JP2015504588A - 固体酸化物燃料電池品および形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Claims (62)
- 平均厚さが約100μm以下である機能層を含むSOFC単位セルであって、前記機能層は、垂直方向の配向を有する第1のタイプの多孔性を備え、前記第1のタイプの多孔性は長さ:幅の所定のアスペクト比を有し、前記長さが前記機能層の厚さの大きさと実質的に一致するSOFC単位セル
を含む固体酸化物燃料電池(SOFC)品。 - 前記第1のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の著しい量で存在する、請求項1に記載のSOFC品。
- 前記第1のタイプの多孔性が前記機能層の多孔性の総体積の少なくとも約5%の量、例えば、前記機能層の多孔性の総体積の少なくとも約20%、少なくとも約30%、少なくとも約40%、少なくとも約50%、少なくとも約60%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、少なくとも約90%などの量で存在する、請求項2に記載のSOFC品。
- ランダムな配向を有する第2のタイプの多孔性をさらに備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記第2のタイプの多孔性が、前記第1のタイプの多孔性よりも大きい量(vol%)で存在する、請求項4に記載のSOFC品。
- 前記第1のタイプの多孔性が、前記第2のタイプの多孔性よりも大きい量(vol%)で存在する、請求項4に記載のSOFC品。
- 水平方向の配向を有する第3のタイプの多孔性をさらに備える、請求項4に記載のSOFC品。
- 前記機能層が該機能層の総体積の約45vol%以下の多孔性、例えば、該機能層の総体積について約40vol%以下または約35vol%以下などの多孔性を備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記機能層が該機能層の総体積について少なくとも約5vol%の多孔性を備え、例えば、該機能層の総体積について少なくとも約12vol%の多孔性など、例えば、少なくとも約15vol%の多孔性、少なくとも約18vol%の多孔性または少なくとも約20vol%の多孔性などを備える、請求項8に記載のSOFC品。
- 前記第1のタイプの多孔性が、約25μm以下である平均細孔サイズ(例えば、約20μm以下、約15μm以下、約12μm以下または約10μm以下など)を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記第1のタイプの多孔性の前記平均細孔サイズが少なくとも約0.01μmであり、例えば、少なくとも約0.05μm、少なくとも約0.07μmまたは少なくとも約0.1ミクロンなどである、請求項10に記載のSOFC品。
- 前記機能層が、前記第1のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも大きい平均細孔サイズを含む第2のタイプの多孔性を備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記機能層が、前記第1のタイプの多孔性の平均細孔サイズよりも小さい平均細孔サイズを含む第2のタイプの多孔性を備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記機能層が、前記第1のタイプの多孔性の平均細孔サイズと実質的に同じである平均細孔サイズを含む第2のタイプの多孔性を備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記機能層が、約25μm以下である平均細孔サイズ、例えば、約20μm以下、約15μm以下、約12μm以下または約10μm以下などの平均細孔サイズを有する第2のタイプの多孔性を備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記平均細孔サイズが少なくとも約0.01μmであり、例えば、少なくとも約0.05μm、少なくとも約0.07μmまたは少なくとも約0.1μmなどである、請求項15に記載のSOFC品。
- 前記機能層が約90μm以下の平均厚さ、例えば、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下、約50μm以下、約40μm以下または約30μm以下などの平均厚さを備える、請求項1〜16のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記機能層の前記平均厚さが少なくとも約1μmであり、例えば、少なくとも約3μm、少なくとも約5μmまたは少なくとも約10μmなどである、請求項17に記載のSOFC品。
- 前記SOFC単位セルがさらに、第1の電極を含む、請求項1〜18のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記第1の電極が陰極を含む、請求項19に記載のSOFC品。
- 前記陰極が前記機能層と直接に接触している、請求項20に記載のSOFC品。
- 前記陰極が、前記機能層と直接に接触しているバルク層部分を含む、請求項20に記載のSOFC品。
- 前記バルク層部分が、前記機能層の多孔性(vol%)よりも大きい多孔性(vol%)を備える、請求項22に記載のSOFC品。
- 前記バルク層部分が、前記陰極の一部を介してガス状化学種の送達するように構成される経路を含む、請求項22に記載のSOFC品。
- 前記陰極が酸化物を含む、請求項20に記載のSOFC品。
- 前記陰極が希土類元素を含む、請求項25に記載のSOFC品。
- 前記陰極が、ランタン、マンガン、ストロンチウムおよびそれらの組合せからなる群から選択される元素を含む、請求項26に記載のSOFC品。
- 前記陰極がランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)を含む、請求項27に記載のSOFC品。
- 前記陰極がさらに、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)を含む、請求項28に記載のSOFC品。
- 前記SOFC単位セルがさらに、機能層の上側に位置する緻密層を含む、請求項1〜29のいずれか一項に記載のSOFC品。
- 前記緻密層が電解質を含む、請求項30に記載のSOFC品。
- 前記電解質が酸化物を含む、請求項31に記載のSOFC品。
- 前記電解質がジルコニアを含む、請求項32に記載のSOFC品。
- 前記電解質がさらに、安定剤を含む、請求項33に記載のSOFC品。
- 前記安定剤がイットリアを含む、請求項34に記載のSOFC品。
- 前記電解質が該電解質の総体積について約15vol%未満の多孔性を備える、請求項31に記載のSOFC品。
- 電極と緻密層との間に配置される機能層を含むSOFC単位セルであって、前記機能層は約100μm以下の平均厚さを有し、前記機能層の多孔性の一部分が、所定の長さおよび所定の幅を有し、ここで、前記長さは前記幅よりも大きい第1のタイプの多孔性を備え、かつ、前記第1のタイプの多孔性の大部分が垂直方向の配向を有し、長さの大きさにより、前記機能層の幅を規定する水平軸から約45度よりも大きい角度を形成する細孔軸が規定されるSOFC単位セル
を含む固体酸化物燃料電池(SOFC)品。 - 前記細孔軸が、約46度よりも大きい角度、約48度よりも大きい角度、約50度よりも大きい角度、約52度よりも大きい角度、約54度よりも大きい角度、約56度よりも大きい角度、約58度よりも大きい角度、または、約60度よりも大きい角度を形成する、請求項37に記載のSOFC品。
- 前記機能層が、前記SOFC単位セルを形成するためのプレス成形操作の期間中に加えられる力の方向に対応する垂直軸を備え、前記垂直軸は前記水平軸に対して垂直であり、前記垂直軸は、前記機能層の厚さと平行する方向で延びる、請求項37に記載のSOFC品。
- 前記プレス成形操作がホットプレス成形操作を含む、請求項39に記載のSOFC品。
- ガスが前記機能層の相互接続された経路の入り組んだ網状組織を介して前記陰極と前記電解質との間を拡散する、請求項39に記載のSOFC品。
- 平均厚さが約100ミクロン以下である機能層を含むSOFC単位セルであって、前記機能層の多孔性の一部分が、
少なくとも約1.1:1の長さ:幅のアスペクト比と、前記機能層の幅を規定する水平軸に関して垂直方向の配向とを有する第1のタイプの多孔性、および
前記機能層の前記水平軸に関して非垂直方向の配向を有する第2のタイプの多孔性
を備えるSOFC単位セル
を含む固体酸化物燃料電池(SOFC)品。 - 長さ:幅の前記アスペクト比が、少なくとも約1.2:1、1.3:1、例えば、少なくとも約1.4:1、少なくとも約1.5:1、少なくとも約1.6:1、少なくとも約1.7:1、少なくとも約1.8:1、少なくとも約1.9:1、または、少なくとも約2:1などである、請求項42に記載のSOFC品。
- 前記長さおよび幅が、2000X〜5000Xの間の範囲に含まれる倍率で走査型電子顕微鏡(SEM)により断面において見られる、請求項42に記載のSOFC品。
- 固体酸化物燃料電池SOFC品を形成する方法であって、
約20μm未満のメジアンサイズを有する細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および
前記未加工の機能層を、垂直軸に沿って加えられる力により、仕上がった機能層を形成するためにプレス成形する工程(ただし、プレス成形期間中に、前記機能層の内部の多孔性の一部分が形状を変化させ、かつ、垂直方向の配向を有し、前記仕上がった機能層は約100μm以下の平均厚さを備える)
を含む方法。 - 前記細孔形成剤の前記メジアンサイズが約10μm未満であり、例えば、約9μm未満、約8μm未満、約7μm未満または約6μm未満などである、請求項45に記載の方法。
- 前記未加工の機能層がさらに、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)粒子を含む、請求項45〜46のいずれか一項に記載の方法。
- 前記LSM粒子が、前記細孔形成剤の前記メジアンサイズと実質的に類似するメジアン粒子サイズを有する、請求項47に記載の方法。
- 前記LSM粒子が約20μm未満のメジアン粒子サイズを有する、請求項47に記載の方法。
- 前記未加工の機能層がさらに、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)粒子を含む、請求項45〜49のいずれか一項に記載の方法。
- 前記YSZ粒子が、前記細孔形成剤の前記メジアンサイズと実質的に類似するメジアン粒子サイズを有する、請求項50に記載の方法。
- 前記YSZ粒子が約20μm未満のメジアン粒子サイズを有する、請求項50に記載の方法。
- 前記細孔形成剤が、天然物、ポリマー、無機物およびそれらの組合せからなる群から選択され、前記細孔形成剤が、異方性の微細構造を有する材料を含み、前記細孔形成剤が、少なくとも1.3:1、少なくとも約1.5:1、少なくとも約1.8:1、少なくとも約2:1の長さ:幅のアスペクト比を有する材料を含み、前記細孔形成剤が、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、カーボンブラック、グラファイトおよびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項45〜52のいずれか一項に記載の方法。
- 固体酸化物燃料電池SOFC品を形成する方法であって、
細孔形成剤の所定の含有量を有する未加工の機能層を形成する工程、および
前記未加工の機能層を、温度、圧力、時間および雰囲気からなる群から選択される変形条件のもと、仕上がった機能層を形成するために一軸方向ホットプレス成形する工程(ただし、前記細孔形成剤から形成される細孔の著しい部分が一軸ホットプレス成形の期間中に水平軸に関して垂直方向に配向する)
を含む方法。 - 前記仕上がった機能層が約100μm以下の平均厚さ、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約60μm以下または約50μm以下などの平均厚さを備える、請求項54に記載の方法。
- 前記仕上がった機能層の前記平均厚さが少なくとも約1μmであり、例えば、少なくとも約3μm、少なくとも約5μmまたは少なくとも約10μmなどである、請求項55に記載の方法。
- 一軸ホットプレス成形が、少なくとも約0.01MPa、少なくとも約0.05MPa、少なくとも約0.1MPa、少なくとも約0.5MPa、少なくとも約1MPaで、かつ、約30MPa以下、約15MPa以下の圧力において行われる、請求項54〜56のいずれか一項に記載の方法。
- 一軸ホットプレス成形が、少なくとも約1000℃、少なくとも約1100℃、少なくとも約1150℃、少なくとも約1200℃で、かつ、約1800℃以下、約1700℃以下、約1500℃以下、約1400℃以下の温度において行われる、請求項54〜57のいずれか一項に記載の方法。
- 一軸ホットプレス成形が、少なくとも約15分、少なくとも約1時間、少なくとも約2時間、少なくとも約4時間で、かつ、約48時間以下、約24時間以下、約12時間以下または約6時間以下の期間にわたって行われる、請求項54〜58のいずれか一項に記載の方法。
- 一軸ホットプレス成形が酸化性雰囲気で行われ、非還元性雰囲気で行われ、前記雰囲気は大気圧未満の圧力を備え、一軸ホットプレス成形期間中の前記雰囲気の圧力が、約10−1atm以下、約10−3atm以下、約10−4atm以下で、かつ、少なくとも約10−20atmである、請求項54〜59のいずれか一項に記載の方法。
- 垂直方向の配向を有する細孔の前記著しい部分が不規則な端部を有する、請求項54〜60のいずれか一項に記載の方法。
- 前記未加工の層が所定のメジアン粒子サイズ(PScp)を有する原料粉末を含み、前記細孔形成剤が所定のメジアン粒子サイズ(PSpfa)を含み、さらに、少なくとも約1:1.1、少なくとも約1:1.2、少なくとも約1:1.3、少なくとも約1:1.4、少なくとも約1:1.5で、約1:4以下、約1:3以下、約1:2.5以下の粒子サイズ比(PScp:PSpfa)を備える、請求項54〜61のいずれか一項に記載の方法。
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