JP2014535155A - 固体酸化物型燃料電池の相互接続セル - Google Patents
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Abstract
Description
「18−5」YSZ粉末(Saint−Gobain Corp.から入手)を、試験用に選択した。前記18−5YSZ粉末は、0.71μmのd10、3.66μmのd50、9.31μmのd90の二峰性のPSD型および1.2m2/gの比表面積(SSA)を有する。
「15−2R2」YSZ粉末(Saint−Gobain Corp.から入手)を、試験用に選択した。前記15−2R2YSZ粉末は、0.62μmのd10、2.62μmのd50、9.56μmのd90の二峰性のPSD型および1.93m2/gの比表面積(SSA)を有する。
「17−168」YSZ粉末(Saint−Gobain Corp.から入手)を、試験用に選択した。前記17−168YSZ粉末は、0.45μmのd10、0.77μmのd50、1.5μmのd90の単峰性のPSD型および4.32m2/gの比表面積(SSA)を有する。
「16−191」YSZ粉末(Saint−Gobain Corp.から入手)を、試験用に選択した。前記16−191YSZ粉末は、0.45μmのd10、0.84μmのd50、1.65μmのd90の単峰性のPSD型および4.59m2/gの比表面積(SSA)を有する。
YSZ粉末(「18−48」YSZ粉末)を、試験用に選択した。前記18−48YSZ粉末は、0.84μmのd10、2.14μmのd50、4.3μmのd90の単峰性のPSD型および1.69m2/gの比表面積(SSA)を有する。
Claims (76)
- 固体酸化物型燃料電池物品の相互接続層と電極層との間に配置されたボンディング層であって、
0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成された、
ボンディング層。 - 前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、約2.5μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有する、請求項1記載のボンディング層。
- 前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、約0.5μm以上、例えば、約0.6μm以上のd10の、単峰性の粒径分布を有する、請求項1記載のボンディング層。
- 前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、約4m2/g以下、例えば、約3m2/g以下または約2.5m2/g以下の比表面積(SSA)を有する、請求項1記載のボンディング層。
- 前記イットリア安定化したジルコニア粉末の99体積%以上の粒子が、10μm未満の粒径の直径を有する、請求項1記載のボンディング層。
- 前記電極層が、カソード層であり、前記ボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、請求項1記載のボンディング層。
- 前記電極層が、アノード層であり、前記ボンディング層が、さらに、ニッケル酸化物を含む、請求項1記載のボンディング層。
- 前記電極層が、アノード層であり、前記ボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項1記載のボンディング層。
- 固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルであって、
相互接続層と、
前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とカソード層との間に配置されたカソード・ボンディング層であって、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成されたカソード・ボンディング層と、
前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とアノード層との間に配置されたアノード・ボンディング層であって、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成されたアノード・ボンディング層とを備える、
相互接続セル。 - 前記相互接続層が、チタン酸ランタン・ストロンチウム(LST)材料を含む、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記LST材料が、ニオブドープされたLST(LSTN)材料を含み、前記LSTN材料が、約0.01モル%以上、例えば、約1モル%以上、約2モル%以上または約3モル%以上の、ニオブドーパント含有量を有する、請求項10記載の相互接続セル。
- 前記ニオブドーパント含有量が、約17モル%以下、例えば、約16モル%以下、約15モル%以下、約14モル%以下、約13モル%以下または約12モル%以下である、請求項11記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層の気孔率が、約5体積%以上、例えば、約6体積%以上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積%以上または約12体積%以上である、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層の気孔率が、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下、約45体積%以下、約43体積%以下、約41体積%以下または約40体積%以下である、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層の気孔率が、約5体積%以上、例えば、約6体積%以上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積%以上または約12体積%以上である、請求項9記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層の気孔率が、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下、約45体積%以下、約43体積%以下、約41体積%以下または約40体積%以下である、請求項9記載の相互接続セル。
- 固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルであって、
相互接続層と、
前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とカソード層との間に配置されたカソード・ボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含むカソード・ボンディング層と、
前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とアノード層との間に配置されたアノード・ボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含むアノード・ボンディング層とを備え、
前記相互接続セルが、約600時間以上の動作の期間内に、定常状態の面積固有抵抗(ASR)(オーム.cm2)に達する、
相互接続セル。 - 前記カソード・ボンディング層が、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層が、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記相互接続セルの面積固有抵抗(ASR)が、約700時間以上、例えば、約800時間以上、約900時間以上または約1000時間以上の動作の期間内に、定常状態のASRに達する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約30μm以下、例えば、約25μm以下または約20μm以下の厚みを有する、請求項26記載の相互接続セル。
- 前記相互接続セルのASRが、約3000時間の期間後に、約0.16オーム.cm2以下、例えば、約0.15オーム.cm2以下である、請求項26記載の相互接続セル。
- 前記相互接続セルが、約1100時間以上、例えば、約1200時間以上、約1300時間以上、約1400時間以上、約1500時間以上または約1600時間以上の期間内に、定常状態の面積固有抵抗(ASR)(オーム.cm2)に達する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約50μm以下、例えば、約45μm以下または約40μm以下の厚みを有する、請求項29記載の相互接続セル。
- 前記相互接続セルのASRが、約3000時間の期間後に、約0.20オーム.cm2以下、例えば、約0.19オーム.cm2以下または約0.18オーム.cm2以下である、請求項29記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、ニオブドープされたチタン酸ランタン・ストロンチウム(LSTN)材料を含む、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記LSTN材料が、約0.01モル%以上、例えば、約1モル%以上、約2モル%以上または約3モル%以上の、ニオブドーパント含有量を有する、請求項32記載の相互接続セル。
- 前記ニオブドーパント含有量が、約17モル%以下、例えば、約16モル%以下、約15モル%以下、約14モル%以下、約13モル%以下または約12モル%以下である、請求項32記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記相互接続層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層が、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層が、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上または約10μm以上の平均厚みを有する、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層の気孔率が、約5体積%以上、例えば、約6体積%以上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積%以上または約12体積%以上である、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記カソード・ボンディング層の気孔率が、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下、約45体積%以下、約43体積%以下、約41体積%以下または約40体積%以下である、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層の気孔率が、約5体積%以上、例えば、約6体積%以上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積%以上または約12体積%以上である、請求項23記載の相互接続セル。
- 前記アノード・ボンディング層の気孔率が、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下、約45体積%以下、約43体積%以下、約41体積%以下または約40体積%以下である、請求項23記載の相互接続セル。
- 第1の電極層と、
前記第1の電極層を覆う第1の電解質層と、
前記第1の電解質層を覆う第2の電極層と、
固体酸化物型燃料電池スタックにおける前記第2の電極層と第3の電極層との間に配置された相互接続セルであって、
相互接続層と、
前記相互接続層と前記第2の電極層との間に配置された第1のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含み、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される第1のボンディング層と、
前記相互接続層と前記第3の電極層との間に配置された第2のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含み、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される第2のボンディング層とを備える相互接続セルと、
前記第3の電極層を覆う第2の電解質層と、
前記第2の電解質層を覆う第4の電極層とを備える、
固体酸化物型燃料電池スタック。 - 前記第2の電極層が、約0.15mm以上、例えば、少なくとも約0.20mmまたは少なくとも約0.25mmの平均厚みを有する、請求項45記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、約2mm以下、例えば、約1.9mm以下、約1.8mm以下、約1.7mm以下、約1.6mm以下または約1.5mm以下の平均厚みを有する、請求項45記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2の電極層が、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含むカソード層である、請求項45記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第1のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、請求項48記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、ニッケルと、イットリア安定化したジルコニアとを含むアノード層である、請求項48記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2のボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項50記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2の電極層が、ニッケルと、イットリア安定化したジルコニアとを含むアノード層である、請求項45記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第1のボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項52記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、カソード層である、請求項52記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、請求項54記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 第1の電極層と、
前記第1の電極層を覆う第1の電解質層と、
前記第1の電解質層を覆う第2の電極層と、
固体酸化物型燃料電池スタックにおける前記第2の電極層と第3の電極層との間に配置された相互接続セルであって
相互接続層と、
前記相互接続層と前記第2の電極層との間に配置された第1のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含む第1のボンディング層と、
前記相互接続層と前記第3の電極層との間に配置された第2のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含む第2のボンディング層とを備える相互接続セルと、
前記第3の電極層を覆う第2の電解質層と、
前記第2の電解質層を覆う第4の電極層とを備え、
前記相互接続セルが、約600時間以上の動作の期間内に、定常状態の面積固有抵抗(ASR)(オーム.cm2)に達する、
固体酸化物型燃料電池スタック。 - 前記第1のボンディング層が、約1μmより大きいd50および約2μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2のボンディング層が、約1μmより大きいd50および約2μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2の電極層が、約0.15mm以上、例えば、少なくとも約0.20mmまたは少なくとも約0.25mmの平均厚みを有し、前記第2の電極層が、約2mm以下、例えば、約1.9mm以下、約1.8mm以下、約1.7mm以下、約1.6mm以下または約1.5mm以下の平均厚みを有する、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、約0.15mm以上、例えば、少なくとも約0.20mmまたは少なくとも約0.25mmの平均厚みを有し、前記第3の電極層が、約2mm以下、例えば、約1.9mm以下、約1.8mm以下、約1.7mm以下、約1.6mm以下または約1.5mm以下の平均厚みを有する、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2の電極層が、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含むカソード層である、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第1のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、請求項61記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、ニッケルと、イットリア安定化したジルコニアとを含むアノード層である、請求項61記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2のボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項63記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2の電極層が、ニッケルと、イットリア安定化したジルコニアとを含むアノード層である、請求項56記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第1のボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項65記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第3の電極層が、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、カソード層である、請求項65記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 前記第2のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)材料を含む、請求項67記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
- 固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルを形成する方法であって、
未焼成の相互接続セルを形成する工程であって、前記未焼成の相互接続セルが、
第1の未焼成のボンディング層であって、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末を含む第1の未焼成のボンディング層;および、
前記第1の未焼成のボンディング層を覆う未焼成の相互接続層;
前記未焼成の相互接続層を覆う第2の未焼成のボンディング層であって、0.7μmより大きいd50および1.5μm以上のd90、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90、または、2μmより大きいd50および4μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末を含む第2の未焼成のボンディング層を備える工程と、
前記第1の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第2の未焼成のボンディング層を焼成して、前記第1の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第2の未焼成のボンディング層を一体的に結合し、一体化された、高密度の相互接続セルを形成する工程とを含む、
方法。 - 前記第1の未焼成のボンディング層が、さらに、NiO粉末を含み、前記NiO粉末の99体積%以上の粒子が、10μm未満の粒径の直径を有する、請求項69記載の方法。
- 前記第2の未焼成のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム(LSM)粉末を含み、前記LSM粉末の99体積%以上の粒子が、10μm未満の粒径の直径を有する、請求項69記載の方法。
- 焼成工程が、前記第1の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第2の未焼成のボンディング層を共に、加熱プレスして、一体化された、高密度の相互接続セルを形成する工程を含む、請求項69記載の方法。
- 焼成工程が、前記第1の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第2の未焼成のボンディング層を共に、自由焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成する工程を含む、請求項69記載の方法。
- 一体化された固体酸化物型燃料電池スタックを形成する方法であって、
第1の未焼成の電極層、前記第1の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第2の未焼成の電極層を有する第1の未焼成のセル構造体を形成する工程と、
第1の未焼成の電極層、前記第1の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第2の未焼成の電極層を有する第2の未焼成のセル構造体を形成する工程と、
前記第1の未焼成のセル構造体と前記第2の未焼成のセル構造体との間に配置された未焼成の相互接続セルを形成する工程であって、前記未焼成の相互接続セルが、
未焼成の相互接続層;
前記相互接続層と前記第1の未焼成のセル構造体との間に配置された第1の未焼成のボンディング層であって、約1μmより大きいd50および2μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末を含む第1の未焼成のボンディング層;および、
前記相互接続層と前記第2の未焼成のセル構造体との間に配置された第2の未焼成のボンディング層であって、1μmより大きいd50および2μmより大きいd90の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末を含む第2の未焼成のボンディング層を備える工程と、
前記第1の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第2の未焼成のセル構造体を焼成して、前記第1の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第2の未焼成のセル構造体を一体的に結合し、一体化された固体酸化物型燃料電池スタックを形成する工程とを含む。
方法。 - 焼成工程が、前記第1の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第2の未焼成のセル構造体を共に、加熱プレスして、一体化された固体酸化物型燃料電池スタックを形成する工程を含む、請求項74記載の方法。
- 焼成工程が、前記第1の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第2の未焼成のセル構造体を共に、自由焼成して、一体化された固体酸化物型燃料電池スタックを形成する工程を含む、請求項74記載の方法。
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