(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電気化学デバイス（１２）の製造方法であって、
第１の電極（１４）と第２の電極（１６）との間に電解物（１８）を配置するステップと、
結合剤（３２）が前記第１の電極（１４）および第１の相互接続体（２０）と接触するように該結合剤（３２）を前記第１の電極（１４）と前記第１の相互接続体（２０）との間に加え、前記第１の電極（１４）と前記第１の相互接続体（２０）が互いの間に少なくとも１つの燃料流れ領域（２２）を形成するように構成させるステップと、
シーリング剤（３４）を前記第１の電極（１４）と前記第１の相互接続体（２０）との間に加えるステップと、
前記第２の電極（１６）に隣接して第２の相互接続体（２６）を配置するステップと、
前記第１の相互接続体（２０）と前記第１の電極（１４）と前記電解物（１８）と前記第２の電極（１６）と前記第２の相互接続体（２６）と前記結合剤（３２）と前記シーリング剤（３４）とを少なくともある中間温度に加熱して少なくともある中間時間長さの間少なくとも前記中間温度に維持し、次に、前記第１の相互接続体（２０）に有効に結合し且つシールするための焼結温度に焼結時間の間前記第１の電極（１４）を加熱するステップと、
を含み、
前記少なくともある中間温度は、１００℃から６７５℃の範囲である、製造方法。
【請求項２】
前記第１の電極（１４）はアノードを備え、前記第１の相互接続体（２０）はアノード相互接続体を備え、前記第２の電極（１６）はカソードを備え、かつ前記第２の相互接続体（２６）はカソード相互接続体を備える請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
欠陥に関して、前記加熱するステップの後で、前記第１の相互接続体（２０）、前記第１の電極（１４）、前記電解物（１８）、前記第２の電極（１６）、前記第２の相互接続体（２６）、前記結合剤（３２）、および前記シーリング剤（３４）を試験するステップをさらに含む請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
前記第２の電極（１６）と前記第２の相互接続体（２６）との間にスペーサ材料（３６）を配置するステップをさらに含む請求項１記載の製造方法。
【請求項５】
前記加熱するステップは、１分当たり０．１℃から１分当たり１０℃の範囲の速度で、前記第１の相互接続体（２０）、前記第１の電極（１４）、前記電解物（１８）、前記第２の電極（１６）、前記第２の相互接続体（２６）、前記結合剤（３２）、および前記シーリング剤（３４）を加熱するステップを含む請求項１記載の製造方法。
【請求項６】
焼結温度への加熱前、または焼結温度への加熱と実質的に同時に、還元剤を含むガスを少なくとも１つの燃料流れ領域（２２）に導入するステップをさらに含み、前記還元剤は、前記第１の電極（１４）の酸化物を還元する請求項１記載の製造方法。
【請求項７】
前記焼結温度への加熱前に、酸化剤を含むガスを少なくとも１つの燃料流れ領域（２２）に導入するステップをさらに含み、前記酸化剤は、有機材料を燃焼して取り除くために炭化反応で、前記第１の電極（１４）、前記結合剤（３２）、前記シーリング剤（３４）、または前記第１の相互接続体（２０）における任意の有機材料と反応する請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
前記加熱するステップの後および前記試験するステップの前に、前記第１の相互接続体（２０）、前記第１の電極（１４）、前記電解物（１８）、前記第２の電極（１６）、前記第２の相互接続体（２６）、前記結合剤（３２）、および前記シーリング剤（３４）を冷却するステップをさらに含む請求項３記載の製造方法。
【請求項９】
前記冷却するステップが、１分当たり０．１℃から１分当たり１０℃の範囲の速度で、前記第１の相互接続体（２０）、前記第１の電極（１４）、前記電解物（１８）、前記第２の電極（１６）、前記第２の相互接続体（２６）、前記結合剤（３２）、および前記シーリング剤（３４）を冷却するステップを含む請求項８記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物電気化学デバイスに関し、より詳細には、固体酸化物電気化学デバイスを製造するためのシーリングプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物電気化学デバイスは、高い効率および低排出の将来の電力生成に大きな可能性を実証している。そのような固体酸化物電気化学デバイスは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）および固体酸化物電解装置を含む。
【０００３】
固体酸化物燃料電池は、一方の電極（アノード）上で燃料を酸化し、かつ他方の電極（アノード）上で酸素を還元することによって電気を生成する。電極は、イオンの移動によって電気を導く電解物によって分離される。適切な条件下で電極での還元／酸化反応は、電圧を生成し、その電圧は次に直流電流の流れを発生するために使用されることができる。酸化剤として水素燃料および空気とともに動作する固体酸化物燃料電池の場合に、酸素イオンは、電解物を通って導かれ、そこで、酸素イオンは、水素と結合して排出生成物として水を形成する。電解物は、燃料および酸化剤の両方に対して不浸透性であり、酸素イオンだけを導く。この一連の電気化学反応は、固体酸化物燃料電池内で電力を発生する唯一の手段である。したがって、電力を生成せず、したがって固体酸化物燃料電池の効率を低減する、燃焼などの異なる反応を結果として生じる任意の反応物質混合を低減しまたは排除することが望ましい。
【０００４】
固体酸化物電気化学デバイスは、一般的に、有用な量の電力を生成するために固体酸化物電気化学デバイススタックで電気的に直列にアセンブリされる。固体酸化物電気化学デバイススタックを作るために、相互接続体と呼ばれる相互接続体部材が、隣接する固体酸化物電気化学デバイスをともに電気的に直列に接続するために使用される。一般的に、アノード層は、アノード相互接続体に接続され、カソード層は、カソード相互接続体に接続される。固体酸化物電気化学デバイスが、約６００℃から１０００℃の間など高温で動作されるとき、固体酸化物電気化学デバイスは、機械的および熱的負荷を受け、これらの機械的および熱的負荷は、固体酸化物電気化学デバイススタックにおけるひずみおよび結果として生じる応力を作ることがある。
【０００５】
一般的に、高温固体酸化物電気化学デバイスは、セラミックで作られ、このセラミックは、反応物、すなわち燃料および酸化剤が、固体酸化物電気化学デバイスへおよび固体酸化物電気化学デバイスから流れるための閉じられた通路を画定するために、金属相互接続構造にシーリングされなければならない。熱サイクルの間、固体酸化物電気化学デバイススタックの様々な構成要素は、構造材料の熱膨張率の相違のために様々な方法で膨張および／または収縮する。さらに、個々の構成要素は、１つ以上の構成要素の化学状態における変化などの他の現象のために、膨張または収縮を受けることがある。この膨張および／または収縮の寸法における差異は、酸化剤および燃料経路を分離するシール、および異なる材料で作られる要素のシーリングに影響することがある。
【０００６】
従来、固体酸化物電気化学デバイスの一般的なアノード層は、自体が、セラミックとの混合で酸化ニッケルの化学的還元によって作られるサーメットベースのニッケルで作られる。固体酸化物電気化学デバイススタック設計における主な問題は、高温は、一般に、シールがガラスおよびガラスセラミックなどの脆弱な材料で作られることを必要とすることである。動作の前に、固体酸化物電気化学デバイスのアノードにおける酸化ニッケルは、高温でニッケルに還元され、この化学的還元は、アノードの容積の物理的低減をもたらす。アノード層の容積におけるこの低減は、固体酸化物電気化学デバイスとシールなどの他の構成要素との間の結合部に追加の応力を加え、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリのシールまたは固体酸化物電気化学デバイス自体を故障させることがある。この応力は、セラミックと金属との熱膨張率の相違から生じる応力によって悪化され、それによって、アノード層およびアノード層と接触する相互接続体の容積の不均一な物理的低減を引き起こす。固体酸化物電気化学デバイスおよび相互接続体の熱的および化学的膨張の相違によって生じる他の結果は、アノード層またはカソード層とその対応する相互接続体（アノード相互接続体またはカソード相互接続体）との間の機械接触の損失の可能性である。
【０００７】
さらに、固体酸化物電気化学スタックにおける複数の固体酸化物電気化学アセンブリの従来の処理は、統合され分離できないスタックを形成するように、固体酸化物電気化学アセンブリおよび相互接続体の全てまたはいくつかを単一のプロセスでシーリングすることにある。そのようなアセンブリおよび処理に続き、欠陥がいずれかのシールで認められるなら、固体酸化物電気化学デバイススタックは、シールを破壊することなく分離されることができない。したがって、１つの固体酸化物電気化学デバイスアセンブリにおける任意の欠陥は、固体酸化物電気化学デバイススタックの全体を使用不能にすることがある。
【０００８】
熱応力の問題に対する共通のアプローチは、熱膨張係数が応力を最小化するのに十分に近く一致する、セラミックと金属との組み合わせを見出すことである。しかしながら、温度範囲全体にわたり係数を一致させることは非常に困難である。さらに、そのような一致でも、セラミックおよび酸化ニッケルからサーメットベースのニッケルへのその事前動作遷移におけるアノード層の容積の低減による応力が避けられない。また、近い熱一致に基づき選択された材料は、固体酸化物電気化学デバイスの性能に関して最適ではないことがある。
【特許文献１】米国特許第５５９１００９号公報
【特許文献２】米国特許第５６２０３０７号公報
【特許文献３】米国特許第５６７４３２８号公報
【特許文献４】米国特許第５６７４３２９号公報
【特許文献５】米国特許第５６７５８９２号公報
【特許文献６】米国特許第５９４８２９３号公報
【特許文献７】米国特許第５９５１７９０号公報
【特許文献８】米国特許第５９７４８８９号公報
【特許文献９】米国特許第５９８７９９１号公報
【特許文献１０】米国特許第６０７５５９３号公報
【特許文献１１】米国特許第６２５４７０３号公報
【特許文献１２】米国特許第６４８３５７８号公報
【特許文献１３】米国特許第６５１２５８４号公報
【特許文献１４】米国特許第６５３９７７３号公報
【特許文献１５】米国特許第６５５４９２１号公報
【特許文献１６】米国特許第６６２９４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、前述された応力および欠陥を避ける、固体酸化物電気化学デバイススタック、および固体酸化物電気化学デバイスを作る方法の簡単で経済的な望ましい設計が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、固体酸化物電気化学デバイスを製造するための方法を提供することによって、当技術における上述の必要性に対処し、この方法は、第１の電極と第２の電極との間に電解物を配置するステップと、結合剤が、第１の電極および第１の相互接続体と接触するように、結合剤を第１の電極と第１の相互接続体との間に加えるステップであって、第１の電極と第１の相互接続体が、互いの間に少なくとも１つの流れ領域を形成するように構成される、加えるステップと、シーリング剤を第１の電極と第１の相互接続体との間に加えるステップと、第２の電極に隣接して第２の相互接続体を配置するステップと、第１の相互接続体、第１の電極、電解物、第２の電極、第２の相互接続体、結合剤、およびシーリング剤を、少なくともある中間温度に加熱して少なくともある中間時間長さの間少なくとも前記中間温度に維持し、次に、焼結時間の間、第１の電極を第１の相互接続体に有効に結合しかつシールするために焼結温度に加熱するステップであって、少なくともある中間温度は、焼結温度より低い、加熱するステップとを含む。なお、本明細書では、焼結という用語と硬化という用語は互換的に用いる。
【００１１】
さらに、本発明は、上述の方法によって製造された固体酸化物電気化学デバイスを包含する。
【００１２】
本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な記載、図面、および請求項から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上記で要約されたように、本発明は、固体酸化物電気化学デバイスを製造するための方法、およびそのような方法によって製造された固体酸化物電気化学デバイスを包含する。本発明の実施形態は、以下に詳細に記載されかつ図１から図４に示される。図１は、本発明の実施形態によって作られた固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０を示す。より詳細には、図１における固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、ＳＯＦＣであるが、本発明は、同様に固体酸化物電解装置を包含することが理解されるべきである。固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、固体酸化物電気化学デバイス１２を備え、この固体酸化物電気化学デバイス１２は、第１の電極１４、第２の電極１６、および第１の電極と第２の電極との間に挿入された電解物１８を備える。電解物１８は、例えばイットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）を含むことができる。第１の電極１４は、アノード層であり、第２の電極１６は、カソード層である。
【００１４】
固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、複数の流れチャネル２２（「流れ領域」とも呼ばれる）を有する第１の相互接続体２０も備える。固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、複数の流れチャネル３０を有する第２の相互接続体２６も備える。第１の相互接続体２０は、アノード相互接続体であり、アノード層１４に結合されるように構成される。第１の相互接続体２０は、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、鉄クロム合金、ニクロム、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、またはロジウム、あるいは耐熱金属、および例えば、インコネル（登録商標）（Ｎｏｒｔｈ  Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＮｅｗｔｏｎのＳｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓからのクロムおよび鉄を含むニッケルベースの合金）、Ｅ−Ｂｒｉｔｅ（登録商標）（Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ、ＰｉｔｔｓｂｕｒｇｈのＡｌｌｅｇｈｅｎｙ  Ｌｕｄｌｕｍ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．，からの第二鉄のステンレス鋼）、およびＣｒｏｆｅｒ２２  ＡＰＵ（Ｇｅｒｍａｎｙ、ＤｕｓｓｅｌｄｏｒｆのＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐからの鉄クロム合金）などの合金を含む、導電材料などの任意の適切な材料を含むことができる。同様に、第２の相互接続体２６は、カソード相互接続体であり、カソード層１６に結合されるように構成される。カソード相互接続体２６は、ステンレス鋼、鉄クロム合金、ニクロム、金、銀、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、インコネル（登録商標）、Ｅ−Ｂｒｉｔｅ（登録商標）、およびＣｒｏｆｅｒ２２  ＡＰＵ、またはそれらの組み合わせなどの、導電材料を含むことができる。より一般的には、アノード相互接続体２０およびカソード相互接続体２６は、動作中、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０が被る高められた温度および雰囲気で動作することができる任意の導電材料から製造されることができる。
【００１５】
アノード相互接続体２０は、流れチャネル２２を通してアノード層１４へ還元剤２４（燃料ガスとも呼ばれる）を導入するように構成される。対応して、カソード相互接続体２６は、流れチャネル３０を通してカソード層１６へ酸化剤を導入するように構成される。さらに、相互接続体２０および２６は、直列または並列に接続される固体酸化物電気化学デバイス間の電気接点を提供し、かつ構造支持体を提供する。
【００１６】
固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０の動作の間、カソード層１６で発生される酸素イオン（Ｏ２−）は、アノード層１４とカソード層１６との間に挿入される電解物１８を横切って輸送される。例えば水素である還元ガス２４は、アノード層１４に供給される。アノード層１４で還元ガス２４は、電解物１８を横切ってアノード層１４に輸送される酸素イオン（Ｏ２−）と反応する。酸素イオン（Ｏ２−）は、水素と結合し、水を形成しかつ外部電気回路（図示せず）内に電子を放出する。したがって、酸素イオンとの水素の反応速度は、電流に正比例する。開放回路（電流なし）の場合は、反応は無く、電極間の電圧は、最大レベルを維持する。
【００１７】
アノード層１４は、固体酸化物電気化学デバイス１２内に導入される還元ガス２４の電気化学的酸化のための反応サイトを提供する。さらに、アノード層１４材料は、環境を還元する還元ガス２４内で安定であり、適切な導電表面積および固体酸化物電気化学デバイスの動作条件で還元ガス反応のための触媒活性を有し、かつ燃料ガスが反応サイトへ輸送されることを可能にする十分な多孔性を有するべきである。還元ガスは、一般にガスマニホールドを通して導入される。アノード層１４は、貴金属、遷移金属、サーメット、セラミック、およびそれらの組み合わせを含む、これらの特性を有する多数の材料を含むことができる。より具体的には、アノード層１４は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、銀、銅、コバルト、ルテニウム、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、銅ＹＳＺサーメット、ニッケルセリアサーメット、またはそれらの組み合わせなどの任意の適切な材料で作られることができる。
【００１８】
カソード層１６は、電解物１８を通る電流を搬送する酸素イオンを発生するために酸素の電気化学的還元のための反応サイトを提供する。したがって、カソード層１６は、酸化環境で安定であり、十分な電気およびイオン導電表面積および固体酸化物電気化学デバイス１２の動作条件で酸化反応のための触媒活性を有し、かつガスが反応サイトへ輸送されることを可能にする十分な多孔性を有するべきである。カソード層１６は、例えば、導電酸化物、ペロブスカイト、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ＬＳＭ）、ドープされたＬａＭｎＯ３、すずドープされた酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、ストロンチウムドープされたＰｒＭｎＯ３、ランタンフェライト、ランタンコバルト、ＲｕＯ２−ＹＳＺ、およびそれらの組み合わせを含む、これらの特性を有する多数の材料を含むことができる。
【００１９】
いくつかの実施形態において、アノード相互接続体２０およびカソード相互接続体２６は、バイポーラ要素として作用するように組み合わされることができ、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０の１つのカソード層１６に隣接するカソード層側を有するバイポーラ要素のカソード層側は、カソード相互接続体２６として作用する。アノード層側が、次の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０のアノード層１４に隣接するバイポーラ要素のアノード層側は、アノード相互接続体２０として作用する。さらに、バイポーラ要素は、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０におけるカソード層１６の酸化剤のための通路およびアノード層１４の還元ガス２４のための通路として作用する。
【００２０】
他の実施形態において、反対の構成を用いることができ、第１の電極１４がカソード層であり、第２の電極１６がアノード層である。したがって、第１の相互接続体２０がカソード相互接続体であり、第２の相互接続体２６がアノード相互接続体である。
【００２１】
アノード結合剤３２は、アノード層１４とアノード相互接続体２０との間に導電媒体を提供する。アノード結合剤３２として使用するのに適切な材料は、例えば、酸化ニッケルペースト、ニッケルペースト、白金ペースト、および有機結合剤に分散された銀、ニッケル、金、または白金などの金属または金属酸化物粉末を含む。アノード相互接続体２０は、アノードシーリング剤３４を使用してアノード層の周辺でアノード層１４にシールされる。アノード結合剤３２は、一般に多孔性であり導電性であるので、アノードシーリング剤３４は、アノード層１４をアノード相互接続体２０にシールし、かつアノード結合剤の周りの縁部をシールするために使用される。アノードシーリング剤３４として使用するのに適した材料は、例えば、ソーダライムガラス、ボロンシリケートガラス、またはジルコニウムドープされたガラスなどのガラス、ガラスセラミック、酸化ニッケルペースト、ニッケルペースト、あるいはガラスまたはガラスセラミック粉末に添加された有機ファイバまたは結合剤をテープキャスティングまたはローリングすることによって形成されるシールテープを含む。特定の実施形態において、アノードシーリング剤３４の熱膨張率は、アノード層１４およびアノード相互接続体２０の熱膨張率に一致する。もちろん、類似する機能性を提供する他の材料は、アノード結合剤３２およびアノードシーリング剤３４のために使用されることができる。
【００２２】
固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、カソード層１６とカソード相互接続体２６との間に配置されたスペーサ材料３６も含む。スペーサ材料３６は、コンプライアント材料を含むことができ、コンプライアント材料は、機械力が、以下により詳細に記載される、事前シーリングプロセスの間、アノード結合剤３２に軸方向に、ならびに固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０を通してアノードシーリング剤３４の周辺に伝達されることを可能にする。スペーサ材料３６は、カソード層１６とカソード相互接続体２６との間に電流を伝達することも伝達しないこともできる。スペーサ材料３６は、ジルコニウムフェルト、アルミナフェルト、またはＦｉｂｅｒＦｒａｘ（登録商標）フェルト（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、Ｎｉａｇａｒａ  ＦａｌｌｓのＵｎｉｆｒａｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからガラスアルミノシリケートファイバ）などの耐熱コンプライアントフェルトまたは紙を含むことができる。
【００２３】
カソード層１６とカソード相互接続体２６との間に配置されるスペーサ材料３６は、結果として固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０を生じ、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、最終的な動作可能な固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ内に含まれるべき相互接続体およびシールのいくつかだけが形成されるので、機能的に擬似スタックである。固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０において、アノード層１４およびアノード相互接続体２０だけが、事前シーリングプロセスの間に互いに結合されかつシールされる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態により作られた複数の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０を備える、固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタック３８を示す。各固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、カソード層１６が、カソード層１６への酸化剤の流れのために流れチャネル３０に直接露出され、かつアノード層１４が、流れチャネル２２内に流れる還元ガス２４に直接露出されるように配置される。
【００２５】
固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタック３８は、事前シーリングプロセスの間にベースプレート４０も含む。また、おもり４２が、シーリングのために固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタックに圧縮力を与えるように、固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタック３８の頂部に置かれることができる。固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタック３８が形成された後、ベースプレート４０およびおもり４２が、固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタックから取り除かれる。もちろん、シーリングおよび結合のための圧縮力は、ボルト、流体力または空気力アクチュエータなどの他の手段を介して印加されることができる。
【００２６】
代わりの実施形態において、擬似スタックのための相互接続体は、最初に各固体酸化物電気化学デバイスのカソード側だけに作られ、最終アセンブリプロセスにおけるアノード層のシーリングおよび／または結合が続くことができる。
【００２７】
他の実施形態において、カソード層１６は、固体酸化物電気化学デバイス１２の全表面を覆わず、電解物１８は露出され、カソード層側シールは、カソード相互接続体３０と電解物１８との間に作られることができる。
【００２８】
図２に示される実施形態において、アノード層１４は、アノード相互接続体２０に結合されかつシールされる。しかしながら、擬似スタックを生成する事前シーリングプロセスの間に、カソード側に永続する接続は存在しない。この事前シーリングプロセスは、試験のために互いからの固体酸化物電気化学デバイスの分離、および最終アセンブリの前に任意の欠陥デバイスの再配置または再加工、相互接続、およびシーリングを許容する。
【００２９】
例えば、多数の非破壊試験および検査が、固体酸化物電気化学デバイススタックが最終的にアセンブリされる前に、固体酸化物電気化学デバイスに実行されることができる。いくつかの実施形態において、試験および検査は、リーク試験、抵抗値測定試験、インピーダンス測定試験、機械的完全性試験、超音波試験、Ｘ線試験、開放回路電圧の測定、インピーダンス分光測定、または電気化学性能試験を実行することを含む。さらに、固体酸化物電気化学デバイスは、クラック、低性能、欠陥相互接続体接触、転位、色彩異常、または流れチャネル閉鎖に関して試験および検査されることができる。いくつかの実施形態の市販製造において、いくつかまたは全てのこれら試験が実行されることができ、これらは、所望であれば他の試験および検査によって補足されることができる。最終的なアセンブリは、次に、知られている良好な固体酸化物電気化学デバイスアセンブリを用いてだけ作られることができる。事前シーリングプロセスの結果として、固体酸化物電気化学デバイススタックの形成における著しく改善された生産性、処理、および信頼性が達成される。
【００３０】
いくつかの実施形態において、個々の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリが形成されるとき、それらは、固体酸化物電気化学デバイススタックを形成するために、アセンブリの前に欠陥に関して個々に試験および検査されることができる。しかしながら、当業者によって理解されるように、試験および検査の前に擬似スタックを形成する１つの利点は、所望であれば、擬似スタックにおける複数の流れチャネルに燃料ガスまたは酸化剤を提供するために、単一のマニホールドの使用を可能にする。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態により作られた固体酸化物電気化学デバイススタックを示す。非破壊試験および検査が、個々の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０に実行された後、複数の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０は、アセンブリされた固体酸化物電気化学デバイススタック４４を形成するようにともに積み重ねられる。いくつかの実施形態において、スペーサ材料３６は、擬似スタックの分離の後、および固体酸化物電気化学デバイススタック４４の形成の後に取り除かれる。アセンブリされた固体酸化物電気化学デバイススタック４４の形成の間に、擬似スタックのアセンブリの間にその対応する相互接続体（アノード相互接続体またはカソード相互接続体）に固くは接続されない電極（アノード層またはカソード層のいずれか）は、結合剤を使用して接続されることができる。例えば、カソード層１６は、マンガン塩ランタンストロンチウム（ＬＳＭ）ペースト、ドープされたランタンフェライトペースト、ドープされたコバルト酸ランタン、または高温酸化環境に適切な他の導電ペーストなどのカソード結合剤を使用して、カソード相互接続体３０に結合されることができる。
【００３２】
図４は、本発明の実施形態による、固体酸化物電気化学デバイスを製造する方法を示す流れ図である。より詳細には、固体酸化物電気化学デバイスは、ＳＯＦＣであるが、本発明は、固体酸化物電解装置を製造する方法も包含することが理解されるべきである。本発明は、固体酸化物電気化学デバイスを備える固体酸化物電気化学デバイスアセンブリを製造することを含み、固体酸化物電気化学デバイスは、ステップ４６によって示されるように、アノード層、カソード層、およびそれらの間に配置された電解物、ならびにアノード相互接続体および／またはカソード相互接続体を含む。方法は、アノード結合剤がアノードおよびアノード相互接続体と接触するように、アノード結合剤を、アノードと、アノード層、アノード相互接続体のアノード側、または両方のいずれかの上でアノード相互接続体との間に加えるステップを含む（ステップ４８）。ステップ５０で、アノードシーリング剤は、アノードとアノード相互接続体との間に加えられる。代わりの実施形態において、シーリング剤およびカソード結合剤は、固体酸化物電気化学デバイスの１つのカソード相互接続体とカソード層との間に加えられることができる。
【００３３】
ステップ５２で、擬似スタックは、代わりの構成に配置された複数の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリを使用して製造される。スペーサ材料は、それを覆って次に相互接続体（アノード相互接続体またはカソード相互接続体）を配置する前に、各固体酸化物電気化学デバイスのカソード層表面上に配置される。したがって、この実施形態において、カソード層はシールされないまま残される。カソード層は、固体酸化物電気化学デバイススタックを形成するために、最終アセンブリの際に結合されまたはシールされることもされないこともできる。代わりの実施形態において、カソード層は、擬似スタックに結合されまたはシールされることができ、一方、アノード層は、結合またはシールされないまま残される。
【００３４】
方法は、さらに、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、硬化温度に加熱するステップと、硬化時間の間硬化温度に維持するステップとを含む。硬化温度および硬化時間は、ステップ５４でアノードをアノード相互接続体に有効に結合およびシールするものとするべきである。硬化温度および硬化時間は、使用されるシーリング剤に応じる。
【００３５】
例えば、加熱するステップは、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、１分当たり０．１℃から１分当たり１０℃の範囲の速度で硬化温度に加熱するステップを含むことができる。より詳細には、加熱するステップは、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、１分当たり０．５℃から１分当たり３℃の範囲の速度で硬化温度に加熱するステップを含むことができる。さらにより詳細には、加熱するステップは、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、１分当たり１℃から１分当たり１．５℃の範囲の速度で硬化温度に加熱するステップを含むことができる。さらに、硬化温度は、約６００℃から約１０００℃の範囲であり得る。硬化時間は、約１分から約４時間の範囲であることができ、より詳細には、硬化時間は、約４５分から約１．５時間の範囲であることができる。
【００３６】
さらに、加熱するステップは、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、少なくともある中間時間長さの間に少なくともある中間温度に加熱するステップと、次に、カソード相互接続体、スペーサ材料、カソード、電解物、アノード、アノード相互接続体、アノード結合剤、およびアノードシーリング剤を、加熱温度に加熱するステップとを含むことができ、中間温度は、加熱温度未満である。中間時間の間に少なくともある中間温度に構成要素を加熱することは、熱サイクリング応力を低減する構成要素の均一な温度分布を可能にする。
【００３７】
例えば、第１の中間温度は、約４０℃から約１５０℃の範囲であることができる。より詳細には、第１の中間温度は、約１００℃から約１５０℃の範囲である。第２の中間温度は、約２００℃から約５００℃の範囲であることができる。より詳細には、第２の中間温度は、約３７５℃から約４２５℃の範囲である。第３の中間温度は、約５５０℃から約６５０℃の範囲であることができる。より詳細には、第３の中間温度は、約６２５℃から約６７５℃の範囲であることができる。
【００３８】
中間温度が維持される中間時間長さは、約３０分から約４８時間の範囲であることができる。より詳細には、中間時間長さは、約２時間から約５時間の範囲である。
【００３９】
所定のアノード材料の準備は、化学的還元を含むことができる。例えば、固体酸化物電気化学デバイスは、空気で安定である酸化ニッケルを含むアノード層で構成されることができる。固体酸化物電気化学デバイススタックの動作の前に、酸化ニッケルは、ニッケルに還元される。アノード層は、寸法変化ならびに還元プロセスの間に熱膨張特性における変化を被ることがある。固体酸化物電気化学デバイスが、還元プロセスの間にアノード相互接続体またはカソード相互接続体にシールされるなら、制限された固体酸化物電気化学デバイスにおけるこれらの寸法変化は、固体酸化物電気化学デバイスまたはシーリングの故障を引き起こすことがある。したがって、本発明は、アノード層とアノード相互接続体との間のシール形成前またはシーリングプロセスの間のいずれかでアノード層を還元することによって、個々の固体酸化物電気化学デバイスの信頼性、それによって固体酸化物電気化学デバイスアセンブリおよび固体酸化物電気化学デバイススタックの信頼性も改善する。したがって、各固体酸化物電気化学デバイスアセンブリにおけるアノード層は、固体酸化物電気化学デバイススタックの動作の間に、さらに化学的還元を被らない。
【００４０】
複数のアノード層は、擬似スタックとして同時に還元されることができる。アノード層を還元するために使用されるガスは、水素、メタン、天然ガス、一酸化炭素、または所望の還元反応を生成することができる任意の他の適切なガスを含むことができる。例えば、１０％容量の一酸化炭素、１０％容量の水蒸気、８０％容量の窒素またはアルゴンなどの不活性ガスのガス混合物は、アノード層を還元するために導入されることができる。他の実施例において、９０％容量の水素および１０％容量の水蒸気混合物が、アノード層を還元するために使用されることができる。水蒸気の添加は、炭素を含むガスがアノードを還元するために使用されるとき、ニッケルアノード上に炭素が構築されることを妨げる。アノードが、酸化ニッケルを含む実施形態において、還元剤が導入される温度は、５００℃と１１００℃の間であり得る。
【００４１】
したがって、いくつかの実施形態において、ステップ５４で、還元ガスは、アノード層を還元するために、全ての固体酸化物電気化学デバイスアセンブリにおけるアノード層の流れチャネルへ、ガスマニホールドを通して供給される。燃料流れ領域への還元剤を含むガスの導入は、硬化温度に加熱する前、または硬化温度に実質的に同時に加熱する前に行うことができる。還元剤は、ガスの５％容量からガスの１００％容量までの量でガス中に存在することができる。さらに、ガスは、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．０００２標準リットルから、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約１標準リットルの範囲の速度で導入されることができる。より詳細には、ガスは、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．００１標準リットルから、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．５標準リットルの範囲の速度で導入されることができる。さらにより詳細には、ガスは、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．０４標準リットルから、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．２標準リットルの範囲の速度で導入されることができる。
【００４２】
ステップ５６において、擬似スタックにおける個々の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、欠陥に関して試験および検査されることができる。ステップ５８で、欠陥の無い固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、個々の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリから選択され、欠陥のあるアセンブリは、動作可能な固体酸化物電気化学デバイススタックを形成するために置き換えられる。最終的なアセンブリプロセスは、擬似スタックの形成で作られなかった任意の相互接続体およびシールを完成するステップを含む。いくつかの実施形態において、スペーサ材料が、カソードおよびカソード相互接続体をシーリングする前に取り除かれる。他の実施形態において、カソードは、カソードおよびカソード相互接続体をシーリングする前、またはカソードおよびカソード相互接続体をシーリングするのと実質的に同時に、カソード相互接続体に結合される。
【００４３】
他の実施形態において、酸化剤を含むガスは、硬化温度に加熱する前、または硬化温度に加熱するのと実質的に同時に、燃料流れ領域に導入されることができる。酸化剤は、有機材料を燃焼して取り除くために炭化反応において、アノード、アノード結合剤、アノードシーリング剤、またはアノード相互接続体における任意の有機材料と反応する。さらに、中間時間長さの間に中間温度に構成要素を加熱することは、有機物を完全に燃焼して取り除くことも可能にする。酸化剤は、例えば、酸素または水蒸気を含むことができる。例として、２０％容量の水蒸気を含む、空気または窒素などの非可燃ガスが、有機材料を燃焼して取り除くために導入されることができる。
【００４４】
さらに他の実施形態において、擬似スタックの構成要素は、硬化温度に加熱された後に冷却されることができる。冷却は、１分当たり約０．１℃から１分当たり約１０℃の範囲の速度であり得る。より詳細には、冷却は、１分当たり約０．５℃から１分当たり約１．５℃の範囲の速度であり得る。この遅い速度での擬似スタックの冷却の間、全ての応力を解放させることを可能にする。擬似スタックの冷却の間、還元ガスを含むガスは、燃料流れ領域に供給されることができる。ガスは、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．０００２標準リットルから、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．１標準リットルの範囲の速度で導入されることができる。より詳細には、ガスは、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．００１標準リットルから、アノードの面積の平方センチメートル当たり１分当たり約０．０４０標準リットルの範囲の速度で導入されることができる。
【００４５】
代わりの実施形態において、欠陥の無い固体酸化物電気化学デバイススタックは、擬似スタックの形成無しに得られることができる。本実施において、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、前で説明されたように形成される。しかしながら、各固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、試験および検査のための還元された固体酸化物電気化学デバイスアセンブリを形成するように、還元ガスの通過によって還元されることができる。２つ以上の欠陥の無い固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、欠陥の無い固体酸化物電気化学デバイススタックを形成するために積み重ねられることができる。
【００４６】
当業者には理解されるように、本技術によって提供される全体のシステムは、従来の固体酸化物電気化学デバイスおよびそれらの製造方法に対する様々な利点を可能にする。本実施において、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０のアノード層１４は、固体酸化物電気化学デバイス１２の最終的なアセンブリおよび動作の前に、シーリング剤３４の硬化と同時に容量が低減される。これは、アノード層１４の容量における低減のために、固体酸化物電気化学デバイス１２またはシーリング剤３４の損傷を妨げ、一方、固体酸化物電気化学デバイス１２は、硬化されたシール３４によって機械的に拘束される。さらに、本技術は、固体酸化物電気化学デバイススタック４４の最終アセンブリの前に、固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０の所定の試験および検査を実行することを促進する。本プロセスは、いずれかの固体酸化物電気化学デバイスアセンブリに欠陥があることを見出された場合に、完全に固体酸化物電気化学デバイススタックを排除する代わりに、固体酸化物電気化学デバイススタックの最終アセンブリの前に、欠陥のある固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ１０を排除することを促進する。
【００４７】
本発明は、本発明の範囲に制限を課す任意の方法で解釈されることの無い実施例でさらに以下に示される。対照的に、本明細書の記載を読んだ後で、本発明の範囲および請求項から逸脱することなく当業者が思いつく、様々な他の実施形態、修正、およびその等価物が可能であることは明らかに理解されるべきである。
【実施例１】
【００４８】
本発明の特定の実施形態において、アノードとカソードとの間に配置された電解物を備えるセラミック固体酸化物電気化学デバイスは、アノード相互接続体とカソード相互接続体との間に配置された。ＮｉＯ結合剤は、アノード相互接続体に加えられた。さらに、約０．４ｍｍ（１５ｍｉｌ）厚みのＢａＯ−ＳｉＯ２−ＭｇＯ−ＣａＯベースのガラスシールテープは、アノード相互接続体のシール縁に配置された。Ｕｎｉｆｒａｘ  ＣｏｍｐａｎｙからのＦｉｂｅｒＦｒａｘを含むコンプライアントセラミックフェルトが、カソードとカソード相互接続体との間に配置された。５個のそのような固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、ともに積み重ねられ、約１４ｋｇ（３０ポンド）のおもりが、全ての層が密に接触されることを確実にするために、最上部の相互接続体上に配置された。
【００４９】
この固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタックは、炉内に配置され、かつ以降の加熱スケジュールを使用して加熱された。さらに、空気が、任意の有機材料を燃焼して取り除くために、酸化剤としてアノード流れ領域内に導入された。その後、水素および窒素ガスの混合物も、アノードを還元するために様々な組成でアノード流れ領域内に導入された。さらに、空気が、カソード流れ領域内に導入された。ガスは、１０個の電池までのスタックサイズに関して、電池当たり１分当たり約０．５標準リットル（ＳＬＰＭ）の速度、および１１個から１５個の電池までのスタックサイズに関して、電池当たり０．７ＳＬＰＭから０．８ＳＬＰＭの速度で、アノードおよびカソード流れ領域に導入された。ガスの導入は、炉がオフされた後で温度が１００℃に到達したときに停止された。
【００５０】
【表１】
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事前シールされた固体酸化物電気化学デバイスアセンブリは、目視検査された。さらに、リークおよび圧力低下測定が、アノード側で実行された。視認では、シールは良好であることが注目された。さらに、圧力減衰測定は、各アセンブリがガス密であり、アノード側の圧力低下がかろうじて分散されることを示した。
【００５１】
前述は、本発明の特定の実施形態に関連し、多数の変更が、請求項に規定されるように本発明の範囲から逸脱することなく行われることができることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態により作られた固体酸化物電気化学デバイスアセンブリの概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態により作られた複数の固体酸化物電気化学デバイスアセンブリを備える、固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタックの概略図を示す。
【図３】本発明の実施形態により作られた固体酸化物電気化学デバイススタックの概略図を示す。
【図４】本発明の実施形態による、固体酸化物電気化学デバイスを製造する方法を示す流れ図を示す。
【符号の説明】
【００５３】
１０  固体酸化物電気化学デバイスアセンブリ
１２  固体酸化物電気化学デバイス
１４  第１の電極
１６  第２の電極
１８  電解物
２０  第１の相互接続体
２２  流れチャネル
２４  還元ガス
２６  第２の相互接続体
３０  流れチャネル
３２  結合剤
３４  シーリング剤
３６  スペーサ材料
３８  固体酸化物電気化学デバイスの擬似スタック
４０  ベースプレート
４２  おもり
４４  固体酸化物電気化学デバイススタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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