などの平均厚さを有することができる。それでもなお、陽極バルク層３０３は、少なくとも約５０ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約１００ミクロン、少なくとも約２００ミクロンまたは少なくとも約５００ミクロンなどの平均厚さを有することができる。陽極バルク層３０３は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００９０】
陽極機能層３０４は電解質層３０５と直接に接触している場合があり、具体的には、電解質層３０５に直接に結合することができる。陽極機能層３０４は、本明細書中に記載される陽極バルク層３０３と同じ材料を含むことができる。そのうえ、陽極機能層３０４は、本明細書中に記載されるような陽極バルク層３０３と同じ材料を含むことができる。
【００９１】
１つの実施形態によれば、陽極機能層３０４は、当該層の総体積について約２０ｖｏｌ％〜約５０ｖｏｌ％の間の範囲に含まれる多孔性を有する多孔性層であることが可能である。陽極機能層３０４は、陽極バルク層３０３の内部の細孔の平均細孔サイズよりも著しく小さい平均細孔サイズを有することができる。
【００９２】
特定の場合において、陽極機能層３０４の未加工の材料を、比較的細かい凝集粉末から形成することができる。代替において、粉末材料は非凝集である場合がある。粉末は約１００ミクロン以下のメジアン粒子サイズを有することができ、例えば、約７５ミクロン以下、また、ある特定の場合においては約４５ミクロン以下などのメジアン粒子サイズを有することができる。加えて、粉末は、凝集粉末および非凝集粉末の混合物であることが可能であり、ただし、この場合、非凝集粉末は、特により細かい粒子サイズを有する場合がある。そのようなサイズは、陽極機能層３０４の内部の好適な細孔サイズおよび粒径の形成を容易にすることができる。
【００９３】
陽極機能層３０４は、約１ｍｍ以下の平均厚さ、例えば、約７００ミクロン以下、約５００ミクロン以下、約２００ミクロン以下、約１５０ミクロン以下など、例えば、約１００ミクロン以下、または、それどころか、約５０ミクロン以下などの平均厚さを有する、薄い実質的に平面状の層であることが可能である。それでもなお、陽極機能層３０４は、少なくとも約０．５ミクロンの平均厚さを有することができ、例えば、少なくとも約１ミクロン、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約１０ミクロン、少なくとも約１５ミクロン、または、それどころか、少なくとも約２０ミクロンなどの平均厚さを有することができる。陽極機能層３０４は、上記で記される最小値および最大値のいずれかの間の範囲に含まれる平均厚さを有し得ることが理解されるであろう。
【００９４】
陽極機能層３０４は、本明細書中に記載される陽極バルク層３０３と同じ材料を含むことができる。そのうえ、陽極機能層３０４は様々な材料の組合せを含むことができ、例えば、陽極バルク層３０３および電解質層３０５に由来する材料の組合せなどを含むことができる。陽極結合層３０２は様々な材料の組合せを含むことができ、例えば、陽極バルク層３０３および相互接続層３０１に由来する材料の組合せなどを含むことができる。
【００９５】
経路が、反応に燃料を供給するガス状化学種の送達のために特定の層（例えば、陽極バルク層および陰極バルク層など）において形成され得ることが理解されるであろう。
【００９６】
特定の場合において、ＳＯＦＣ単位セルは、機能層が、ある特定のガス拡散速度を容易にする（または、ガス拡散抵抗を低下させる）多孔性を備えるように形成することができる。例えば、機能層を介する陰極と電解質との間におけるガス拡散速度を、垂直方向の配向を有する多孔性の著しい部分を伴うことなく形成される機能層とは対照的に、垂直方向の配向を有する増大した第１のタイプの多孔性により改善することができる。
【００９７】
１つの具体的な実施形態によれば、本明細書中で形成されるＳＯＦＣ品の運転温度は約６００℃〜約１０００℃の間の範囲内であることが可能である。
【実施例１】
【００９８】
第１のＳＯＦＣ単位セル（サンプル１）を、ＣＢ−ＣＦＬ−Ｅ−ＡＦＬ−ＡＢ（ＣＢおよびＡＢはバルク陰極層およびバルク陽極層を表し、ＣＦＬは陰極機能層を表し、Ｅは電解質層を表し、ＡＦＬは陽極機能層を表す）の一般的構成を有して下記の方法に従って形成する。このＣＢ−ＣＦＬ−Ｅ−ＡＦＬ−ＡＢ構成を、ＣＢ層、ＣＦＬ層、Ｅ層、ＡＦＬ層およびＡＢ層のテープまたはシートを積層化することによって形成する。
【００９９】
ＣＦＬの未加工のテープを、Ｐｒａｘａｉｒから市販されているＬＳＭ粉末［（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３］と、Ｕｎｉｔｅｃから市販されている８ＹＳＺ材料との混合物を含有するスラリーをテープ成形することによって形成する。テープ成形を、Ｚｅｈｎｔｎｅｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｚｅｈｎｔｎｅｒ、スイス）からＺＡＡ２３００モデルとして入手可能な卓上型テープ成形装置を使用して完了させる。陰極機能層粉末材料は１ミクロン〜２ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する。この粉末材料の粒子サイズ分布を図１８に例示する。
【０１００】
１つのテープを、Ａｌ−Ｍｎ  ８ＹＳＺの電解質粉末材料を含有するスラリーから未加工の電解質層（Ｅ）にテープ成形する。この電解質粉末材料は０．２ミクロン〜０．５ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する。Ａｌ−Ｍｎ  ８ＹＳＺの１つの未加工のテープが、未加工の電解質層であり、これを未加工の陰極機能層（ＣＦＬ）を覆って置く。
【０１０１】
１つのテープを、Ｎｏｖａｍｅｔから市販されているＮｉＯ粉末と、１０ＹＳＺ（または８ＹＳＺ）材料との混合物を含有するスラリーから未加工の陽極機能層（ＡＦＬ）にテープ成形する。このＮｉＯ粉末およびＮｏｖａｍｅｔ粉末は０．５ミクロン〜１０ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する。この１つの陽極機能層テープを電解質層（Ｅ）の反対側に置く。
【０１０２】
１つのテープを、Ｎｏｖａｍｅｔから市販されているＮｉＯ粉末と、１０ＹＳＺ（または８ＹＳＺ）材料との混合物を含有するスラリーから未加工の陽極バルク層（ＡＢ）にテープ成形する。このＮｉＯ粉末およびＮｏｖａｍｅｔ粉末は０．５ミクロン〜５０ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する。いくつかの未加工の陽極バルク層テープを一緒に積層化し、ＡＦＬテープに置いて、およそ１ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを得る。
【０１０３】
１つのテープを、ＬＳＭ粉末材料の混合物を含有するスラリーから未加工の陰極バルク（ＣＢ）にテープ成形する。このＬＳＭ粉末材料は１ミクロン〜５０ミクロンの間のメジアン粒子サイズを有する。ＡＢ層のいくつかのテープをＡＦＬ層に置いて、およそ１ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを得る。
【０１０４】
その後、このＣＢ−ＣＦＬ−Ｅ−ＡＦＬ−ＡＢ型ＳＯＦＣ単位セルを、およそ１２５０℃〜約１３００℃の温度での約３時間にわたる等温保持とともに、３０ｍｍのおおよその直径を有するサンプルに対する（約２ＭＰａ〜５ＭＰａの圧力に対応する）１０００Ｎ〜３０００Ｎの力のもと、空気雰囲気中で一軸ホットプレス成形する。陰極機能層を、３０ミクロンのおおよその厚さを有するように形成し、電解質層はおよそ１０ミクロン〜２０ミクロンの厚さを有する。ＡＦＬ層の厚さはおおよそ３０ミクロンである。
【０１０５】
このＣＢ−ＣＦＬ−Ｅ−ＡＦＬ−ＡＢ型ＳＯＦＣ単位セルを分析し、ＣＦＬ層は、およそ１５％〜４０％の総多孔性を有すること、および、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性の著しい量を有することが見積もられ、総多孔性のそれほど多くない部分が、ランダムな配向または水平方向の配向を有する第２および第３のタイプの多孔性である。実際、ＣＦＬ層は、およそ４９度の平均細孔角度を有すると計算される。分析を、細孔角度θ、細孔伸長率ε、細孔サイズｄｍおよび細孔配向指数ｋを含む４つのパラメーターを確認することによって行う。この場合、これらのパラメーターを、形成後のＣＦＬの内部のランダムな場所から撮影された少なくとも５枚の代表的なＳＥＭ断面画像において２００個〜６００個の細孔から計算し、平均化した。この方法は、ＷａｎｇおよびＡｔｋｉｎｓｏｎ、Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ、第５９巻、第６号、２０１１年４月、２５１４頁〜２５２５頁による参考文献に詳述されている。
【０１０６】
細孔角度を細孔のｘ軸と主軸との間の角度として定義する（９０〜１８０の角度はＺ軸の反対側に反転させた）。他の３つのパラメーターの定義は下記の通りである：
【０１０７】
【数１】
2015504588.tif 000003
【０１０８】
式中、ｄｉｍａｊおよびｄｉｍｉｎは細孔の主軸および短軸である。
【０１０９】
ＣＦＬ内の細孔の代表的サンプルの配向を測定するための手順を、良好なコントラストを有する高品質のＳＥＭ画像を得ることによって開始する。一般に、約０．１ｕｍ〜約２ｕｍの間のサイズを有する細孔については倍率を２０００Ｘ〜５０００Ｘに設定し、それよりも大きいサイズを有する細孔については倍率を５００Ｘ〜約２０００Ｘに設定する。典型的には、少なくとも２００個の細孔を１つのＳＥＭ画像において得る。少なくとも２枚の異なるＳＥＭ写真を、正確かつ統計学的に代表的なサンプリングを得るために同じＣＦＬに対して調べる。より好ましくは、少なくとも４枚の異なるＳＥＭ写真を調べ、同じＣＦＬ内の異なる場所から分析する。図６における代表的な写真を参照されたい。
【０１１０】
細孔を、（ｈｔｔｐ：／／ｒｓｂｗｅｂ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊにおいて入手可能な）Ｉｍａｇｅ  Ｊソフトウエアを使用して分析する。コントラストおよび輝度を、細孔の輪郭をはっきりさせるために必要に応じて調節する。閾値強度を調節することにより、二値像がもたらされる。図７を参照されたい。拡張すること、穴を埋めること、浸食すること、閉鎖機能および解放機能の組合せを、二値像が元の像に対して最も良く一致したものであることを保証するために使用することができる。画像処理後、二値像における細孔が、処理された像において暗い「粒子」として現れる。
【０１１１】
その後、この二値像は、Ｉｍａｇｅ  Ｊソフトウエアにおける分析機能を使用して分析することができる。細孔が、等しい面積の楕円として表され、ソフトウエアにより、二値像におけるそれぞれの細孔について細孔サイズおよび細孔角度とともに計算するリストが提供されるであろう。その後、細孔サイズ値および細孔角度値のリストはさらに、平均値、標準偏差などを明らかにするための標準的なスプレッドシードソフトウエア（例えば、Ｅｘｃｅｌ）を使用して分析することができる。
【０１１２】
第２のＳＯＦＣ単位セル（サンプル２）を、陰極機能層が、およそ４ミクロン〜１０ミクロンのメジアン粒子サイズを有するＰＭＭＡの細孔形成剤をスラリーのおよそ４０体積％の量で含むスラリーから形成されることを除いて、概ねサンプル１を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。このＰＭＭＡの粒子サイズ分布のグラフ表示を図１８に例示する。この単位セルを、同じ圧力を使用しておよそ１２００℃の温度で形成した。図８はサンプル２のＣＦＬ層のＳＥＭ顕微鏡写真を含み、この場合、ＣＦＬ層は、およそ２０％〜４０％の総多孔性を有すると見積もられるが、ランダムな配向または水平方向の配向を有する第２および第３のタイプの多孔性の著しい量、ならびに、サンプル１と比較して、垂直方向の配向を有する著しくより少ない多孔性を有する。実際、このサンプルの平均細孔角度が、およそ３７度であると計算された。図９は図８の二値像を含む。
【０１１３】
第３のＳＯＦＣ単位セル（サンプル３）を、陰極機能層が、およそ５ミクロン〜１０ミクロンのメジアン粒子サイズを有するグラファイトの細孔形成剤をスラリーのおよそ２０体積％の量で含むスラリーから形成されることを除いて、概ねサンプル１を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。このグラファイトの粒子サイズ分布のグラフ表示を図１８に例示する。この単位セルを、およそ１３００℃の温度および１２ＭＰａで形成した。サンプル３のＣＦＬ層は、およそ１１％の総多孔性を有すると見積もられた。このサンプルの平均細孔角度が、およそ３７度であると計算された。図１０はサンプル３における細孔の略図を例示する。
【０１１４】
第４のＳＯＦＣ単位セル（サンプル４）を、グラファイトがスラリーのおよそ４０体積％の量で存在することを除いて、概ねサンプル３を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。この単位セルを、およそ１３００℃の温度および１２ＭＰａで形成した。サンプル４のＣＦＬ層は、およそ１６％の総多孔性を有すると見積もられた。このサンプルの平均細孔角度が、およそ４１度であると計算された。図１１はサンプル４における細孔の略図を例示する。
【０１１５】
第５のＳＯＦＣ単位セル（サンプル５）を、陰極機能層が、およそ２ミクロンのメジアン粒子サイズを有するカーボンブラックの細孔形成剤をスラリーのおよそ３０体積％の量で含むスラリーから形成されることを除いて、概ねサンプル３を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。このカーボンブラックの粒子サイズ分布のグラフ表示を図１８に例示する。このカーボンブラックの粒子サイズ分布はＰＭＭＡまたはグラファイトの粒子サイズ分布をより忠実に反映していた。この単位セルを、およそ１３００℃の温度および１２ＭＰａで形成した。サンプル５のＣＦＬ層のＳＥＭ顕微鏡写真を図１２に例示し、この場合、ＣＦＬ層は、およそ１６％の総多孔性を有すると見積もられる。サンプル５は、サンプル２〜サンプル４と比較して、垂直方向の配向を有する多孔性の著しい量を有する。このサンプルの平均細孔角度が、およそ４８度であると計算された。図１３はサンプル５における細孔の略図を例示する。
【０１１６】
第６のＳＯＦＣ単位セル（サンプル６）を、カーボンブラックがスラリーのおよそ４０体積％の量で存在することを除いて、概ねサンプル５を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。図１９は、およそ１８％の総多孔性を有すると見積もられる、サンプル６のＣＦＬ層のＳＥＭ顕微鏡写真を含む。サンプル６は、サンプル２〜サンプル４と比較して、垂直方向の配向を有する多孔性の著しい量を有する。このサンプルの平均細孔角度が、およそ４９度であると計算された。図１４はサンプル６における細孔の略図を例示する。
【０１１７】
第７のＳＯＦＣ単位セル（サンプル７）を、カーボンブラックがスラリーのおよそ５０体積％の量で存在することを除いて、概ねサンプル５を形成するために使用される同じプロセスを使用して形成する。サンプル７は、およそ１６％の総多孔性を有すると見積もられた。サンプル７は、サンプル２〜サンプル４と比較して、垂直方向の配向を有する多孔性の著しい量を有する。このサンプルの平均細孔角度が、およそ４７度であると計算された。図１５はサンプル７における細孔の略図を例示する。
【０１１８】
サンプル３、サンプル４およびサンプル５をそれらの電気的性能について評価する。図１６は、電流密度（Ａ／ｃｍ２）に対してプロットされる電圧（Ｖ）および最大出力密度（Ｗ／ｃｍ２）のグラフを例示する。インピーダンスもまた測定し、図１７に例示する。本明細書中の実施形態は最新技術からの発展を表す。ホットプレス成形が、高緻密層の形成と併せて従来では使用されているが、ホットプレス成形は一般に、多孔性のタイプ、配向およびサイズの制御が所望される薄い層の形成では使用されない。対照的に、本発明の実施形態は、ＳＯＦＣ単位セルの薄い層における多孔性の様々な態様を一軸ホットプレス成形により制御する方法を詳述している。注目すべきことに、異なる層の組合せ、具体的には、互いに密着接触している様々な密度の層の組合せを有する一体型構造物（例えば、ＳＯＦＣ単位セル）を形成するという状況では、本明細書中の実施形態において開示されるプロセスは、そのような構造物の改善された形成を容易にすることが見出されている。上記実施形態では、総多孔性、多孔性のタイプおよび多孔性のサイズを含む場合がある制御された形態学的特徴を有する薄い層（例えば、ＣＦＬ）の形成を容易にすることができる、原料粉末、細孔形成剤、細孔形成剤の粒子サイズ分布、細孔形成剤の粒子サイズ分布の粉末材料の粒子サイズ分布との相関、および、一軸ホットプレス成形操作の加工パラメーター（これらに限定されない）を含む様々な要因の組合せが詳述される。本明細書中の実施形態によれば、そのような特徴は、改善されたガス拡散特性および改善された電気化学的特性などの様々な利点の組合せを容易にする。
【０１１９】
上記の開示された主題は、例示的であり、かつ、限定的でないと見なされなければならず、添付されている請求項は、本発明の真の範囲に含まれるすべてのそのような改変、強化および他の実施形態を包含することが意図される。したがって、法によって許される最大範囲にまで、本発明の範囲は、下記の請求項およびそれらの均等物の最も広い許容される解釈によって決定されることになり、また、本発明の範囲は上記の詳細な説明によって制約または限定されてはならない。
【０１２０】
開示の要約が、特許法に従うために提供されており、また、請求項の範囲または意味を解釈または限定するために使用されないであろうという理解とともに提出されている。加えて、上記の詳細な説明では、様々な特徴が、開示を簡略化するという目的のためにまとめてグループ化されるか、または、ただ１つの実施形態において記載される場合がある。本開示は、特許請求されている実施形態が、それぞれの請求項において明示的に示されるよりも多くの特徴を要求するという意図を反映するものとして解釈してはならない。むしろ、下記の請求項が反映するように、発明となる主題が、開示されている実施形態のいずれかのすべてでない特徴に向けられる場合がある。したがって、下記の請求項は詳細な説明に組み込まれ、この場合、それぞれの請求項が単独で、別個に主張される主題を明確にするものとして存在する。
【図１】
2015504588.tif 000004
【図２】
2015504588.tif 000005
【図３】
2015504588.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図１１】
2015504588.tif 000010
【図１３】
2015504588.tif 000011
【図１４】
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【図１５】
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【図６】
2015504588.tif 000014
【図７】
2015504588.tif 000015
【図８】
2015504588.tif 000016
【図９】
2015504588.tif 000017
【図１２】
2015504588.tif 000018
【図１６】
2015504588.tif 000019
【図１７】
2015504588.tif 000020
【図１８】
2015504588.tif 000021
【図１９】
2015504588.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月30日(2014.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均厚さが約１００μｍ以下である機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層は、垂直方向の配向を有する第１のタイプの多孔性を備え、前記第１のタイプの多孔性は長さ：幅の所定のアスペクト比を有し、前記長さが前記機能層の厚さの大きさと実質的に一致するＳＯＦＣ単位セル
を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。
【請求項２】
前記第１のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の著しい量で存在する、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項３】
前記第１のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の少なくとも約５０％の量で存在する、請求項２に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項４】
ランダムな配向を有する第２のタイプの多孔性をさらに備える、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項５】
水平方向の配向を有する第３のタイプの多孔性をさらに備える、請求項４に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項６】
前記機能層が該機能層の総体積について少なくとも約５ｖｏｌ％の多孔性を備える、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項７】
前記第１のタイプの多孔性が、約２５μｍ以下である平均細孔サイズを有する、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項８】
前記ＳＯＦＣ単位セルがさらに、カソードを備える第１の電極を含み、ただし、前記カソードは前記機能層と直接に接触しており、かつ、前記カソードは、前記機能層の多孔性（ｖｏｌ％）よりも大きい多孔性（ｖｏｌ％）を有するバルク層部分を含む、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項９】
前記ＳＯＦＣ単位セルがさらに、機能層の上側に位置する緻密層を含む、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１０】
前記機能層が電極と高緻密層との間に配置され、ただし、前記長さは前記幅よりも大きく、かつ、長さの大きさにより、前記機能層の幅を規定する水平軸から約４５度よりも大きい角度を形成する細孔軸が規定される、請求項１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１１】
平均厚さが約１００ミクロン以下である機能層を含むＳＯＦＣ単位セルであって、前記機能層の多孔性の一部分が、
少なくとも約１．１：１の長さ：幅のアスペクト比と、前記機能層の幅を規定する水平軸に関して垂直方向の配向とを有する第１のタイプの多孔性、および
前記機能層の前記水平軸に関して非垂直方向の配向を有する第２のタイプの多孔性
を備えるＳＯＦＣ単位セル
を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）品。
【請求項１２】
長さ：幅の前記アスペクト比が、少なくとも約１．２：１である、請求項１１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１３】
前記長さおよび幅が、２０００Ｘ〜５０００Ｘの間の範囲に含まれる倍率で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により断面において見られる、請求項１１に記載のＳＯＦＣ品。
【請求項１４】
固体酸化物燃料電池ＳＯＦＣ品を形成する方法であって、
細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および
前記未加工の機能層を、温度、圧力、時間および雰囲気からなる群から選択される変形条件のもと、仕上がった機能層を形成するために一軸方向ホットプレス成形する工程（ただし、前記細孔形成剤から形成される細孔の著しい部分が一軸ホットプレス成形の期間中に水平軸に関して垂直方向に配向する）
を含む方法。
【請求項１５】
前記含有量の細孔形成剤が約２０μｍ未満のメジアンサイズを有し、かつ、前記完成した機能層が約１００μｍ以下の平均厚さを備える、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2015504588.tif 000023
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2015504588.tif 000025