(57)【要約】  幾つかの諸例では、電解質と：カソードバリア層と；及び、前記カソードバリア層により、前記電解質から分離されたニッケレート複合カソードとを備えてなる燃料電池である。前記ニッケレート複合カソードは、ニッケレート化合物及びイオン導電材とを含んでなる。前記ニッケレート化合物が、Ｐｒ2ＮｉＯ4、Ｎｄ2ＮｉＯ4、（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、又は（ＰｒuＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、の少なくとも一つを含んでなり、上記式中、ＭはＰｒ及びＮｄのＡ‐サイトにドープされたアルカリ土類金属である。前記イオン導電材は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢは、希土類金属である〕を有する第１の共ドープされたセリアを含んでなり、前記カソードバリア層は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第２の共ドープされたセリアのＡ及びＢの少なくとも１つはＰｒ又はＮｄである〕を有する第２の共ドープされたセリアを含んでなる。【選択図】  図３
2018532237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
アノードと；
電解質と：
カソードバリア層と；及び、
前記カソードバリア層により、前記電解質から分離されたニッケレート複合カソードと；及び、
カソード集電体層と、を備えてなり、
前記ニッケレート複合カソードは、ニッケレート化合物と、及びイオン導電材とを含んでなり、
前記ニッケレート化合物が、
Ｐｒ2ＮｉＯ4、
Ｎｄ2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、
（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、又は
（ＰｒuＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、の少なくとも一つを含んでなり、
〔上記式中、ＭはＰｒ及びＮｄのＡ‐サイトにドープされたアルカリ土類金属である〕
前記イオン導電材は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢは、希土類金属である〕を有する第１の共ドープされたセリアを含んでなり、
前記カソードバリア層は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第２の共ドープされたセリアのＡ及びＢの少なくとも１つはＰｒ又はＮｄである〕を有する第２の共ドープされたセリアを含んでなり、
前記アノードと、前記カソードバリア層と、前記ニッケレート複合カソードと、前記カソード集電体層と、及び前記電解質とで構成され、電気化学セルを形成するものである、燃料電池。
【請求項２】
前記カソードバリア層は、前記ニッケレート複合カソードと前記電解質との間で、物質拡散を防止し、かつ、前記ニッケレート複合カソードの相安定性を増加するように構成された、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記イオン導電材は、Ｐｒ含有共ドープされたセリア、（ＰｒxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、Ｂは、希土類金属であり、例えば、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である〕である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記イオン導電材は、Ｎｄ含有共ドープされたセリア、（ＮｄxＢy）Ｃｅ1-xＯ2〔式中、Ｂは、希土類金属であり、例えば、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である〕である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記イオン導電材は、Ｐｒ及びＮｄ共ドープされたセリア、（ＰｒxＮｄy）Ｃｅ1-x-yＯ2である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ニッケレート複合カソードが、約１００時間後に、約７９０℃度以上の温度で動作された後に、前記ニッケレート化合物から離溶されたＡ‐サイト元素及び／又はＢ‐サイト元素が形成された酸化物を実質的に含まないものである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ニッケレート複合カソードが、約１００時間から２０００時間後に、約７９０℃以上の温度で動作された後に、前記イオン導電材の相において前記ニッケレートから拡散した離溶物を含有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ニッケレート複合カソードを含有する前記セルは、約６６００時間後に、約８６０℃以上の温度で動作された後に、約０．２２オーム−ｃｍ2以下の面積比抵抗（ＡＳＲ）を示すものである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記カソードバリア層は、ジルコネート相を形成する、前記電解質と前記ニッケレート化合物との間における化学的相互作用を防止するように構成されてなるものである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記カソードバリア層は、前記ニッケレート化合物からの希土類金属酸化物離溶物を制御し、前記ニッケレート複合カソードにおける相構成を管理し、分解率を低くするための所望の相を維持するように構成されてなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記カソードバリア層は、Ｐｒ含有共ドープされたセリア、（ＰｒxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、Ｂは、希土類金属であり、例えば、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である〕である、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記カソードバリア層は、Ｎｄ含有共ドープされたセリア、（ＮｄxＢy）Ｃｅ1-xＯ2〔式中、Ｂは、希土類金属であり、例えば、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である〕である、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記カソードバリア層は、Ｐｒ及びＮｄ共ドープされたセリア、（ＰｒxＮｄy）Ｃｅ1-x-yＯ2である、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記ニッケレート複合カソードが、約３ミクロン〜約３０ミクロンの厚さを示すものである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記燃料電池が、セグメント化直列セルパターン、管状セル、アノード支持された平面セル、又は電解質支持された平面セルのうちの１つとして構成されてなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記カソード集電体が、前記ニッケレート複合カソードと化学的互換性を有する導電性セラミックを含んでなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記カソード集電体が、ランタニウムニウムニッケルフェライト（Ｌａ（ＮｉＦｅ）Ｏ3-δ）又はランタニウムストロンチウムコバルタイト（（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3-δ）の少なくとも１つを含んでなる、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記ニッケレート複合カソードが、前記ニッケレート化合物と、及びイオン導電材とからなるか、又はこれらから本質的になるものである、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１９】
０＜ｘ＜０．５であり、及び、
０≦ｙ＜０．５である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項２０】
燃料電池の製造方法であって、
前記燃料電池が、
アノードと；
電解質と：
カソードバリア層と；及び、
前記カソードバリア層により、前記電解質から分離されたニッケレート複合カソードと；及び、
カソード集電体層と、を備えてなり、
前記方法は、
前記電解質に、前記カソードバリア層を形成し、及び、
前記カソードバリア層に、前記ニッケレート複合カソードを形成することを含んでなり、
前記ニッケレート複合カソードは、ニッケレート化合物と、及びイオン導電材とを含んでなり、
前記ニッケレート化合物が、
Ｐｒ2ＮｉＯ4、
Ｎｄ2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、
（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、又は
（ＰｒuＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、の少なくとも一つを含んでなり、
〔上記式中、ＭはＰｒ及びＮｄのＡ‐サイトにドープされたアルカリ土類金属である〕
前記イオン導電材は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢは、希土類金属である〕を有する第１の共ドープされたセリアを含んでなり、
前記カソードバリア層は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第２の共ドープされたセリアのＡ及びＢの少なくとも１つはＰｒ又はＮｄである〕を有する第２の共ドープされたセリアを含んでなり、
前記アノードと、前記カソードバリア層と、前記ニッケレート複合カソードと、前記カソード集電体層と、及び前記電解質とで構成され、電気化学セルを形成するものである、燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願〕
本願は、２０１５年１０月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／２４７，５３５号に基づく優先権等の利益を伴ったものである。本明細書は、当該米国仮特許出願に開示された全ての内容を包含するものである。
【０００２】
本開示（「本発明」）は、例えば、固体酸化物燃料電池のような燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池、燃料電池システム、並びに燃料電池及び燃料電池システムのための相互接続（インターコネクト）は、依然として関心のある分野である。既存のシステムの幾つかは、特定用途に関連して、様々な欠点、不備、及び不利益が存在する。従って、本技術分野における更なる貢献が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
例えば、固体酸化物燃料電池のような、燃料電池のカソード用組成物の諸例が記載（「開示」）されている。例えば、ニッケレート（「ニッケル酸塩」）複合（「複合体」、又は「複合物」）物質（「材」）から形成されたカソードを含む電気化学的燃料電池が記載されている。前記カソードの前記ニッケレート複合物質は、ニッケレート化合物及びイオン導電材を含むことができる。前記イオン導電材は、共ドープされたセリアであってもよい。前記ニッケレート複合カソードの組成物（「組成」）は、例えば、ニッケレート化合物単体と比較して、燃料電池動作（「運転」、「操作」、又は「作動」）条件下で、前記カソード及び前記燃料電池の改善された長期耐久性及び高性能を可能とすることができる。例えば、前記ニッケレート複合カソード物質の前記ニッケレート化合物は、例えば、他のニッケレート化合物と比較して、比較的低い面積比抵抗（ＡＳＲ）及びより良好な性能を示すことができる。前記ニッケレート複合カソード物質における前記共ドープされたセリアが選択されてよく、例えば、前記ニッケレート化合物のＡ‐サイト及び／又はＢ‐サイトからの離溶された元素を許容し、前記離溶物（「離溶体」）からの酸化物の形成よりも、イオン相中への拡散をすることにより、前記カソード内の物質相互拡散を管理し、前記ニッケレートの相安定性を増加させ、前記カソード及び前記燃料電池の長期間耐久性を増加させることができる。幾つかの諸例では、Ｂ‐サイト（上）のＮｉはイオン相中に拡散し得ない（例えば、前記Ｂ‐サイト（上）のＮｉは離溶されてよく、かつ、前記イオン相中に拡散しない）。前記燃料電池はまた、前記燃料電池における電解質から前記カソードを分離するカソードバリア層（「遮断層」）を備えてもよい。前記カソードバリア層は、共ドープされたセリアから形成されてもよく、及び、物質拡散を管理し（例えば、前記カソードから外へ）、及び、カソードの相安定性を増加するように構成されてもよい。
【０００５】
一の例によれば、本開示は、燃料電池に関するものであり、前記燃料電池は、
アノードと；
電解質と：
カソードバリア層と；及び、
前記カソードバリア層により、前記電解質から分離されたニッケレート複合カソードと；及び、
カソード集電体層とを備えてなる。
前記ニッケレート複合カソードは、ニッケレート化合物と、及びイオン導電材とを含んでなり、
前記ニッケレート化合物が、
Ｐｒ2ＮｉＯ4、
Ｎｄ2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、
（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、
（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、又は
（ＰｒuＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、の少なくとも一つを含んでなる〔上記式中、ＭはＰｒ及びＮｄのＡ‐サイトにドープされたアルカリ土類金属である〕。
前記イオン導電材は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢは、希土類金属である〕を有する第１の共ドープされたセリアを含んでなる。
前記カソードバリア層は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第２の共ドープされたセリアのＡ及びＢの少なくとも１つはＰｒ又はＮｄである〕を有する第２の共ドープされたセリアを含んでなる。
前記アノードと、前記カソードバリア層と、前記ニッケレート複合カソードと、前記カソード集電体層と、及び前記電解質とで構成され、電気化学セルを形成する。
【０００６】
本開示の一以上の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の発明の詳細な説明に記載されている。本開示の他の特徴、目的、及び利点は、本明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本明細書の記述（「説明」）は、添付された図面を参考例として採用してなり、ここで、幾つかの図面を介して、同様の参照番号（「符号」）は、同様の部品について言及するものである。
【０００８】
【図１】図１は、本開示の一実施形態による燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【０００９】
【図２】図２は、本開示の一実施形態による燃料電池システムの一例の断面を示す概略図である。
【００１０】
【図３】図３のＡ及びＢは、それぞれ、エージング（「熟成」）前後のニッケレートカソード組成物のＸＲＤ結果を示すプロットである。
【００１１】
【図４】図４のＡ及びＢは、それぞれ、エージング前後のニッケレート複合カソード組成物のＸＲＤ結果を示すプロットである。
【００１２】
【図５】図５のＡ及びＢは、それぞれ、エージング前後の別の例のニッケレート複合カソード組成物のＸＲＤ結果を示すプロットである。
【００１３】
【図６】図６のＡ及びＢは、それぞれ、２つの異なるカソード組成物の例についての透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。
【００１４】
【図７】図７のＡ及びＢは、それぞれ、２つの異なるカソード組成物の例についての走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【００１５】
【図８】図８は、カソード非対称ボタン電池の例の短期耐久性試験の結果を示すプロットである。
【００１６】
【図９】図９は、ニッケレート及び／又はニッケレート複合カソードの例で実行された、長期耐久性試験の結果のプロットである。
【図１０】図１０は、ニッケレート及び／又はニッケレート複合カソードの例で実行された、長期耐久性試験の結果のプロットである。
【００１７】
【図１１】図１１は、様々なニッケレート複合カソードの諸例におけるカソード分極を示す棒グラフである。
【００１８】
図面を参照すると、本開示の一実施形態による燃料電池システムの非限定的な幾つかの態様が概略的に示されている。前記図面によれば、本開示の一実施形態による態様の様々な特徴、構成要素及びそれらの間の相互関係が示されている。しかしながら、本開示は、これら図面及び本明細書に例証されたように、表示された特別な態様、構成要素、特徴、及びそれらの間の相互関係によって限定されるものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述のように、本開示の諸例は、例えば、固体酸化物燃料電池のような燃料電池のカソード用の組成物の例に関する。固体酸化物燃料電池は、比較的高い温度（例えば、約５００℃超過）で、燃料（例えば、水素）を電気に変換するように構成された電気化学システムであってもよい。幾つかの諸例では、より低い温度でこれらのシステムを動作させるとき、より低い電力劣化速度及びより低いコストを達成させることができる。しかしながら、前記燃料電池の前記カソードの分極は、より低い温度では比較的高くなり、それは、システム性能に影響を及ぼし得る。
【００２０】
幾つかの諸例では、カソードは、一般式Ｌｎ2Ｎｉ4+δを有するランタニドニッケレートから形成されてもよい。ランタニドニッケレートは、ペロブスカイト層と、塩化ナトリウム層との交互層を有する層状構造を有してもよい。格子間酸化物イオンは、構造的許容因子ｔが１未満である、平衡（Ｌｎ−Ｏ）及び（Ｍ−Ｏ）結合長さのミスマッチによって調整される。この高い可動性のＯ2-は良好なイオン導電性を示す。さらに、この構造においては、Ｎｉ（ＩＩＩ）／Ｎｉ（ＩＩ）レドックス対は、Ｏ2-：２ｐ6バンドのトップにピン止めされ、混合原子価状態において許容される高い電子導電性が付与される。その独特な構造により、ランタニドニッケレートカソードは、例えば、ＬＳＭ及びＬＳＣＦなどの固体酸化物燃料電池に使用される他のカソード物質よりも低い活性化エネルギーを有することができる。さらに、ランタニドニッケレートカソード分極抵抗は、他の物質よりも温度変化に依存しないものであってよい。従って、この物質は、より低い動作温度において、より低いＡＳＲを維持するものであってよい。特に、低ＡＳＲは、プラセオジムニッケレートカソードから実証されている。しかし、１つの問題は、例えば、約７００〜約９００℃などの燃料電池動作温度の下では、ニッケレート物質が不安定になり得ることである。例えば、燃料電池動作条件下では、前記ニッケレートカソードの好ましい相は、望ましくない相に分解されやすく、これにより燃料電池の性能の低下を引き起こす。
【００２１】
そのより低いＡＳＲにより、特により低い温度において、ニッケレートカソードは、燃料電池の分野において引き続き注目されている。幾つかの諸例では、Ｓｒ又はＣａなどのＡ‐サイトドーピング、及びＣｕ、Ｃｏ、ＦｅなどのＢサイト‐ドーピングを使用して、ニッケレート相を安定化させる試みを実行することができる。しかしながら、このような試みは限られた成功しか得ておらず、及び／又は、例えば、カソード電極の熱膨張係数（ＣＴＥ）がより高くなり、その結果、他の燃料電池物質又は基材とのミスマッチが生じるなどの、他の問題が存在していた。
【００２２】
分析は、例えば、Ｐｎ2ＮｉＯ4からのＰｒ離溶物のような、ドープされたニッケレートのＡ‐サイトからの元素離溶物の除去から開始されるニッケレート分解が、酸化物の形成をもたらしうることが示されている。非常に多過ぎるＡサイト元素が、ニッケレートから離溶される際に、ＮｉがＢサイトでリッチ（「豊富」又は「富化」）となってよく、及び、最終的にＢサイトから離溶し、ＮｉＯを形成してもよい。分析はまた、離溶されたＡ‐サイト元素は、安定化したジルコニア電解質の上にドープされたセリアから作られたカソード中間層中に拡散する傾向があることも示している。
【００２３】
本開示の幾つかの態様によれば、技巧（テクニック）が使用されて、ニッケレートカソードの相組成を管理し、燃料電池動作中の好ましい相を維持し、より高い三重相境界のための比較的微細なマイクロ構造と、及び、前記ニッケレートカソードの中にイオン相を追加することを介してより強いカソード／中間層の接続とを達成する。例えば、以下に説明するように、イオン相の組成は、ニッケレートカソード組成に基づいて変化させ、元素拡散を管理し（例えば、物質の拡散を最小限に抑える）、燃料電池動作中、好ましい相を維持してもよい。さらに、特定のカソードのニッケレート組成物は、他のニッケレート、例えば一般式Ｌｎ2Ｎｉ4+δを有するランタニドニッケレートと比較して、より低いＡＳＲ及び／又はより良い性能を示すことも可能である。さらに、本開示の諸例は、前記燃料電池における電解質からニッケレート複合カソードを分離するカソードバリア層もまた含んでもよい。前記カソードバリア層は、共ドープされたセリアから形成されてもよく、及び、物質拡散（例えば、カソードの外へ）を管理し、及び、カソード相の安定性を増加するように、構成されてもよい。
【００２４】
本開示の諸例は、１以上の利点を提供することができる。幾つかの諸例では、本明細書に記載された前記ニッケレート複合カソード物質は、燃料電池システムの性能を改善し、及び、異なるカソード物質を採用する燃料電池システムと比較して、より低い温度で前記システムを動作させることによりコストを削減するために使用され得る。例えば、このようなニッケレート複合カソード物質を採用することによって、燃料電池は、約７００〜約９００℃の温度で動作させて、例えば、水素、天然ガス、又は合成ガス燃料などの燃料源から電気を発生させて、高性能で長期間の耐久性とコスト削減を実現する。幾つかの諸例では、燃料電池動作中のニッケレート複合カソードの前記相組成は、良好な相を維持するように管理され、異なる組成にイオン相の添加を介して、長期間の耐久性を改善することも可能である。幾つかの諸例では、燃料電池動作中のニッケレート複合カソードの前記相組成は、良好な相を維持するように管理され、前記ニッケレートカソードの組成に基づいて選択された組成を有するカソードバリア層の使用を介して、長期間の耐久性を改善することも可能である。本開示の諸例は、改良されたニッケレートカソードマイクロ構造を提供し、前記カソードの前記ニッケレートにイオン相を添加することを介して、より低いＡＳＲ及び長期間の安定性の両方のために三重相境界を増加させる。幾つかの諸例では、本開示は、カソードバリア層を有するニッケレートカソードの結合又は付着を改善するためのアプローチに言及し、これは、界面分極の減少、及び／又は改善された長期のカソード信頼性を可能にすることができる。複数の電気化学試験が本開示の例であるニッケレート複合カソードについて実施され、そして、この試験は、改善された長期耐久性及び分解速度の低下を実証した。本開示の諸例は、例えば、本明細書の記載によるこれらの実証例の通り、他の更なる利点を提供することもできる。
【００２５】
図１は、本開示の一実施形態による燃料電池システム１０の一例を示す概略図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、基材１４上に形成された複数の電気化学セル１２（又は「個別燃料セル」）を備えてなる。電気化学セル１２は配線（相互接続）１６によって直列に接続される。燃料電池システム１０は、平坦な多孔質セラミックチューブ上に堆積されたセグメント化直列配列（配置）であるけれども、本開示は、円形多孔質セラミックチューブなどの、他の基材上で、セグメント化直列配列（配置）にも等しく適用可能であることは理解されうるであろう。様々な実施形態において、燃料電池システム１０は、一体型（統合型）平面状燃料電池システム又はチューブ状燃料電池システムであってもよい。
【００２６】
各電気化学セル１２は、酸化剤側１８及び燃料側２０を備えてなる。酸化剤は、一般的に、空気であるが、しかし、純粋な酸素（Ｏ2）又は他の酸化剤であってもよく、例えば、空気リサイクルループを有する燃料電池システム用の希薄空気であってよく、かつ、酸化剤側１８から電気化学セル１２に供給される。基材１４は、具体的に設計された気孔率であってよく、例えば、前記多孔質セラミック物質は燃料電池動作条件で安定であり、及び、他の燃料電池物質と化学的互換性（適合性）を有する。他の実施形態では、基材１４は、表面改質物質、例えば、コーティングし又は他の表面改質を有する多孔質セラミック物質であってよく、例えば、電気化学的セル１２層と基材１４との間の相互作用を防止し又は低減するように構成されてもよい。燃料、例えば、改質された炭化水素燃料、例えば合成ガスは、多孔質基材１４内のチャネル（図示せず）を介して燃料側２０から電気化学セル１２に供給される。幾つかの諸例において、空気及び炭化水素燃料から改質された合成ガスを使用することができるが、他の酸化剤及び燃料を使用する電気化学電池は、本開示の範囲から逸脱することなく、例えば純水素及び純酸素を使用できることが理解される。さらに、燃料は、基材１４を介して電気化学セル１２に供給されるが、他の実施形態では、前記酸化剤は多孔質基材を介して前記電気化学セルに供給されてもよいことは理解されよう。
【００２７】
図２は、本開示の一実施形態による電気化学燃料電池１２の例示的な構成を示す概念図である。電気化学的燃料電池１２は、基材（又は多孔質アノードバリア層）１４上にスクリーン印刷された複数の層から形成されてもよい。これは、織メッシュが、前記燃料電池層が基材１４上に堆積されることを介して開口部を有することによるプロセスを含むことができる。前記スクリーンの開口部は印刷された層の長さと幅を決定する。スクリーンメッシュ、ワイヤ径、インク固形分充填、及びｍｋレオロジーが、前記印刷された層の厚さを決定してもよい。
【００２８】
電気化学セル１２は、カソード集電体２２、カソード２４、カソードバリア層２６、電解質２８、及びアノード３０を備えてなる。一の形態では、それぞれの構成要素の各々は、単一層であってもよく、又は任意の数の副層（サブ層）から形成されてもよい。図２は、必ずしも縮尺（スケール）通りである必要性はないことはご理解されるであろう。例えば、垂直寸法は、説明を分かりやすくするために誇張されている。さらに、１つ以上の他の層は、他の例において、例えば、電解質２８に対向するアノード３０の側のアノード集電体などとして存在してもよい。
【００２９】
電気化学セル１２では、アノード３０は、配線（「相互接続部」）１６（図１に示す）を介してカソード集電体２２に自由電子を導電する。カソード集電体２２は電子をカソード２４に導電する。配線１６（図１に示す）は、隣接する電気化学セルのアノード３０及びカソード集電体２２に電気的に接続する。
【００３０】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）用の配線１６（図１）は、好ましくは、電気導電性であり、電子を一方の電気化学セルから別の電気化学セルに輸送するものであり；燃料電池動作中の酸化環境及び還元環境の両方において機械的及び化学的に安定であり；及び、非多孔質であり、前記配線を介して、燃料及び／又は酸化剤が拡散するのを防止するものである。仮に、前記配線が多孔質である場合、燃料は酸化剤側及び燃焼部に拡散し、局所的なホットスポットを生じさせ、例えば物質の劣化及び機械的故障により、燃料電池寿命の低下をもたらし、同様に、燃料電池システムの効率を減少させる。同様に、酸化剤は燃料側に拡散し、前記燃料の燃焼をもたらすことがある。深刻な配線漏れは、燃料利用率及び前記燃料電池の性能を著しく低下させるか、又は燃料電池又はスタックの致命的な故障を引き起こすことがある。
【００３１】
配線１６は、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ及び／又はＰｔ及び／又はこれらの合金を含む貴金属から形成されてよいが、他の物質もまた、本開示の範囲から逸脱することなく使用してもよい。例えば、他の実施形態では、他の物質を使用してもよいことが代替的に意図されてよく、貴金属合金、例えば、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ａｕ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ａｇ−Ａｕ−Ｐｄ、Ａｇ−Ａｕ−Ｐｔ、Ａｇ−Ａｕ−Ｐｄ−Ｐｔ及び／又はＰｔ−Ｐｄ−Ａｕ−Ａｇ系の、二元、三元、四元合金などを含有してもよく、微量の非貴金属添加物を有する合金をも包含するものであってよく、貴金属から合成されるサーメット、貴金属合金、及び、例えば、アルミナなどの、不活性セラミック相、又は、重要な寄生物質を生成しない最小限のイオン導電度を有するセラミック相、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア、イットリアドープされたジルコニアとしても知られており、イットリアドープは３〜８モル％、好ましくは３〜５モル％である）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア、スカンジアドーピングは４〜１０モル％、好ましくは４〜６モル％である）、ドープされたセリア及び／又は導電性セラミック、例えば、Ａ‐サイト置換又はＢ‐サイト置換又はドーピングを有する導電性ペロブスカイトなどであり、配線として、適切な相安定性及び／又は十分な導電性を達成するものであり、例えば、ドープされたストロンチウムチタネート（例えば、ＬａxＳｒi-xＴｉＯ3-δ、ｘ＝０．１〜０．１３などである）、ＬＳＣＭ（Ｌａ1-xＳｒxＣｒ1-yＭｎyＯ3、ｘ＝０．１〜０．３、及び、ｙ＝０．２５〜０．７５である）、ドープされたイットリウムクロマイト（例えば、Ｙ1-xＣａxＣｒＯ3-δ、ｘ＝０．１〜０．３などである）、及び／又は他のドープされたランタニウムクロマイト（例えば、Ｌａ1-xＣａxＣｒＯ3-δ、ｘ＝０．１５〜０．３などである）、及び、ドープされたセラミック、例えば、ドープされたストロンチウムチタネート、ドープされたイットリウムクロマイト、ＬＳＣＭ（Ｌａ1-xＳｒxＣｒ1-yＭｎyＯ3）、及び他のドープされたランタニウムクロマイトなどが挙げられる。一例では、配線１６は、ｙ（ＰｄxＰｔ1-x）−（ｌ−ｙ）ＹＳＺで形成することができる。ｘが重量比で０〜１である場合、好ましくは、より低い水素流束に対してｘは０〜０．５の範囲にある。ｙは容積比で０．３５〜０．８０であり、好ましくは、ｙは０．４〜０．６の範囲である。
【００３２】
アノード３０は、ニッケルサーメットから形成された電極導電層であってよく、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（例えば、ジルコニア中のイットリアドーピングが３〜８モル％である）、Ｎｉ−ＳｃＳＺ（例えば、スカンジアドーピングが４〜１０モルである場合、好ましくは、１０モル％のスカンジア−ＺｒＯ2に対する相安定性のための、例えば１モル％のセリアである第２のドーピングを含んでなる）、及び／又はＮｉドープされたセリア（例えば、Ｇｄ又はＳｍドーピングなどである）、ドープされたランタニウムクロマイト（例えば、ＡサイトのＬａドーピング、及びＢサイトのＭｎドーピングなどである）、Ｌａ1-xＳｒxＭｎyＣｒ1-yＯ3、及び／又は、一般式（Ｌａ1-xＳｒx）n+1ＭｎnＯ3n+1のＭｎ−系のＲ−Ｐ相などであってよい。或は、アノード３０のための他の物質は、例えば、貴金属上に部分的又は全体的に基づくサーメットのようなものを用いることもできると考えられる。前記サーメット中の貴金属は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、及び／又はそれらの合金を含んでもよい。タイヤセラミック相は、例えば、不活性非導電相を含んでなり、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ及び／又は１つ以上のより油性の不活性相、例えば、所望のＣＴＥを有するものを含んでなり、前記相のＣＴＥを管理し、前記基材及び前記電解質のＣＴＥと一致するものである。幾つかの実施形態では、セラミック相は、Ａｌ2Ｏ3及び／又はスピネルを含むことができ、例えば、ＮｉＡｌ2Ｏ4、ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＭｇＣｒ2Ｏ4、及びＮｉＣｒ2Ｏ4などである。他の実施形態では、セラミック相は、電気的導電性であってよく、例えば、ドープされたランタニウムクロマイト、ドープされたストロンチウムチタネート、及び／又は、１以上のＬａＳｒＭｎＣｒＯの形態、及び／又は、一般式（Ｌａ1-1Ｓｒx）n+1ＭｎnＯ3n+1のＲ−Ｐ相などである。
【００３３】
電解質２８は、セラミック物質で製造されてよい。１つの形態では、プロトン及び／又は酸素イオン導電性セラミックを使用することができる。１つの形態では、電解質２８は、ＹＳＺで形成されてよく、例えば、３ＹＳＺ及び／又は８ＹＳＺなどであってよい。他の実施形態では、電解質層２８は、ＳｃＳＺで形成することができ、ＹＳＺに加えて、又はＹＳＺに代えて、例えば、４ＳｃＳＺ、６ＳｃＳｚ及び／又は１０ＳｃｌＣｅＳＺなどであってよい。他の実施形態では、他の物質を使用することができる。例えば、電解質２８は、ドープされたセリア及び／又はドープされたランタニウムガレートから製造されてもよいと考えられる。いずれの場合においても、電解質２８は、実質的に不浸透性であり、燃料電池１０によって使用される流体を介して、例えば、燃料としての、合成ガス又は純水素と、並びに、例えば、酸化剤としての、空気又はＯ2を拡散してなるが、しかし、酸素のイオン又はプロトンを拡散させてもよい。
【００３４】
カソード集電体２２は、導電性セラミックから形成される電極導電層であってよく、例えば、ＬａＮｉxＦｅ1-xＯ3（例えば、ＬａＮｉ0.6Ｆｅ0.4Ｏ3などである）、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（例えば、Ｌａ0.75Ｓｒ0.25ＭｎＯ3などである）、Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3及び／又は、Ｐｒ1-xＳｒxＣｏＯ3、例えば、Ｐｒ0.8Ｓｒ0.2ＣｏＯ3などである。他の実施形態では、カソード集電体２２は、他の物質から形成されてよく、例えば、貴金属サーメットなどであってよいものであるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の物質を使用してもよい。貴金属サーメット中の前記貴金属は、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ及び／又はそれらの合金を含むことができる。前記セラミック相は、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ及びＡｌ2Ｏ3、又は他の非導電性セラミック物質を含んでもよく、必要に応じて熱膨張を制御することができる。後記するように、幾つかの諸例では、カソード集電体２２は、例えば、ＬＮＦなどのカソード２４のニッケレート複合物と化学的互換性（適合性）である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックがニッケレート複合物と化学的互換性である場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成がない場合には、化学反応は実質的に起こらない。  
【００３５】
幾つかの諸例では、アノード３０は、約５〜２０ミクロンの厚さを有することができるが、本発明の範囲から逸脱することなく他の値を採用することもできる。例えば、他の実施形態では、前記アノード層は、約５〜４０ミクロンの範囲の厚さを有してもよいと考えられる。さらに他の実施形態では、例えば、特定のアノード物質及び用途に依存して、異なる厚さを使用してもよい。
【００３６】
電解質２８は、約５〜１５ミクロンの厚さを有し、個々のサブ層の厚さは最小約５ミクロンであってもよいが、本発明の範囲から逸脱することなく他の厚さの値を使用してもよい。例えば、他の実施形態では、電解質層は、約５〜２００ミクロンの範囲の厚さを有してもよいと考えられる。さらに他の実施形態では、例えば、特定の物質及び用途に応じて、異なる厚さを使用してもよい。
【００３７】
カソード２４は、約３〜３０ミクロンの厚さを有し、例えば約５〜１０ミクロンであってもよいが、本発明の範囲から逸脱することなく他の値を用いることができる。例えば、他の実施形態では、カソード層は、約１０〜５０ミクロンの範囲の厚さを有してもよい。例えば、さらに他の実施形態では、特定のカソード物質及び用途に依存して、異なる厚さを使用してもよい。
【００３８】
カソード集電体２２は、約５〜１００ミクロンの厚さを有してもよいが、本発明の範囲から逸脱することなく他の値を使用してもよい。例えば、他の実施形態では、カソード集電体２２は、約５〜１００ミクロンの範囲未満又は超過の厚さを有してもよいことが考えられる。さらに、他の実施形態では、例えば、特定の物質及び用途に応じて、異なる厚さを使用することができる。
【００３９】
幾つかの諸例では、カソードは電子導電体のみであってもよい。分離可能なイオン相を添加し、前記電解質界面から離れて三重相境界へ酸素イオン移動を助けて、前記カソードの性能を向上させてもよい。幾つかのカソード、例えば、ニッケレートは、混合イオン−電子導電体であってよい。理論的には、第２のイオン相はこれらのカソード物質には必要でないかもしれない。しかしながら、これらの物質、例えばニッケレートのようなものために利益があり、第２のイオン相を有する複合物（複合体）カソードを形成する。前記利益は、三重相境界を増加させるミクロ構造制御、三重相境界を増加させ、及び、界面オーム抵抗を減少させる界面接着の改善、又は、例えば、ニッケレートなどの物質拡散の管理、が含まれ得るが、これらのものに限定されない。
【００４０】
本開示の実施例によれば、カソード２４は、ニッケレート化合物及びイオン導電物質（材）を備えたニッケレート複合物質から形成されてよい。ニッケレート化合物は、Ｐｒ2ＮｉＯ4、Ｎｄ2ＮｉＯ4、（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、又は（Ｐｒ2ＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、の少なくとも一つであり、ここで、式中、ＭはＰｒ及びＮｄのＡ‐サイトにドープされたアルカリ土類金属であり、０．０５≦Ｍ≦０．３であり、０．９≦ｕ＋ｖ≦１．１であり、好ましくは０．９５≦ｕ＋ｙ≦１．０であり、０．９≦ｕ＋ｙ＋ｗ≦１．１であり、好ましくは０．９５≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１．０である。このようなニッケレート化合物から形成された複合体（物）カソードは、例えば、一般式Ｌｎ2ＮｉＯ4+δを有するランタニドニッケレートなどの他のニッケレート化合物と比較して、比較的より低いＡＳＲを示し、及び、燃料電池のＡＳＲ又は内部抵抗の点で比較的より高い性能を示す。ＡＳＲが低いほど、性能（パフォーマンス）が向上する。ＡＳＲが高いほど、熱損失がより大きくなり、燃料電池の出力がより低下する。幾つかの諸例では、ニッケレート複合カソード２４は、１バール（bara）において、約０．０２オームｃｍ2のＡＳＲ、約７９０℃以下、より低い分解速度を有してもよい。
【００４１】
前記カソード２４のイオン導電材（導電性物質）は、ニッケレート組成物のみを有するカソードと比較して、カソード２４の一以上の特性、例えば、三重相境界を増加させ、カソードバリア層との接着を改善させ、相構成を所望のものとさせ、及び高温度の動作環境において、カソード層２４の分解（劣化）を減少させるというものであってよい。前記イオン導電材は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2〔式中、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢは、希土類金属である〕を有する第１の共ドープされたセリアを含んでなる。幾つかの諸例において、第１の共ドープされたセリアのＡ及びＢの一つは、Ｐｒ又はＮｄである。幾つかの諸例では、第１の共ドープされたセリアのＡはＰｒであり、カソードバリア層のＢはＮｄである。理論的には、Ａ又はＢに対して任意の希土類金属を選択することができるが、しかし、ニッケレートのＡサイト（上）にＰｒ又はＮｄが存在するため、Ｐｒ又はＮｄ、或はＰｒ及びＮｄは、Ａ又はＢ、或はＡ及びＢに対して、ニッケレートとドープされたセリアと間の物質相互拡散を減少させるために好ましい。
【００４２】
幾つかの諸例では、本開示の実施例は、ニッケレート複合カソードにおける相構成を制御し及び管理し、物質拡散を最小にすることを通じて、より低いカソード又は燃料電池の分解速度のために所望の相を維持しうる。例えば、前記イオン導電材の存在及び組成は、物質相互拡散を管理し、及び、ニッケレート複合カソード２４における所望の相構成を維持してもよい。ニッケレートは、一般的な処方物、Ａn+1ＢnＯ3n+1（ｎ＝１、２及び３である）、及び組成変化を伴う異なる相を有する。ｎ＝１の場合、本明細書で言及されるニッケレート相は、燃料電池動作条件では安定ではなくてよく、Ａ‐サイトの希土類金属、例えばＰｒは、ニッケレート構造から離溶し酸化物を形成する傾向がある。ＰｒＯｘ酸化物は、ニッケレート化合物（例えば、約１４ｐｐｍ／Ｋ）と比較して、より高いＣＴＥ（例えば、約１９ｐｐｍ／室温〜約９００℃）を有する。Ａサイトからの希土類金属の継続的な離溶は、ＢサイトにおけるＮｉリッチする結果となり、その後、ＮｉはＢサイトから離溶し、ＮｉＯを形成し、これは不活性触媒として知られている。希土類金属酸化物（例えば、ＰｒＯｘのようなものである）とＮｉＯの両方は、前記複合カソードにおいて前記第３の相と呼ぶことができる。ニッケレート複合カソードにおける前記第３相の形成は、カソードマイクロ構造及び熱膨張を変化させてよく、熱応力により、電解質又はカソードバリア層からの三重相境界及び局所カソード剥離の減少による劣化を引き起こしてもよい。
【００４３】
従って、希土類金属酸化物、例えばＰｒＯｘ、及びＮｉＯなどは、所望の相でなくともよい。ドーピングされたセナ（セリア）は安定な相であってよい。ニッケレート化合物との複合カソードを形成する場合、それは、ニッケレートから離溶され固溶体を形成する、ＰｒＯｘのような希土類金属酸化物を吸着することができ、望まれない相形成を回避してもよい。特に、ドープされたセリアが、その出発組成物中に、Ｐｒ、又はＮｄ、或はＰｒ及びＮｄの両方を既に含んでなる場合に、それはニッケレートからの希土類金属の離溶をゆっくりと減速し又は妨げることができる。このようにして、幾つかの諸例では、イオン相は、ニッケレート複合カソードの相構成を管理し、これは、ドープされたセリアの組成及びニッケレートに添加されたドープされたセナ（セリア）の量を制御することにより達成されることができる。
【００４４】
カソード２４は、幾つかの適切な濃度のニッケレート化合物及びイオン導電性化合物を含んでよい。幾つかの諸例では、カソード２４は、約１０重量％〜約９５重量％のニッケレート化合物、例えば、約５０重量％〜約７０重量％のニッケレート化合物を含むことができる。幾つかの諸例では、カソード２４は、約５重量％〜約９０重量％のイオン導電性化合物、例えば、約２０重量％〜約５０重量％のイオン導電性化合物を含むことができる。幾つかの諸例において、前記ニッケレートに対する好ましいイオン相比率は、析出セリア及びニッケレート化合物の両方の化学組成に依存して、約１０重量％〜約５０重量％であり得る。イオン相が非常に低すぎると、望ましくない第３の相を形成するであろうニッケレートから離溶された全ての前記希土類金属酸化物を吸着することができない。イオン相が非常に高すぎると、ニッケレートからの希土類金属離溶物が継続してよく、Ｂサイトリッチニッケレート化合物が形成されるまで、イオン相がより多くの希土類金属を吸着できるので、これは、望ましくないＮｉＯ第３の相を形成し、ニッケレートのＢサイトからＮｉＯ離溶物を生じてもよい。幾つかの諸例では、カソード２４は、ニッケレート化合物及びイオン導電性化合物からなり、本質的にからなり、又は備えてなるものであってよい。
【００４５】
前記カソード２４の組成は、高温（例えば、約７００℃より高い、例えば、約７００℃）で燃料電池１２動作後に処方された組成から変化してもよい。例えば、ニッケレートからの希土類金属離溶物は、カソードミクロ構造を変化させて、三重相境界を減少させ、カソードＣＴＥを増加させて、局所領域における電解質又はカソードバリア層からカソードを剥離させる。それは、Ｂサイトリッチニッケレートカソード形成を更に生じさせ、それは、ニッケレートカソードのＢサイトからのＮｉＯ離溶を引き起こしてもよい。これらのマイクロ構造及び相変化の全ては、カソードＡＳＲを増加させてもよい。幾つかの諸例では、対象的なボタン電池を使用して、約０．０３オームｃｍ2／１０００時間での分解速度で、約１００時間後に、約７９０℃以上の温度で動作（運転）した後に、カソード２４は、ニッケレート化合物から離溶したＡ‐サイト元素及び／又はＢ‐サイト元素を形成した酸化物を実質的に含まない。幾つかの諸例では、セグメント化直列電池企画を使用して、約０．００２〜約０．０１３オームｃｍ2／１０００時間での分解速度で、約１００時間〜約２２００時間後に、約７９０℃以上の温度で動作した後に、カソード２４は、イオン導電材の相において、ニッケレートから拡散した離溶物を含む。幾つかの諸例では、カソード２４付き燃料電池は、約６６００時間後に、約８６０℃の温度での動作に続いて、約０．２２オームｃｍ2以下の面積比抵抗（ＡＳＲ）を示す。
【００４６】
さらに、図２に示すように、電気化学的燃料電池１２は、電解質２８とカソード２４との間にカソードバリア層２６を備えることができる。カソードバリア層２６は、一般式（ＡxＢy）Ｃｅ1-x-yＯ2を有する第２の共ドープされたセリアから形成されてよく、上記式中、前記第２の共ドープされたセリアのＡ又はＢの少なくとも１つはＰｒ又はＮｄである。幾つかの諸例では、第２の共ドープされたセリアのＡはＰｒであり、前記カソードバリア層のＢはＮｄである。
【００４７】
幾つかの諸例では、カソードバリア層２６の機能は、少なくとも２倍であってもよい。第１に、前記バリア層は、電解質２８（例えば、Ｙ又はＳｃ安定化ジルコニア）とニッケレートとの間の化学的相互作用を防止することができる。カソードバリア層２６がなければ、ニッケレートにおいて、前記希土類金属、例えばＰｒなどが、電解質２８と相互作用してＰｒ2Ｚｒ2Ｏ7の望まれない相を形成し、燃料電池動作中の幾つかの条件下でセルＡＳＲを増加させることがある。第２に、カソードバリア層２６は、濃度差（物質がより高い濃度からより低い濃度に移行する傾向がある）に基づいてニッケレート化合物からの希土類金属離溶物の抑制を助け、カソード２４における相構成を管理し、より低い分解比率（レート）の為の所望の相を維持する。例えば、（ＰｒxＮｄy）Ｃｅ1-x-yＯ2カソードバリアは、（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、及び（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10カソード、及び例えば、ニッケレート化合物から合成されるような、複合カソードとしてのカソードバリア層２６として選択することができる。
【００４８】
燃料電池１２の一例では、カソード２４は、一般式Ｐｒ2ＮｉＯ4、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されており、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ  、Ｄｙ、Ｙｈ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、Ｂは、Ａとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒなどである）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくは、Ａ及びＢの一方がＰｒである。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成され、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒなどである）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｘ≦０．３）であり、Ｂは、Ａとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒなどである）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ又はＢはＰｒである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合体、例えば、ＬＮＦ等と、化学的互換性である、導電性セラミックから形成することができる。例えば、導電性セラミックがニッケレート複合物と化学的互換性である場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成がない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００４９】
別の例では、カソード２４は、一般式Ｎｄ2ＮｉＯ4、−ＡxＣｅ(1-x)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜
１（好ましくは０．１≦ｘ≦０．４）である。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜１（好ましくは０．１≦ｘ≦０．４）である。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合体、例えばＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成することができる。例えば、導電性セラミックがニッケレート複合体と化学的互換性である場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成がない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５０】
別の例では、カソード２４は、一般式Ｎｄ2ＮｉＯ4、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡと異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢの一方がＮｄである。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡの異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ≦０．５（好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ又はＢがＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合体、例えばＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成することができる。例えば、導電性セラミックがニッケレート複合体と化学的互換性である場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成がない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５１】
他の例では、カソード２４は、一般式（ＰｒuＮｄv）2ＮｉＯ4、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケイトから形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｘ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．３）であり、０＜ｕ＜１．０であり、及び、０＜ｖ＜１（好ましくは、０．２５＜ｕ＜０．７５であり、０．２５＜ｖ＜０．７５である）である。幾つかの諸例では、好ましくは、Ａ及びＢの一方がＰｒ及びＮｄである。これには以下の場合が含まれる。１）Ａ又はＢがＰｒであり：２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）であり、幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢはＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合が含まれる。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合物質、例えば、ＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックが前記ニッケレート複合体と化学的互換性を有する場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成が存在しない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５２】
別の例では、カソード２４は、一般式（ＰｒuＮｄv）3Ｎｉ2Ｏ7、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、Ｂは、Ａとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ  、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）であり、０＜ｕ＜１であり、及び０＜ｖ＜１（好ましくは、０．２５＜ｕ＜０．７５、及び０．２５＜ｖ＜０．７５）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢの一方がＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含んでなる。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり、３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有するである組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢはＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含んでなる。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、ＢはＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合物質、例えば、ＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックが前記ニッケレート複合体と化学的互換性を有する場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成が存在しない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５３】
別の例では、カソード２４は、一般式（ＰｒuＮｄv）4Ｎｉ3Ｏ10、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｘ＜０．３）であり、Ｂは、Ａとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくは、Ａ及びＢの一方がＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含むかもしれない。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、ＢはＮｄである。カソードバリア層２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、Ｂは、Ａとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．３）、０＜ｕ＜１であり、及び０＜ｖ＜１である（好ましくは、０．２５＜ｕ＜０．７５であり、及び０．２５＜ｖ＜０．７５）。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢはＰｒ及びＮｄである。これには以下の場合が含まれてよい。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合物質、例えば、ＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックが前記ニッケレート複合体と化学的互換性を有する場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成が存在しない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５４】
別の例では、カソード２４は、一般式（ＰｒuＮｄvＭw）2ＮｉＯ4、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ｍはアルカリ土類金属（例えば、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ等である）であり、０＜ｕ＜１及び０＜ｖ＜１（好ましくは、０．３＜ｕ＜０．７及び０．３＜ｖ＜０．７であり、又は、０．２５＜ｕ＜０．７５及び０．２５＜ｖ＜０．７５）であり、０＜ｗ＜０．３（好ましくは、０．０５＜ｗ＜０．１５）であり、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等の希土類金属）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、並びに、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくは、Ａ及びＢの一方がＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含むかもしれない。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソードバリア１は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢはＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含むかもしれない。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、ＢはＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合物質、例えば、ＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックが前記ニッケレート複合体と化学的互換性を有する場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成が存在しない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【００５５】
他の例では、カソード２４は、一般式（ＰｒuＮｄvＭw）2Ｎｉ1-zＮzＯ4、−ＡxＢyＣｅ(1-x-y)Ｏ2を有する複合ニッケレートから形成されてなり、ここで、式中、Ｍはアルカリ土類金属（例えば、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ等である）であり、０＜ｕ＜１であり、及び０＜ｖ＜１（好ましくは０．２５＜ｕ＜０．７５及び０．２５＜ｖ＜０．７５）であり、０＜ｗ＜０．３（好ましくは、０．０５＜ｗ＜０．１５）であり、Ｎは遷移金属（例えば、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ等である）であり、０＜ｚ＜０．５（好ましくは０．０５＜ｚ＜０．２）であり、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、並びに、０≦ｙ＜０．５（好ましくは０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくは、Ａ及びＢの一方がＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含むかもしれない。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、及びＢはＮｄである。カソードバリア２６は、一般式ＡxＢyＣｅ(1-x)Ｏ2を有する組成物から形成されてなり、ここで、式中、Ａは希土類金属（例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）、０＜ｘ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｘ≦０．３）であり、ＢはＡとは異なる希土類金属元素（例えば、Ｇｄ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｙｂ、Ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ等である）であり、０≦ｙ＜０．５（好ましくは、０．０５≦ｙ≦０．３）である。幾つかの諸例では、好ましくはＡ及びＢはＰｒ及びＮｄである。これは以下の場合を含むかもしれない。１）Ａ又はＢがＰｒであり；２）Ａ又はＢがＮｄであり；３）ＡはＰｒであり、ＢはＮｄである。カソード集電体２２は、カソード２４のニッケレート複合物質、例えば、ＬＮＦ等と化学的互換性である導電性セラミックから形成されてよい。例えば、導電性セラミックが前記ニッケレート複合体と化学的互換性を有する場合、２つの物質が互いに接触し、第３の相形成が存在しない場合には、化学反応は実質的に起こらない。
【実施例】
【００５６】
様々な実験例が実行され、本開示に従ったカソード組成物及び前記カソード組成物を採用した燃料電池の一又は複数の実施態様を評価した。しかしながら、本開示の諸例は、実験的なアノード（カソード）組成物に限定して解釈されるものではない。
【００５７】
１つの例証では、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4を有する物質から形成されたニッケレートペレットが処方され、次いで、約８７０℃で約５００時間でエージングされた。図３Ａは、前記処方されたニッケレートペレットのＸＲＤパターンを示す。図３Ｂは、エージングされた後、前記ニッケレートペレットのＸＲＤパターンを示す。図示されているように、ニッケレートから離溶されたＰｒＯｘ酸化物は、エージングの後に同定されたが、それは、望まれない三重相境界であり、カソードマイクロ構造を変化させて、三重相境界を減少させ、及びＣＴＥの不一致によるより高い熱応力に起因する局所領域におけるカソード剥離を引き起こすことによるものであった。
【００５８】
１つの例証では、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％ＧＤＣ１０を有する物質から形成されたニッケレート複合ペレットが処方され、次いで、約８７０℃で約５００時間でエージングされた。図４Ａは、前記処方されたニッケレート複合ペレットのＸＲＤパターンを示す。図４Ｂは、エージングされた後、前記ニッケレート複合物ペレットのＸＲＤパターンを示す。図示されているように、ＰｒＯｘ酸化物が、前記エージングされたニッケレート複合物中には形成されなかったのは、離溶されたＰｒはＧＤＣ相中に拡散したからである。しかしながら、エージングした後に、小さなＮｉＯピークが同定された。ＰｒＯｘとＮｉＯの両方が望ましくない相であっても、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％ＧＤＣ１０複合カソードは、望ましくない相の実質的な減少を成す一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4カソードと比較して、５００時間のエージング後に、非常に改善された相構成を示した。
【００５９】
別の例証では、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％（Ｐｒ0.24Ｎｄ0.21）Ｃｅ0.55Ο2を有する物質から形成されたニッケレート複合ペレットが処方され、次いで、約８７０℃で約５００時間でエージングされた。図５Ａは、前記処方されたニッケレート複合ペレットのＸＲＤパターンを示す。図５Ｂは、エージングされた後、前記ニッケレート複合物ペレットのＸＲＤパターンを示す。図示されているように、ＰｒＯｘとＮｉＯの第３の相は前記物質中では同定されなかった。さらに、複合カソード物質の例では、焼成及びエージング中に物質移動がより少なくなった。前記同定された相は、より高次のニッケレート（例えば、ｎ＝３）、及びドープされたセリア（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｅ）Ｑｘであった。この例では、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％（Ｐｒ0.24Ｎｄ0.21）Ｃｅ0.55Ο2では、８７０℃で５００時間のエージング後に高次のニッケレート及びドープされたセリア相のみが存在され、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％ＧＤＣ１０複合カソードと比較して、より改善された相構成を示しており、これは、両方の相が所望の相であるからである。前述したように、ニッケレートは異なる相、ｎ＝１（低次相）、２及び３（高次相）を有する。全てが望ましい相である。
【００６０】
図６Ａは、約８７０℃で約５００時間エージングさせた後、上記した前記例（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4物質の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。前記画像に示すように、（Ｐｒ、Ｎｄ）Ｏｘ酸化物が、同定され、例えば、図６Ａにおける、位置５、６、７及び８において同定された。
【００６１】
図６Ｂは、８７０℃で約５００時間エージングさせた後、上記した前記例（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％ＧＤＣ１０複合物質のＴＥＭ画像である。前記画像に示すように、Ｐｒ及びＮｄはＧＤＣ中に拡散し、及び、例えば、図６Ｂにおける、位置５、６及び７の位置に、（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ）ＣｅＯ2固溶体を形成した。前記固溶体中の前記Ｐｒ及び前記Ｎｄは、それぞれ約２９％及び約２０％と高いものとして測定された。さらに、ＮｉＯは、例えば、図６Ｂにおける位置１として、同定された。
【００６２】
ニッケレート又はニッケレート複合カソードのＴＥＭ分析は、我々の仮説、即ち、ニッケレートからの希土類金属の離溶、及び第２のイオン相、ドープされたセリアへの、その溶解について確認された。カソードにおける相構成は、セリア及びドーピングレベルのためのドーパントとしての希土類金属の選択、並びに、複合カソードにおけるドープされたセリアの添加レベルを通じて管理することができた。
【００６３】
図７Ａ及び図７Ｂは、８７０℃、１４％Ｏ2、３％Ｈ2Ｏ、及び３００ｍＡ／ｃｍ2で１５０時間の動作後、エージングした後、図２に示された構成において、ＬＮＦ  ＣＣＣ層、ニッケレートカソード層、及び、ＧＤＣ  １０カソードバリア層を含む２つの例の電気化学セル構造（カソード対称セル）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図７Ａの例において、前記カソードは、如何なるＧＤＣを有さない、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4を有する組成物から形成された。逆に、図７Ｂの例では、前記カソードは、一般式（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−３０％ＧＤＣ２０を有する組成物から形成された。
図示されているように、図７Ａの前記カソードの例と比較して、図７Ｂの前記カソードの例は、微細なミクロ構造及び前記カソードバリア層へのより良好な接着を示した。
【００６４】
図８は、異なるカソード例を用いた、カソード非対称ボタン電池（カソード側が同じ物質を有する）の短期間耐久性試験の結果を示すプロットである。前記異なるカソード例は、１）（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4（「ＰＮＮ５０５０」）；２）  （Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−３０ｗｔ％ＧＤＣ１０（「ＰＮＮ５０５０−３０％ＧＤＣ１０」）；及び３）（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％（Ｐｒ0.24Ｎｄ0.21）Ｃｅ0.55Ｏ2（「−ＰＮＮ５０５０−３０％ＰＮＤＣ２４２１」）であった。このプロットにおいて、セルＡＳＲは、（ＡＳＲanodic＋ＡＳＲcathodic＋ＡＳＲele）／２として定義される。これらのボタン電池は、カソードバリア層としてのＧＤＣ１０と、カソード集電体としてのＬＮＦとを備えてなる。前記プロットに示すように、電池の劣化速度は、ＰＮ  ５０５０ニッケレートカソード用の約０．３オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒｓから、ＰＮＮ５０５０−３０％ＧＤＣ１０用の約０．１オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒｓに減少し、次いで、ＰＮＮ５０５０−３０％のＰＮＤＣ２４２１用の約０．０１オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒｓであって、これもまた、より低いＡＳＲであった。先の段落において論じたように、前記カソード組成が、（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4（「ＰＮＮ５０５０」）から（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−イオン複合カソードへ変更されて、望ましくない第３の相が実質的に減少した（図３Ｂ及び図４Ｂを比較）。カソード組成が、（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−ＧＤＣ  １０から、（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）2ＮｉＯ4−１５％（Ｐｒ0.24Ｎｄ0.21）Ｃｅ0.55Ｏ2複合相に変更した場合には、前記相構成は、エージング後に更に改良され、及び、前記望ましくない第３の相が排除された。理論に拘泥されることは望まないが、本発明者等は、前記望ましくない第３の相が、カソードマイクロ構造を変化させ、局所領域における三重相境界及びカソード剥離が減少させることができるものと考える。これらの変化は、セルＡＳＲ（セルＡＳＲは、カソード分極及びアノード分極、及び電解質オーム抵抗を包含する）を増加させてよい。前記試験結果は前記分析と一致していた。
【００６５】
図９は、約８８０℃、湿潤空気、及び改質燃料において、サブスケールセルと、セグメントセル直列設計（活性セルを多孔質基材上に印刷したもの）を使用した場合の、ニッケレート複合カソード（（Ｐｒ0.5Ｎｄ0.5）4Ｎｉ3Ｏ10（ＰＮ4Ｎ3）−１５ｗｔ％ＧＤＣ１０、及び、ＰＮＮ５０５０−１５ｗｔ％ＧＤＣ１０）の長期耐久性試験の結果のプロットである。約２時間後、２００時間の動作（運転）後、前記セルＡＳＲは約０．２オーム−ｃｍ2であり、分解速度は（ＰＮ4Ｎ3）−１５ｗｔ％ＧＤＣ１０カソード用の約０．００２オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒであり、ＰＮＮ５０５０−１５ｗｔ％ＧＤＣカソード用の約０．０１３オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒであった。
【００６６】
図１０は、約８６０℃、湿潤空気、及び改質燃料において、サブスケールセルと、セグメントセル直列設計（活性セルを多孔質基材上に印刷したもの）を使用した場合の、ニッケレート複合カソード、ＰＮＮ５０５０−３０ｗｔ％ＧＤＣ１０の長期耐久性試験の結果のプロットである。約６、６００時間の動作（運転）後、前記セルＡＳＲは約０．２２オーム−ｃｍ2であり、分解速度は約０．００７オーム−ｃｍ2／１０００ｈｒであった。
【００６７】
図１１は、カソード対称ボタン電池（ボタン電池用電解質としては厚いものであり、セグメント化直列セル設計用の１０ミクロンに対して、約１００ミクロンである）を使用して、１４％のＯ2−３％スチーム及び１バールの下で試験したカソードバリア層を有する様々なニッケレート複合カソードのカソード分極（Ｒｐ）を示す棒グラフである。３０重量％のイオン相を有する幾つかのニッケレート複合カソードでは、分極は約７９０〜約８７０℃で約０．０２オームｃｍ2以下であった。
【００６８】
本発明による様々な実施形態について、本明細書において説明した。これら及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に記載された発明の範囲に含まれるものである。
【図１】
2018532237.tif 000003
【図２】
2018532237.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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