JP2010515226A - 固体酸化物燃料電池用の２層構造インターコネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】焼結性に優れ、動作時に変形して固体酸化物燃料電池の性能劣化を引き起こさない、２層構造相互接続部材を提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物燃料電池１０において単セル１２同士を接続する相互接続部材２４は、各単セル１２の第１電極１４と接触する層である、ドープされたＭ−フェライト系ペロブスカイト型化合物、ドープされたＭ’−フェライト系ペロブスカイト型化合物、ドープされたＭＭ’−フェライト系ペロブスカイト型化合物、およびドープされたＭ’−クロマイト系ペロブスカイト型化合物（Ｍはアルカリ土類金属、Ｍ’は希土類金属）で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料からなる第１層３６と、各単セル１２の前記第２電極１６と接触する層である、ドープされたＭ’’−チタネート系ペロブスカイト型化合物（Ｍ’’はアルカリ土類金属）を含む第２層３８とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）において各単セル同士を接続する２層構造のインターコネクタ、このインターコネクタを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を形成する方法に関する。

関連出願

本願は、２００６年１２月２８日付の米国仮特許出願第60/877,502号の利益を主張するものであり、その全教示内容は、参照によって本願に取り入れたものとする。

燃料電池は、化学反応によって電気を生成する装置である。多種多様な燃料電池の中でも、固体酸化物燃料電池は、金属（例えば、カルシウムまたはジルコニウム）酸化物の硬質なセラミック化合物を電解質として用いるものである。典型的に、固体酸化物燃料電池では、Ｏ_２などの酸素ガスがカソードにおいて酸素イオン（Ｏ^２−）に還元され、Ｈ_２ガスなどの燃料ガスが上記酸素イオンによって酸化され、アノードにおいて水が生成する。

インターコネクタは、固体酸化物燃料電池の商業化を律速する重要な課題の１つである。現在、平板型セルに取り組んでいる会社および研究者のほとんどが、被覆を施した金属製のインターコネクタを使用している。金属製のインターコネクタは作製および加工が比較的簡単である一方、一般的に動作時のインターコネクタ−アノード界面／インターコネクタ−カソード界面でのクロミア（Ｃｒ_２Ｏ_３）などの金属酸化物の形成が一因となって、出力低下率が高くなってしまう（例えば、１０％／１０００ｈ）。ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）系のセラミック製のインターコネクタは、熱力学的安定性が比較的高いこと、および金属製のインターコネクタの場合にこのインターコネクタと電極との界面に形成されるクロミア（Ｃｒ_２Ｏ_３）と比べてランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）のクロム蒸気圧が小さいことなどにより、金属製のインターコネクタよりも劣化率が小さい。しかしながら、ドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）では、一般的に、反り、または他の歪みなどの寸法変化およびこれに起因する還元条件下の密封不良が生じる。ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）に係る他の課題として、比較的低い焼結性が挙げられる。

このため、前述の課題の１つ以上について対処できる、固体酸化物燃料電池用の新しいインターコネクタの開発が望まれている。

本発明は、複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を形成する方法に関する。各単セルは、酸素ガス源と流体連通する第１電極、燃料ガス源と流体連通する第２電極、および第１電極と第２電極との間に介在する固体電解質を含む。本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、さらに、単セル間に配置されたインターコネクタを備えている。このインターコネクタは、各単セルの第１電極と接触する第１層と、各単セルの第２電極と接触する第２層とを有する。第１層は、ドープされたＭ−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、およびドープされたＭ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属であり、Ｍ’は希土類金属である）で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む。第２層は、ドープされたＭ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍ’’はアルカリ土類金属である）を含む。

本発明は、さらに、上述したような固体酸化物燃料電池を形成する方法を含む。この方法は、単セルの各々を、上述したインターコネクタに接続する工程を含む。

特定の理論に頼らずとも、本発明では、第１電極と接触する第１層における還元条件は、第２電極と接触する第２層における還元条件よりも厳しくないと考えられる。さらに、第１層がＭ−フェライト、Ｍ’−フェライト、ＭＭ’−フェライトまたはＭ’−クロマイト、例えば、Ｓｒがドープされたランタンフェライト（ＬａＦｅＯ_３）を有する本発明の一実施形態について、焼結性、安定性および／または導電性は、従来のランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）の１層型固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）よりも向上していると考えられる。さらに、本発明の一実施形態のインターコネクタの第２層に含まれるＭ’’−チタネート、例えば、ｎドープされたストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）またはｎドープされたカルシウムチタネート（ＣａＴｉＯ_３）は、従来のｐドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）と比べて固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）の動作時の酸素空孔形成が少ないので、従来のｐドープされたランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）に係る格子膨張を抑えられるか、またはこの問題を解消できると考えられる。

本発明の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の燃料電池の一実施形態である、平板スタック型構造の燃料電池を示す概略図である。 本発明の燃料電池の一実施形態である、チューブ型構造の燃料電池を示す概略図である。

本発明の前述および他の目的、特徴ならびに利点は、添付の図面に示された本発明の例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から明確になる。添付の図面における同一の符号は、異なる図を通して同一の部分を示している。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。

図１に、本発明に係る燃料電池１０を示す。燃料電池１０は、複数の単セル（sub-cell）１２を備える。各単セル１２は、第１電極１４および第２電極１６を含む。典型的に、第１電極１４および第２電極１６は多孔質である。燃料電池１０において、第１電極１４は、少なくともその一部が空気などの酸素ガス源と流体連通する複数の第１ガス流路１８を形成している。第２電極１６は、少なくともその一部がＨ_２（水素）ガス、または第２電極１６のその場でＨ_２（水素）に変換されることが可能な天然ガスなどの燃料ガス源と流体連通する、複数の第２ガス流路２０を形成している。

図１では第１電極１４および第２電極１６がそれぞれ複数の第１ガス流路１８および複数の第２ガス流路２０を形成しているが、本発明では、他の種類のガス流路、例えば、各電極に設けた微細構造を有する流路（例えば、溝加工された流路）、または電極と流体連通する別の層を使用してもよい。例えば、図２では、第１ガス流路１８の少なくとも一部が第１電極１４により形成され、少なくとも他の一部がインターコネクタ２４により形成されており、第２ガス流路２０の少なくとも一部が第２電極１６により形成され、少なくとも他の一部がインターコネクタ２４により形成されている。

当該技術分野において公知である適切な任意のカソード材料を第１電極１４に使用してよく、例えば、“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 119-143, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたカソード材料を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。一実施形態において、第１電極１４は、ランタンマンガネート（例えば、Ｌａ_１−ａＭｎＯ_３；ただし、０≦ａ≦０．１）系材料、またはランタンフェライト系材料を含む。典型的に、上記ランタンマンガネート系材料または上記ランタンフェライト系材料は、Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｎｉ，ＣｏまたはＦｅなどの１種以上の適切なドーパントでドープされている。ドープされたランタンマンガネート系材料の例には、ランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ_１−ｋＳｒ_ｋＭｎＯ_３；ただし、０．１≦ｋ≦０．３、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎは約１．０から約０．９５である（モル比））、およびランタンカルシウムマンガネート（例えば、Ｌａ_１−ｋＣａ_ｋＭｎＯ_３；ただし、０．１≦ｋ≦０．３、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎは約１．０から約０．９５である（モル比））が含まれる。ドープされたランタンフェライト系材料の例には、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）（例えば、Ｌａ_１−ｑＳｒ_ｑＣｏ_１−ｊＦｅ_ｊＯ_３；ただし、０．１≦ｑ≦０．４、０．１≦ｊ≦０．４、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）は約１．０から約０．９５である（モル比））が含まれる。特定の一実施形態において、第１電極１４は、ランタンストロンチウムマンガネート（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ_１−ｋＳｒ_ｋＭｎＯ_３）およびランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）のうち少なくとも１種を含む。一般的な例には、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３±δ（ただし、０≦δ≦０．３）およびＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３が含まれる。

当該技術分野において公知である適切な任意のアノード材料を第２電極１６に使用してよく、例えば、“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 149-169, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたアノード材料を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。一実施形態において、第２電極１６はニッケル（Ｎｉ）サーメットを含む。本明細書で用いられる「Ｎｉサーメット」という用語は、Ｎｉを含む、セラミックと金属との複合材料のことを意味し、例えばＮｉを約２０重量％〜７０重量％含んでいる。Ｎｉサーメットの例として、Ｎｉと、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を約１５重量％含有するジルコニア（ＺｒＯ_２）などのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とを含む材料、およびＮｉと、イットリア安定化ジルコニア（Y-zirconia）またはスカンジア安定化ジルコニア（Sc-zirconia）とを含む材料が挙げられる。アノード材料のさらなる例として、銅−セリウム酸化物（Cu-cerium oxide）が挙げられる。Ｎｉサーメットの特定の一例は、Ｎｉを６７重量％、およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を３３重量％含有する。

典型的に、第１電極１４および第２電極１６の厚さは、それぞれ、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍである。好ましくは、第１電極１４および第２電極１６の厚さは、それぞれ、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。

固体電解質２２が第１電極１４と第２電極１６との間に介在している。当該技術分野において公知である、適切な任意の固体電解質を本発明において使用してもよく、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 83-112, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載された固体電解質を使用してもよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。例として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）系材料、例えばスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）をドープしたジルコニア、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）をドープしたジルコニア、およびイッテルビア（Ｙｂ_２Ｏ_３）をドープしたジルコニア；セリア（ＣｅＯ_２）系材料、例えば、サマリア（Ｓｍ_２Ｏ_３）をドープしたセリア、ガドリア（Ｇｄ_２Ｏ_３）をドープしたセリア、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）をドープしたセリア、カルシア（ＣａＯ）をドープしたセリア：ランタニドガレート（Ｌｎ−ｇａｌｌａｔｅ）系材料（Ｌｎ＝Ｌａ，Ｐｒ，ＮｄまたはＳｍなどのランタニド）、例えば、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅまたはこれらの混合物をドープしたランタンガレート（ＬａＧａＯ_３）（例として、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５Ｏ_３、Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、ＬａＳｒＧａＯ_４、ＬａＳｒＧａ_３Ｏ_７またはＬａ_０．９Ａ_０．１Ｇａ_３（ただし、ＡはＳｒ，ＣａまたはＢａ））；およびこれらの混合物が挙げられる。他の例として、ドープされたジルコン酸イットリウム（例えば、ＹＺｒ_２Ｏ_７）、ドープされたチタン酸ガドリニウム（例えば、Ｇｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７）およびブラウンミラライト型化合物（例えば、Ｂａ_２Ｉｎ_２Ｏ_６またはＢａ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）が含まれる。特定の一実施形態において、電解質２２は、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）が８モル％ドープされたジルコニアを含む（すなわち、８モル％イットリアドープジルコニア）。

典型的に、固体電解質２２の厚さは、約５μｍ〜約２０μｍ、例えば、約５μｍ〜約１０μｍである。あるいは、固体電解質２２の厚さは、約１００μｍより大きい（例えば、約１００μｍ〜約５００１００μｍである）。厚さが約１００μｍ超である固体電解質２２を用いる本実施形態では、当該固体電解質２２が燃料電池１０を構造的に支持することができる。

燃料電池１０は、さらに、単セル１２間にインターコネクタ２４を備えている。インターコネクタ２４は、第１電極１４と接触する第１層２６と、第２電極１６と接触する第２層２８とを有する。第１層２６は、ドープされたＭ−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、およびドープされたＭ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属であり、Ｍ’は希土類金属である）で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む。第２層２８は、ドープされたＭ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍ’’はアルカリ土類金属である）を含む。好ましくは、第１層２６に含まれる材料はｐドープされており、第２層２８に含まれる材料はｎドープされている。適切なｐドーパントには、Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＶおよびＴｉが含まれる。適切なｎドーパントには、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉが含まれる。

一実施形態において、ＭおよびＭ’’は、それぞれＳｒ，Ｂａ，ＣａまたはＭｇである。他の実施形態において、Ｍ’はＬａまたはＹである。特定の一実施形態において、ＭはＳｒまたはＢａ、Ｍ’はＬａまたはＹ、さらに、Ｍ’’はＳｒ，Ｃａ，ＢａまたはＭｇである。

より詳細な一実施形態において、第１層２６は、Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＶおよびＴｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされた、ランタンフェライト、ストロンチウムフェライト、ランタンストロンチウムフェライト、バリウムフェライト、イットリウムクロマイトまたはランタンクロマイトを含む。

より詳細な他の実施形態において、第２層２８は、ｎドープされたストロンチウムチタネート、ｎドープされたカルシウムチタネート、ｎドープされたバリウムチタネートおよびｎドープされたマグネシウムチタネートのうち少なくとも１つを含む。好ましくは、第２層２８は、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされた、ストロンチウムチタネートまたはカルシウムチタネートを含む。

本明細書において「ペロブスカイト型化合物」は、当該技術分野で公知のペロブスカイト構造を有するものとして用いられ、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 120-123, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載されたペロブスカイト構造を有する。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。ペロブスカイト構造は、化学式ＡＢＯ_３を有する酸化物の多くが有している構造である。一般的な結晶構造は、陽イオンＡを単位格子の中心部に有し、陽イオンＢを同単位格子の隅部に有し、陰イオン（すなわちＯ^２−）を同単位格子の各縁部の中央に有する単純立方構造である。単純立方構造が理想的な構造であるが、陽イオンＡと陽イオンＢの割合が異なると、数多くの様々な、いわゆる歪みが生じることがあり、中でも、傾斜（tilting）が最も一般的である。本明細書で用いられる「Ｍ−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「Ｍ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「ＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「Ｍ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物」および「Ｍ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物」も、それぞれ、これらのような歪みを含む。「Ｍ−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「Ｍ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「ＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物」、「Ｍ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物」および「Ｍ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物」では、一般的に、Ｍ原子、Ｍ’原子およびＭ’’原子がそれぞれ独立して陽イオンＡの位置を占める一方、フェライトのＦｅ原子、クロマイトのＣｒ原子、およびチタネートのＴｉが、陽イオンＢの位置をそれぞれ占める。

典型的に、第１層２６の厚さおよび第２層２８の厚さは、それぞれ約５μｍ〜約１０００μｍである。好ましくは、第１層２６の厚さおよび第２層２８の厚さは、それぞれ約１０μｍ〜約１０００μｍである。

インターコネクタ２４は、平板状（図１を参照されたい）または微細構造を有する形状（例えば、溝を有する形状）（図２を参照されたい）など、任意の形状であってよい。特定の一実施形態において、燃料電池１０の少なくとも１つのインターコネクタ２４は略平板状である。

一実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは約１０μｍ〜約１０００μｍである。あるいは、インターコネクタ２４の厚さは約０．００５ｍｍ〜約２．０ｍｍである。特定の一実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは１０μｍ〜約５００μｍである。他の実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは１０μｍ〜約２００μｍである。さらなる他の実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍである。さらなる他の実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは約１０μｍ〜約７５μｍである。さらなる他の実施形態において、インターコネクタ２４の厚さは約１５μｍ〜約６５μｍである。

特定の一実施形態において、第１電極１４の厚さおよび／または第２電極１６の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍであり、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。さらに、インターコネクタ２４の厚さは約１０μｍ〜約２００μｍである。

さらなる他の特定の実施形態において、第１電極１４の厚さおよび／または第２電極１６の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍであり、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。さらに、インターコネクタ２４の厚さは約１０μｍ〜約１００μｍである。

さらなる他の特定の実施形態において、少なくとも１つの単セル１２は、多孔質の第１電極１４および多孔質の第２電極１６を備えており、各電極の厚さは、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。さらに、固体電解質２２の厚さは約５μｍ〜約２０μｍである。また、インターコネクタ２４は略平板状であり、その厚さは約１０μｍ〜約２００μｍである。

さらなる他の特定の実施形態において、第１電極１４は、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３±δまたはＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３を含む。さらに、第２電極１６は、６７重量％のＮｉおよび３３重量％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。この実施形態において、特に、電解質２２は、８モル％イットリアドープジルコニアを含む。

さらなる他の特定の実施形態において、インターコネクタ２４は略平板状であり、第１電極１４および第２電極１６はそれぞれ多孔質であり、第１電極１４は、ランタンマンガネート系材料またはランタンフェライト系材料（例えば、Ｌａ_１−ｋＳｒ_ｋＭｎＯ_３またはＬａ_１−ｑＳｒ_ｑＣｏ_ｊＦｅ_１−ｊＯ_３；ただし、ｋ、ｑおよびｊの値はそれぞれ前述したものと同じである）を含み、第２電極１６はＮｉサーメット（例えば、６７重量％のＮｉおよび３３重量％のイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））を有する。この実施形態において、電解質２２は、好ましくは、８モル％イットリアドープジルコニアを含む。

本発明の燃料電池１０は、複数の単セル１２を、適切な任意の個数含むものであってよい。一実施形態において、本発明の燃料電池１０は少なくとも３０〜５０個の単セル１２を含む。燃料電池１０の単セル１２は、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。

本発明の燃料電池は、図２に示すような平板スタック型燃料電池であってもよい。あるいは、本発明の燃料電池は、図３に示すようなチューブ型燃料電池であってもよい。図２および図３に示された各燃料電池は、図１に示された燃料電池１０について説明したような特定の変数を含む特性を有する（分かり易くするため、セルの構成品の詳細は図２および図３に示していない）。図２に示された平板型構造では、典型的に、当該構造の構成品は平坦なスタック状に組立てられており、空気および燃料が、インターコネクタに組み込まれた流路を流れるようになっている。図３に示されたチューブ型構造では、当該構造の構成品は中空チューブ状に組立てられており、チューブ状のカソードのまわりにセルが層状に構築され、空気が当該チューブの内部を流れ、燃料が外側部のまわりを流れるようになっている。

本発明は、さらに、上述した燃料電池を形成する方法も含む。この方法は、上述したような単セル１２を複数形成すること、および単セル１２の各々をインターコネクタ２４に接続することを含む。単セル１２およびインターコネクタ２４の作製には、当該技術分野において公知である、適切な任意の技術を用いてよく、例えば“High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications,” pp. 83-225, Dinghal, et al. Ed., Elsevier Ltd. (2003) に記載された技術を用いてよい。この文献の全教示内容は参照によって本明細書に取り入れたものとする。例えば、本発明の平板スタック型の燃料電池は、粉体プロセス（particulate process）または堆積プロセス（deposition process）によって作製することができる。本発明のチューブ型の燃料電池は、カルシア安定化ジルコニアなどの多孔質の円筒型チューブ上に薄い層状のセルの構成品を設けることによって作製することができる。

典型的には、テープ成形またはテープカレンダ法（tape calendering）などの適切な粉体プロセスは、粉末を、例えばセラミック製の粉末を加圧成形することによって燃料電池の構成品（例えば、電極、電解質およびインターコネクタ）を形成すること、および高温で高密度化を行うことを含む。例えば、本発明の電解質、電極またはインターコネクタに用いる適切な粉末材料は、組成酸化物の固相反応によって生成される。適切な大表面積粉末は、硝酸塩溶液および他の溶液からゲル生成物として沈殿させ、これを乾燥、か焼および粉砕して結晶粒子を生成することによって得られる。上記堆積プロセスは、適切な化学プロセスまたは物理プロセスによって支持体上にセル構成品を形成することを含み得る。堆積の例として、化学気相成長、プラズマ溶射およびプラズマ熱分解が含まれる。

特定の一実施形態において、インターコネクタ２４は、インターコネクタ２４の第１層材料と、インターコネクタ２４の第２層材料とを、約５〜約５０トンの荷重を加えながら約５０℃〜約８０℃の温度で隣合うようにして積層し、高い理論密度（例えば、約９０％超の理論密度または約９５％超の理論密度）を有するインターコネクタ層を形成するように共焼結して第１層２６および第２層２８をそれぞれ形成することにより得られる。

変形例として、インターコネクタ２４は、第１層２６を形成してから、第２層２８を順次形成する（または第２層２８を形成してから、第１層２６を形成する）ことによっても得られる。

本発明において、単セル１２同士はインターコネクタ２４によって接続されている。一実施形態において、各単セル１２の少なくとも１つの電極は、インターコネクタ２４とは別々に形成される。各単セル１２の第１電極１４および第２電極１６は、上述したように、当該技術分野において公知である適切な任意の方法を用いて形成してよい。特定の一実施形態では、ｉ）インターコネクタ２４の第２層材料を、第１単セルの第２電極１６上に配置し、ｉｉ）インターコネクタ２４の第１層材料を前記第２層材料上に配置し、ｉｉｉ）第２単セルの第１電極１４をインターコネクタ２４の前記第１層材料上に配置する。他の特定の実施形態において、ｉ）インターコネクタ２４の第１層材料を第２単セルの第１電極１４上に配置し、ｉｉ）インターコネクタ２４の第２層材料をインターコネクタ２４の前記第１層材料上に配置し、ｉｉｉ）第１単セルの第２電極１６を前記第２層材料上に配置する。これら特定の実施形態では、第１層材料および第２材料を焼結することにより、インターコネクタ２４の第１層２６および第２層２８がそれぞれ形成される。

あるいは、単セル１２の１つ以上の電極（例えば、第１電極１４、第２電極１６、または第１電極１４と第２電極１６）は、インターコネクタ２４と共に形成される。特定の一実施形態では、ｉ）インターコネクタ２４の第２層材料を第１単セルの第２電極材料上に配置し、ｉｉ）インターコネクタ２４の第１層材料を前記第２層材料上に配置し、ｉｉｉ）第２単セルの第１電極材料を前記インターコネクタ２４の第１層材料上に配置し、ｉｖ）これら材料を加熱することにより、インターコネクタ２４の第１層材料および第２層材料が当該インターコネクタ２４の第１層２６および第２層２８をそれぞれ形成し、前記第１電極材料および前記第２電極材料が第１電極１４および第２電極１６をそれぞれ形成する。

他の特定の実施形態では、ｉ）インターコネクタ２４の第２層材料を第１単セルの第２電極１６上に配置し、ｉｉ）インターコネクタ２４の第１層材料を前記第２層材料上に配置し、ｉｉｉ）第２単セルの第１電極材料を前記インターコネクタ２４の第１層材料上に配置し、ｉｖ）これら材料を加熱することにより、前記インターコネクタの第１層材料および第２材料がインターコネクタ２４の第１層２６および第２層２８をそれぞれ形成し、前記第１電極材料が第１電極１４を形成する。

本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は持ち運び可能である。また、本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は、例えば高温の水を生成するための、住宅用の電源として使用することもできる。

本発明を、例示的な実施形態を用いて詳細に示し説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部の様々な変更が可能であることを理解できるであろう。

１０ 固体酸化物燃料電池
１２ 単セル
１４ 単セルの第１電極
１６ 単セルの第２電極
２２ 固体電解質
２４ インターコネクタ
２６ インターコネクタの第１層
２８ インターコネクタの第２層

Claims (18)

1. 複数の単セルと、これら単セル間に配置されたインターコネクタとを備える固体酸化物燃料電池であって、
   各単セルが、
   ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
   ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
   ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質を有しており、
   前記インターコネクタが、
   ｉ）各単セルの前記第１電極と接触する第１層であって、ドープされたＭ−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、およびドープされたＭ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属であり、Ｍ’は希土類金属である）で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料からなる第１層、および
   ｉｉ）各単セルの前記第２電極と接触する第２層であって、ドープされたＭ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍ’’はアルカリ土類金属である）を含む第２層
   を有する、固体酸化物燃料電池。
2. 請求項１において、各単セルが、さらに、前記酸素ガス源および前記第１電極と流体連通する第１ガス流路と、前記燃料ガス源および前記第２電極と流体連通する第２ガス流路とを有する固体酸化物燃料電池。
3. 請求項２において、前記第１電極の少なくとも一部が前記第１ガス流路を形成し、前記第２電極の少なくとも一部が前記第２ガス流路を形成している固体酸化物燃料電池。
4. 請求項１において、前記第１電極および前記第２電極がそれぞれ多孔質である固体酸化物燃料電池。
5. 請求項４において、前記インターコネクタが略平板状である固体酸化物燃料電池。
6. 請求項１において、ＭがＳｒ，Ｃａ，ＢａまたはＭｇであり、Ｍ’がＬａまたはＹであり、Ｍ’’がＳｒ，Ｃａ，ＢａまたはＭｇである固体酸化物燃料電池。
7. 請求項６において、前記インターコネクタの前記第１層が、Ｓｒ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＶおよびＴｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされた、ランタンフェライト、ストロンチウムフェライト、ランタンストロンチウムフェライト、バリウムフェライト、イットリウムクロマイトまたはランタンクロマイトのうちの少なくとも１つを含む固体酸化物燃料電池。
8. 請求項１において、前記インターコネクタの前記第２層が、ｎドープされたストロンチウムチタネート、ｎドープされたカルシウムチタネート、ｎドープされたバリウムチタネートおよびｎドープされたマグネシウムチタネートのうち少なくとも１つを含む固体酸化物燃料電池。
9. 請求項８において、前記インターコネクタの前記第２層が、Ｌａ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＳｉで構成されるグループから選択される少なくとも１種のドーパントがドープされた、ストロンチウムチタネートまたはカルシウムチタネートを含む固体酸化物燃料電池。
10. 請求項１において、前記固体電解質が、ＺｒＯ_２系材料、ＣｅＯ_２系材料およびランタニドガレート系材料で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料を含む固体酸化物燃料電池。
11. 請求項１において、前記第１電極がランタンマンガネート系材料を含む固体酸化物燃料電池。
12. 請求項１において、前記第２電極がニッケルサーメットを含む固体酸化物燃料電池。
13. 請求項１において、前記複数の単セルのうち少なくとも１つにおける前記第１電極の厚さおよび前記第２電極の厚さが、それぞれ約１ｍｍ〜約２ｍｍである固体酸化物燃料電池。
14. 請求項１３において、前記インターコネクタの厚さが約１０μｍ〜約１０００μｍである固体酸化物燃料電池。
15. 請求項１４において、前記インターコネクタの厚さが約１０μｍ〜約２００μｍである固体酸化物燃料電池。
16. 請求項１５において、前記インターコネクタの厚さが約５０μｍ〜約１５０μｍである固体酸化物燃料電池。
17. 請求項１において、前記単セルが互いに直列に接続されている固体酸化物燃料電池。
18. 複数の単セルを備える固体酸化物燃料電池を形成する方法であって、
    前記単セルの各々をインターコネクタを介して接続する工程を含み、
    前記単セルの各々は、
    ｉ）酸素ガス源と流体連通する第１電極、
    ｉｉ）燃料ガス源と流体連通する第２電極、および
    ｉｉｉ）前記第１電極と前記第２電極との間に介在する固体電解質、
    を含み、
    前記インターコネクタが、
    ｉ）各単セルの前記第１電極と接触する第１層であって、ドープされたＭ−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、ドープされたＭＭ’−フェライト系のペロブスカイト型化合物、およびドープされたＭ’−クロマイト系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍはアルカリ土類金属であり、Ｍ’は希土類金属である）で構成されるグループから選択される少なくとも１つの材料の第１層、および
    ｉｉ）各単セルの前記第２電極と接触する第２層であって、ドープされたＭ’’−チタネート系のペロブスカイト型化合物（ただし、Ｍ’’はアルカリ土類金属である）を含む第２層、
    を有する、固体酸化物燃料電池形成方法。

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