(57)【要約】  固体酸化物形燃料電池がアノード層と、アノード層の上の電解質層と、電解質層の上のカソード層とを備える。アノード層およびカソード層の少なくとも１つがガスマニホールドを画定する。ガスマニホールドが、アノード層またはカソード層の端縁によって画定されたガス入口と、アノード層またはカソード層の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口と、ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路とを備える。ガス流路が、ガス流路の間で実質的に等しい流量においてガス流をガス入口から伝える直径を有することができる。
2012512519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）アノード層と、
ｂ）前記アノード層の上の電解質層と、
ｃ）前記電解質層の上のカソード層と
を含み、前記アノード層および前記カソード層の少なくとも１つがガスマニホールドを画定し、前記ガスマニホールドが、
ｉ）前記アノード層またはカソード層の端縁によって画定されたガス入口と、
ｉｉ）前記アノード層またはカソード層の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口と、
ｉｉｉ）前記ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路と
を備える、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記ガス流路が、前記ガス流路の間で実質的に等しい流量においてガス流を前記ガス入口から伝える直径を有する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
入口流路が前記アノード層または前記カソード層によって画定され、前記入口流路が前記ガス入口とガス流路との間の流体連通を提供する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
出口流路が前記アノード層またはカソード層によって画定され、前記出口流路が前記ガス流路と前記ガス出口との間の流体連通を提供する、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記ガス流路が本質的に平行である、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
少なくとも２つのガス入口を備える、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
少なくとも２つのガス出口を備える、請求項５に記載の酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記出口流路の対向する端部に２つのガス出口を備える、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記入口流路の主軸が前記ガス流路の主軸に本質的に垂直である、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記出口流路の主軸が前記ガス流路の主軸に本質的に垂直である、請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
前記ガス入口が前記入口流路の一方の端部に配置される、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス入口が前記入口流路に沿って中央に配置される、請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記ガス流路が前記入口流路と前記出口流路との間で交わる、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１４】
前記ガス流路の少なくとも一部が実質的標準角度において交わる、請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１５】
ａ）アノードまたは未処理カソード先駆物質を形成する工程と、
ｂ）ガス入口と、ガス出口と、前記ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路とを画定する流路を未処理アノードまたはカソード先駆物質層に形成する工程と、
ｃ）前記アノードまたはカソード先駆物質層を電解質材料と組み合せ、それによって前記流路が前記電解質材料と流体連通状態である工程と、
ｄ）組み合せられたアノードまたはカソード先駆物質層と電解質材料を加熱して固体酸化物形燃料電池を形成する工程と
を含む、固体酸化物形燃料電池を形成する方法。
【請求項１６】
少なくとも２つの固体酸化物形燃料電池を組み合せて固体酸化物形燃料電池の積層体を形成する工程をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記流路が、前記アノードまたはカソード先駆物質層に不堅牢材料を置くことによって形成され、それによって前記不堅牢材料が、前記組み合せられたアノードまたはカソード先駆物質層と電解質材料の加熱の間に除去される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記流路が、前記アノードまたはカソード先駆物質層に不堅牢材料を置くことによって形成され、それによって前記不堅牢材料が、前記不堅牢材料を溶解することによって除去される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記流路が、前記アノードまたはカソード先駆物質層に不堅牢材料を置くことによって形成され、それによって前記不堅牢材料が、前記不堅牢材料の物理的除去によって除去される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記流路が、前記アノードまたはカソード先駆物質層をレーザーエッチングすることによって形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
前記流路が、前記アノードまたはカソード先駆物質層の部分の切断または孔あけによって形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
前記組み合せられたアノードまたはカソード先駆物質層が熱圧によって加熱される、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２００８年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／２０３，１０５号の利点を権利請求する。上記の出願の全教示内容は参照によってここに組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学反応によって電気を発生する装置である。様々な燃料電池のなかで、固体酸化物形燃料電池は、硬質なセラミック配合金属（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、固体酸化物形燃料電池において、Ｏ２などの酸素ガスがカソードにおいて酸素イオン（Ｏ２−）に還元され、Ｈ２ガスなどの燃料ガスがアノードにおいて酸素イオンで酸化されて水を形成する。燃料電池は一般に積層体として設計され、それによってカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の固体電解質とを各々備える部分組立品が、１つの部分組立品のカソードと別の部分組立品のアノードとの間に電気相互接続を配することによって直列に組み立てられる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の効率は一部には、カソードおよびアノードそれぞれにおいての酸素および燃料の分布に依存する。ガス供給は典型的に、電極（カソードおよびアノード）内に形成されたガス流路によってＳＯＦＣ積層体に提供される。ガス流路への外部からのアクセスは典型的に、燃料および酸素をガス流路に供給するための導管として作用するマニホールドによって提供される。マニホールドをＳＯＦＣ積層体の内部にまたは外部にあるように構成することができる。外部マニホールドは製造および操作がより簡単であるが、マニホールドとＳＯＦＣ積層体との間の封止の亀裂などの不利な点があり、マニホールドを形成する材料とＳＯＦＣ積層体との間の熱膨脹率（ＣＴＥ）の不一致のために、ガス漏れを生じさせる。内部マニホールドは製造するのがより難しいが、上記の外部マニホールドよりも封止の利点を有し、また、より効率的な熱伝達のためにＳＯＦＣ積層体のより大きい外部表面積を露出させることができる。
【０００４】
内部マニホールドに関してしばしば起こる問題は、各電極間の空気および燃料流の均一な分布を欠くことである。ガス流の動力学のために、各電極の全体にわたって等しい直径のガス流路を有する内部マニホールドが一般に電極の全体にわたって不均等なガス流分布を供給し、マニホールド入口に最も近い流路を通るガス流が多くなり、電極内の不均一な温度分布、およびＳＯＦＣ積層体の効率の低下につながる。
【０００５】
従って、上述の問題を克服または最小にする内部マニホールド設計が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は一般に、ガス流路の間で実質的に等しい流量においてガス流をガス入口から伝える直径を有するガス流路を有するガスマニホールドを備える固体酸化物形燃料電池に関する。
【０００７】
１つの実施形態において、本発明は固体酸化物形燃料電池である。固体酸化物形燃料電池は、アノード層と、アノード層の上の電解質層と、電解質層の上のカソード層とを備える。アノード層およびカソード層の少なくとも１つがガスマニホールドを画定する。ガスマニホールドは、アノード層またはカソード層の端縁によって画定されたガス入口と、アノード層またはカソード層の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口とを備える。ガスマニホールドは、ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路をさらに備える。
【０００８】
１つの実施形態において、ガス流路は、ガス流路の間で実質的に等しい流量においてガス流をガス入口から伝える直径を有する。別の実施形態において、入口流路はアノード層またはカソード層によって画定され、入口流路はガス流路とガス入口との間の流体連通を提供する。さらに別の実施形態において、出口流路はアノード層またはカソード層によって画定され、出口流路はガス流路とガス出口との間の流体連通を提供する。１つの実施形態において、ガス流路は本質的に平行である。別の実施形態において、燃料電池は少なくとも２つのガス入口を備え、さらに別の実施形態において、燃料電池は少なくとも２つのガス出口を備える。１つの特定の実施形態において、燃料電池は出口流路の対向する端部に２つのガス出口を備える。別の特定の実施形態において、入口流路の主軸はガス流路の主軸に本質的に垂直である。さらに別の特定の実施形態において、出口流路の主軸はガス流路の主軸に本質的に垂直である。１つの実施形態において、ガス入口は入口流路の一方の端部に配置される。別の実施形態において、ガス入口は入口流路に沿って中央に配置される。さらに別の実施形態において、ガス流路は入口流路と出口流路との間で交わる。特定の実施形態において、ガス流路の少なくとも一部が実質的標準角度において交わる。
【０００９】
別の実施形態において、本発明は、固体酸化物形燃料電池を形成する方法に関する。方法は、アノードまたは未処理カソード先駆物質を形成する工程と、ガス入口と、ガス出口と、ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路とを画定する流路を未処理アノードまたはカソード先駆物質層に形成する工程とを有する。また、方法は、アノードまたはカソード先駆物質層を電解質材料と組み合せ、それによって流路が電解質材料と流体連通状態である工程と、組み合せられたアノードおよびカソード先駆物質層と電解質材料を加熱して固体酸化物形燃料電池を形成する工程とを有する。１つの実施形態において、方法はさらに、少なくとも２つの固体酸化物形燃料電池を組み合せて固体酸化物形燃料電池の積層体を形成する工程を有する。別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層に不堅牢（ｆｕｇｉｔｉｖｅ）材料を置くことによって形成される。１つの実施形態において、不堅牢材料は、組み合せられたアノードまたはカソード先駆物質層と電解質材料の加熱の間に除去される。別の実施形態において、不堅牢材料は、不堅牢材料を溶解することによって除去される。さらに別の実施形態において、不堅牢材料は、不堅牢材料の物理的除去によって除去される。別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層をレーザーエッチングすることによって形成される。さらに別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層の部分を切断、孔あけ、またはエンボス加工することによって形成される。次に、組み合せられたアノードおよびカソード先駆物質層と電解質層とは、熱圧することによって加熱されてもよい。
【００１０】
本発明のガスマニホールドの利点には、電極内のガス流路の間で実質的に均一なガス流が挙げられ、従って、ガス流路を通る一定した質量流の分布のために、電極全体にわたってより均一な温度分布および電極表面全体にわたって反応体のより均質な分布を提供し、ＳＯＦＣ積層体の運転効率を上げることができる。
【００１１】
本発明を固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて使用することができる。ＳＯＦＣは、低放射および低雑音運転で高効率の発電の可能性を提供する。また、それらは電気効率、コジェネレーション効率および燃料処理の簡単さの好ましい組み合せを提供するとみられている。ＳＯＦＣの使用の１つの例は家または他の建築物内である。ＳＯＦＣは、天然ガスなど、家を暖めるために使用される同じ燃料を使用することができる。ＳＯＦＣシステムは長時間運転して発電し、家に電力供給することができ、過剰な量が発電される場合、過剰分を電力グリッド（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｒｉｄ）に販売することができる。また、ＳＯＦＣシステムにおいて発生された熱を使用して家に温水を提供することができる。ＳＯＦＣは、電気サービスが不確実であるかまたは存在しない地域において特に有用でありうる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】入口流路の一方の端部に１つのガス入口を有し、出口流路の反対側の端部に配置された１つのガス出口を有する内部マニホールドの略図である。
【図２】図１に示された内部マニホールドのガス流路の数の関数としてのガス流量のパーセント変化の模範的結果のグラフである。
【図３】入口流路に沿って中央に配置された１つのガス入口と出口流路の端部に配置された２つのガス出口とを有する内部マニホールドの略図である。
【図４】図３に示された内部マニホールドのガス流路の数の関数としてのガス流量のパーセント変化の模範的結果のグラフである。
【図５】図３に示された内部マニホールドの流路の数の関数としてのガス流量のパーセント変化の模範的結果のグラフであり、ガス流路の直径は、ガス流路の間で実質的に等しい流量のために最適化されている。
【図６】２つのガス入口と出口流路の端部に配置された１つのガス出口とを有する内部マニホールドの略図である。
【図７】交わるガス流路を有する内部マニホールドの略図である。
【図８】固体酸化物形燃料電池の構成要素の図解である。
【図９】ガス流路を備える固体酸化物形燃料電池の構成要素の図解である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
前述の内容は本発明の例示的な実施形態の以下のより詳しい説明から明白であり、添付した図面において説明され、そこで同じ参照符号は異なった図面の全体にわたり同じ部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、むしろ、本発明の実施形態の説明に重点が置かれている。ここに引用された全ての特許、公開出願および参考文献の教示はそれらの全体において参照によって組み入れられる。
【００１４】
１つの実施形態において、本発明は固体酸化物形燃料電池である。固体酸化物形燃料電池はアノード層と、アノード層の上の電解質層と、電解質層の上のカソード層とを備える。アノード層およびカソード層の少なくとも１つが、図１において示されたガスマニホールドを画定する。図１に戻ると、ガスマニホールド１００は、好ましい実施形態においてここで示されたアノード層またはカソード層の端縁によって画定されたガス入口１２０と、アノード層またはカソード層（電極層）の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口１５０とを備え、ガス出口は、ガス入口１２０の反対側の電極層の端縁によって画定されている。ガスマニホールドは、ガス入口１２０およびガス出口１５０と流体連通する複数のガス流路１３０をさらに備える。図１に示された１つの実施形態において、ガスマニホールド１００は、２１の本質的に平行なガス流路１３０を備える。入口流路１１０および出口流路１４０の主軸は、ガス流路１３０の主軸に本質的に垂直である。図１は、電極層によって画定された直径１．５ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの入口流路１１０と、入口流路１１０の一方の端部の直径１ｍｍの１つの円形ガス入口１２０と、電極全体にわたって直径０．９ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの２１のガス流路１３０と、直径１．５ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの出口流路１４０と、電極層によって画定されたガス入口１２０から離れた出口流路１４０の端部の直径１ｍｍの１つの円形ガス出口１５０とを備える内部マニホールド１００を示す。入口および出口流路は、ガス流路とガス入口および出口それぞれとの間の流体連通を提供する。
【００１５】
２１のガス流路全体にわたって層状ガス流（１ｍｍの特性長について約１５のレイノルズ数）に対して８００℃の水素ガスの６００ｍｌ／分（ミリリットル／分）について多孔性（約３５％の多孔度、２．６７×１０−１３ｍ２の透過性）電極全体にわたる流れの分布の模範的結果は図２に示される。模範的結果は、ガス入口から最も近いおよび最も遠い流路を通るガスの高い流量を示し、ガス流路の間で流量のパーセント変化はほぼ１２％である。この実施形態および以下に記載された全ての他の実施形態において流量の分布の模範的結果は、市販の計算流体動力学ソフトウェアＦＬＵＥＮＴ  ６．３．２６（ＡＮＳＹＳ，Ｉｎｃ．，Ｃａｎｏｎｓｂｕｒｇ，ＰＡ）を用いて得られた。
【００１６】
図３において示された別の実施形態において、内部マニホールド２００は、直径１．５ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの入口流路２１０と、入口流路２１０に沿って中央に配置された直径１ｍｍの１つの円形ガス入口２２０と、電極全体にわたって直径１．０ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの２１のガス流路２３０と、直径１．５ｍｍおよび長さ約５０ｍｍの出口流路２４０と、出口流路２４０の２つの対向する端部の直径１ｍｍの２つの円形ガス出口２５０とを備える。２１のガス流路全体にわたって層状ガス流（１ｍｍの特性長について約１５のレイノルズ数）に対して８００℃の水素ガスの６００ｍｌ／分について多孔性（約３５％の多孔度、２．６７×１０−１３ｍ２の透過性）電極全体にわたる流れの分布の模範的結果は図４に示される。模範的結果は、ガス入口に最も近い中心流路を通るガスの高い流量、およびガス出口に最も近い流路を通る高い流量を示す。流量の相対的なパーセント変化は多くても約３％であり、図１に示された設計の相対的なパーセント変化よりも小さい。
【００１７】
ガス流路がそれらの間で本質的に同じ直径を有する場合に固体酸化物形燃料電池の運転の間に生じるであろう変化よりも小さく電極全体にわたって温度差および反応体の分布の変化を低減するために、２１の個々のガス流路の直径を変化させて電極全体にわたってガス流量の変動性をさらに変化させた。個々のガス流路の最適化された直径は、以下の表１に記載されている。個々のガス流路の直径が表１に記載されている図３に示された同じ設計について得られた流量の変化、および２１のガス流路全体にわたって層状ガス流（１ｍｍの特性長について約１５のレイノルズ数）に対して８００℃の水素ガスの６００ｍｌ／分について多孔性（約３５％の多孔度、２．６７×１０−１３ｍ２の透過性）電極全体にわたる流れの分布の模範的結果は、図５に示される。流量の相対的なパーセント変化は約１％未満である。
【００１８】
【表１】
2012512519.tif 000003
【００１９】
図６に示されたさらに別の実施形態において、ガスマニホールドは２つのガス入口を備える。図６に戻ると、ガスマニホールド３００は、好ましい実施形態においてここで示されたアノード層またはカソード層の２つの対向する端縁によって画定された２つのガス入口３２０と、アノード層またはカソード層（電極層）の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口３５０とを備え、ガス出口は、ガス入口３２０の反対側の電極層の端縁によって画定されている。ガスマニホールドは、ガス入口３２０およびガス出口３５０と流体連通する複数のガス流路３３０をさらに備える。図６に示された１つの実施形態において、ガスマニホールド３００は、２１の本質的に平行なガス流路３３０を備える。入口流路３１０および出口流路３４０の主軸は、ガス流路３３０の主軸に本質的に垂直である。入口および出口流路は、ガス流路とガス入口および出口それぞれとの間の流体連通を提供する。
【００２０】
図７において示された別の実施形態において、ガス流路は入口流路と出口流路との間で交わる。図７に戻ると、ガスマニホールド４００は、好ましい実施形態においてここで示されたアノード層またはカソード層の端縁によって画定されたガス入口４２０と、アノード層またはカソード層（電極層）の同じまたは異なった端縁によって画定されたガス出口４５０とを備え、ガス出口は、ガス入口４２０の反対側の電極層の端縁によって画定されている。ガスマニホールドは、ガス入口４２０およびガス出口４５０と流体連通する複数のガス流路４３０を備える。１つの実施形態において、ガス流路４３０は、入口流路４１０および出口流路４４０において交わることができる。図７において示された別の実施形態において、ガス流路４３０は実質的標準角度（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  ｎｏｒｍａｌ  ａｎｇｌｅ）において交わることができる。入口および出口流路は、ガス流路とガス入口および出口それぞれとの間の流体連通を提供する。
【００２１】
別の実施形態において、本発明は、固体酸化物形燃料電池を形成する方法に関する。方法は、アノードまたは未処理カソード先駆物質を形成する工程と、ガス入口と、ガス出口と、ガス入口およびガス出口と流体連通する複数のガス流路とを画定する流路を未処理アノードまたはカソード先駆物質層に形成する工程とを有する。水性テープキャスチングスラリーをアノードおよびカソード粉末の両方を用いて製造した。アクリルベースのバインダー系（ＷＢ４１０１，Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｖｉｓｔａ，ＣＡ）を乾燥粉末に基づいて１０重量％のレベルで使用した。シートを約３５０ミクロンの厚さでテープキャストした。例示的な実施形態において、次に、テープキャストシートを２つの形状に切断した：すなわち、図８に示された、５５ｍｍの長さおよび幅の寸法を有する中実四角形、および同じ外部寸法の四角形だが図９に示されるように約１．３ｍｍの幅および約５０ｍｍの長さを各々有する１３の平行なスリットを形成するように材料が除去されている。代わりに、２つの中実四角形にパターンをエンボス加工することができる。次に、シートを、端縁を整列させて縦に積層して内部キャビティを形成することができる。１つの実施形態において、２つの中実シートを一緒に置き、その後に、５つの流路カットシートを置き、幅約１．３ｍｍ×深さ約１．４ｍｍの１３個のくぼみを有効に形成した。次に、不堅牢ロッド（例えば、ぺんてる（Ｐｅｎｔｅｌ）製の直径１．３ｍｍのＨＢ鉛筆の芯）を、積層されたシート内に生じさせられたキャビティの各々に置いた。次いで２つの中実シートを上部に置いてキャビティを覆った。次に、シートの積層体を約３００°Ｆの温度および約３，０００ｐｓｉの圧力の加熱されたプレスで一体に積層した。次に、引き続いて成形された成形品を熱処理してバインダーおよび不堅牢流路の形成剤を除去し、セラミック粉末を部分的に焼結した。熱プロファイルの例を以下の表２に記載する。室温から６７５℃までの熱プロファイルの部分を用いてバインダーおよび不堅牢流路の形成剤を除去し、他方、熱プロファイルの他の部分がセラミック材料の強度を改良する。
【００２２】
【表２】
2012512519.tif 000004
【００２３】
方法はまた、アノードおよびカソード先駆物質層を電解質材料と組み合せ、それによって流路が電解質材料と流体連通状態である工程と、組み合せられたアノードおよびカソード先駆物質層と電解質材料を加熱して固体酸化物形燃料電池を形成する工程とを有する。１つの実施形態において、組み合せられたアノードおよびカソード先駆物質層と電解質材料とは、１２００℃〜１５００℃の範囲、好ましくは１３５０℃の温度の大気中で加熱された。１つの実施形態において、方法はさらに、少なくとも２つの固体酸化物形燃料電池を組み合せて固体酸化物形燃料電池の積層体を形成する工程を有する。別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層に不堅牢材料を置くことによって形成される。１つの実施形態において、不堅牢材料は、組み合せられたアノードまたはカソード先駆物質層と電解質材料の加熱の間に除去される。流路を電極内に形成して電極へのより良いガス供給および電極からの除去を促進することができる。
【００２４】
カソードおよびアノード層内に流路または通路を形成するために使用できる様々な可能な材料、例えば、繊維が存在する。一般に、材料の選択に関する唯一の制限条件は、材料が焼成プロセスの間に燃料電池から燃焼するかまたはガス放出されること、および材料がセラミック粒子と反応性ではないことである。これらの２つの条件は有機系材料によって十分に満たされる。従って、繊維は自然繊維；綿、靱皮繊維、コード用繊維、または動物繊維、例えばウールであってもよく、もしくはそれらは人造繊維；再生セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリル、ポリビニル、ポリオレフィン樹脂、炭素またはグラファイト繊維、または液晶ポリマーであってもよい。あるいは、繊維は、押出された長さのバインダー材料、例えば合成ゴム、熱可塑性樹脂、またはポリビニルおよび押出された長さの可塑剤材料、例えば、グリコールおよびフタレートの群でありうる。別の実施形態において、材料はスパゲッティなどのパスタでありうる。別の実施形態において、不堅牢材料は、不堅牢材料を溶解することによって、または不堅牢材料の昇華によって除去される。溶解または昇華による除去に適した不堅牢材料の例にはカンフェン（二環式モノテルペン）および氷（Ｈ２Ｏ）などがある。さらに別の実施形態において、不堅牢材料は、不堅牢材料の物理的除去によって除去される。別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層をレーザーエッチングすることによって形成される。さらに別の実施形態において、流路は、アノードまたはカソード先駆物質層の部分を切断、孔あけ、またはエンボス加工することによって形成される。組み合せられたアノードおよびカソード先駆物質層と電解質材料とは、熱圧することによって加熱されてもよい。
【００２５】
本技術分野に公知の、例えば、「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｐｐ．１４９−１６９、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｌｔｄ．（２００３）（その全教示内容が参照によって本願明細書に組み入れられる）において一切の適したアノード材料をアノードのために使用することができる。１つの実施形態において、アノードはニッケル（Ｎｉ）サーメットを含有する。本明細書中で用いられるとき、「Ｎｉサーメット」という語句はＮｉ、例えば約２０重量％〜７０重量％のＮｉを含有するセラミック金属複合材料を意味する。Ｎｉサーメットの例はＮｉ、チタン酸ランタンストロンチウム（ＬＳＴ）、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、例えば約１５重量％のＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２を含有する材料であり、ＮｉおよびＹ−ジルコニアまたはＳｃ−ジルコニアを含有する材料である。アノード材料のさらに別の例は酸化セリウムである。Ｎｉサーメットの特定の例は６７重量％のＮｉおよび３３重量％のＹＳＺを含有する。
【００２６】
本技術分野に公知の、例えば、「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，  Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｐｐ．１１９−１４３、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｌｔｄ．（２００３）（その全教示内容が参照によって本願明細書に組み入れられる）において一切の適したカソード材料をカソードのために使用することができる。１つの実施形態において、カソードは、Ｌａ−マンガン酸塩（例えば、Ｌａ１−ａＭｎＯ３、式中、「ａ」は０以上、０．１以下である）またはＬａ−フェライト系材料を含有する。典型的に、Ｌａ−マンガン酸塩またはＬａ−フェライト系材料は１つまたは複数の適したドーパント、例えばＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅでドープされる。ドープされたＬａ−マンガン酸塩系材料の例には、ＬａＳｒ−マンガン酸塩（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３、式中、ｋが０．１以上、０．３以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎが約１．０〜約０．９５の範囲である（モル比））およびＬａＣａ−マンガン酸塩（例えば、Ｌａ１−ｋＣａｋＭｎＯ３、式中、ｋが０．１以上、０．３以下であり、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎが約１．０〜約０．９５の範囲である（モル比））などがある。ドープされたＬａ−フェライト系材料の例には、ＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）（例えばＬａ１−ｑＳｒｑＣｏ１−ｊＦｅｊＯ３、式中、ｑおよびｊの各々が独立して０．１以上、０．４以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）が約１．０〜約０．９５の範囲である（モル比））などがある。１つの特定の実施形態において、カソード１６は、ＬａＳｒ−マンガン酸塩（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３）およびＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）の少なくとも１つを含有する。一般的な例には、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３±δ（δが０以上、０．３以下である）およびＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３などがある。
【００２７】
典型的に、アノードおよびカソード電極の各々の厚さは、独立して、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲である。具体的に、アノードおよびカソード電極の各々の厚さは、独立して、約１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲である。
【００２８】
固体電解質がアノードとカソードとの間に配置される。本技術分野に公知の、例えば「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、ｐｐ．８３−１１２、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｌｔｄ．（２００３）（その全教示内容が参照によって本願明細書に組み入れられる）に記載されているような一切の適した固体電解質を本発明において使用することができる。例には、ＹＳＺ、マンガン酸ランタンストロンチウム（ＬＳＭ）、ＺｒＯ２系材料、例えばＳｃ２Ｏ３ドープトＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープトＺｒＯ２、およびＹｂ２Ｏ３ドープトＺｒＯ２；ＣｅＯ２系材料、例えばＳｍ２Ｏ３ドープトＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３ドープトＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープトＣｅＯ２およびＣａＯドープトＣｅＯ２；Ｌｎ−ガレート系材料（Ｌｎ＝ランタニド、例えばＬａ、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍ）、例えば、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはそれらの混合物でドープされたＬａＧａＯ３（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５Ｃｏ０．０５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７またはＬａ０．９Ａ０．１ＧａＯ３、式中、Ａ＝Ｓｒ、ＣａまたはＢａ）；およびそれらの混合物などがある。他の例には、ドープされたジルコン酸イットリウム（例えば、ＹＺｒ２Ｏ７）、ドープされたチタン酸ガドリニウム（例えば、Ｇｄ２Ｔｉ２Ｏ７）およびブラウンミラライト（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ６またはＢａ２Ｉｎ２Ｏ５）などがある。特定の実施形態において、電解質１２は、８モル％のＹ２Ｏ３でドープされたＺｒＯ２（すなわち、８モル％Ｙ２Ｏ３ドープトＺｒＯ２）を含有する。
【００２９】
典型的に、固体電解質の厚さは約５μｍ〜約２０μｍの範囲、例えば約５μｍ〜約１０μｍである。あるいは、固体電解質の厚さは約１００μｍよりも厚い（例えば、約１００μｍ〜約５００μｍ）。約１００μｍより大きい厚さを有する固体電解質を使用する実施形態において、固体電解質は、燃料電池のための構造的支持を提供することができる。
【００３０】
同等物
本発明はその例示的な実施形態を参照して特に示され、説明されたが、添付された請求の範囲によって包含された本発明の範囲から逸脱せずに形態および細部において様々な変更をそれに加えてもよいことは当業者によって理解されよう。
【図１】
2012512519.tif 000005
【図２】
2012512519.tif 000006
【図３】
2012512519.tif 000007
【図４】
2012512519.tif 000008
【図５】
2012512519.tif 000009
【図６】
2012512519.tif 000010
【図７】
2012512519.tif 000011
【図８】
2012512519.tif 000012
【図９】
2012512519.tif 000013
【国際調査報告】
2012512519.tif 000014
2012512519.tif 000015
2012512519.tif 000016