JP2017508259A - 電解質のドーパント系 - Google Patents

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Abstract

固体酸化物燃料電池の構成要素は、安定化ジルコニアと１つ又は複数のドーパントを有する電解質を含む。安定化ジルコニア粒子は、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有することができる。電解質は１１２０Ｃ以下の最高焼結温度を有することができる。固体酸化物燃料電池は、１．０９Ｖ以下の平均セル開回路電圧（ＯＣＶ）を有することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池の電解質およびそれを形成するプロセスに関する。
燃料電池は、燃料の電気化学的酸化により化学エネルギーを電力へ変換するエネルギー変換装置である。一般的な燃料電池は、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間の電解質を含む。種々の燃料電池のうち、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として硬いセラミック複合金属酸化物を使用する。一般的に、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）では、カソードで酸素ガス（Ｏ２）は酸素イオン（Ｏ−２）に還元され、アノードで燃料ガス、例えば水素（Ｈ２）またはメタン（ＣＨ４）などの炭化水素が酸素イオンで酸化され、（炭化水素から）水と二酸化炭素を形成する。
いくつかの例では、燃料電池アセンブリは、スタックとして設計されている。単一の固体酸化物燃料電池は、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間に固体電解質を含む。各セルはサブアセンブリであり、他のセルと組み合わせて完全なＳＯＦＣスタックを形成することができると考えられる。ＳＯＦＣスタックを組み立てる際に、電気的相互接続は、１つのセルのカソードと他のセルのアノードとの間に配置されることができる。
ＳＯＦＣの構成要素は、それらを形成するまたは使用する間の温度変動により生じる損傷を受けやすい可能性がある。具体的には、異なる組成のセラミックスを含む様々な構成要素を形成するために使用される材料は、異なる材料、化学的、および電気的特性を示し、ＳＯＦＣユニットの破壊および故障を引き起こしうる。特に、燃料電池は、温度変化に対しての耐性に制限がある。ＳＯＦＣの２つ以上の異なる構成要素を一緒に形成する場合、温度変化により生じた機械的応力に関連する問題を悪化される可能性がある。その結果、ＳＯＦＣを形成する特定のプロセスに制限が課せられ、製造歩留まりを制限し、または動作中の故障のリスクを高める。
明細書は、本出願人が彼らの発明と考える主題を明確に示す特許請求の範囲により締めくくるが、添付の図面と関連付けられた時に本発明がより良く理解されると考えられる。
図１は、実施形態に係る固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットを例示する。 図２は、実施形態に係るＳＯＦＣを形成する方法を例示する。 図３は、特定の実施形態に係るＹＳＺの最高焼結温度（Ｔピーク）に及ぼすドーパントの効果を示すグラフである。 図４は、特定の実施形態に係るＹＳＺに及ぼすＦｅドーパントの効果を例示する。
本発明は、固体酸化物燃料電池ユニットの構成要素、および固体酸化物燃料電池ユニットの構成要素を形成する方法に関する。
図と組み合わせた以下の説明は、本明細書に開示された教示の理解を助けるために提供される。以下の説明は、特定の実施と教示の実施形態に焦点を当てる。この焦点は、教示を説明するのを支援するために示されており、教示の範囲または適用を限定するものとして解釈されるべきではない。
本明細書で使用する場合、用語「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」またはそれらの如何なる他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意図している。例えば、多くの特徴を含むプロセス、方法、物、または装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定される必要は無く、明確には記載されない、または固有ではないプロセス、方法、物、若しくは装置などの他の特徴を含むことができる。さらに、特に断わらない限り、「または」は、包括的な「または」であり、排他的な「または」ではない。例えば、条件ＡまたはＢは、次のいずれか１つによって満たされる。Ａが真（または存在する）でありＢが偽（または存在しない）、Ａは偽（または存在しない）でありＢが真（または存在する）、並びに、ＡおよびＢの両方が真（または存在する）。
「ａ」または「ａｎ」の使用は、本明細書に記載の要素および構成要素を説明するために使用される。これは、単に便宜上、本発明の範囲の一般的な意味を与えるために使用される。この記述は、１つまたは少なくとも１つを含むと読まれなければならない、そして、それが別のことを意味するのが明らかでない限り、単数は複数も含み、また逆も同様である。
別段の定義がない限り、本明細書中で使用される全ての技術用語および科学用語は、本発明が属する分野の当業者によって理解されるのと同じ意味を有する。材料、方法、および実施例は例示にすぎず、限定することを意図していない。本明細書に記載されていない範囲で、特定の材料と処理行為に関する多くの詳細は従来通りであり、固体酸化物燃料電池の技術分野の教科書およびその他の情報源で見ることができる。
図１を参照すると、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）単セルの実施形態が例示され、全体が１００と示されている。ＳＯＦＣユニットセル１００は、アノード１０６、電解質１０２、及びカソード１１６を含むことができる。アノード１０６は、アノードバルク層（ＡＢＬ）１１０とアノード機能層（ＡＦＬ）１１２を含むことができる。ＡＦＬ１１２は、ＡＢＬ１１０と電解質１０２との間に、ＡＢＬ１１０と電解質１０２とに直接接触して配置されることができる。同様に、カソード層１１６は、カソードバルク層（ＣＢＬ）１０８とカソード機能層（ＣＦＬ）１１４を含むことができる。ＣＦＬ１１４は、ＣＢＬ１０８と電解質１０２との間に、ＣＢＬ１０８と電解質１０２とに直接接触して配置されることができる。
いくつかの例では、燃料電池アセンブリを、電解質の一方の側に配置されたアノードと、電解質の他の側に配置されたカソードを含むことができるサブセルとして設計することができる。一実施形態では、各サブセルは、完全なＳＯＦＣユニットを形成するように、他のサブセルと共にスタックの中に組み合わせることができる。ＳＯＦＣスタックまたは完全なＳＯＦＣユニットのようなＳＯＦＣの一実施形態では、相互接続を、１つのサブセルのカソードと別のサブセルのアノードとの間に、特に電解質と反対側のアノードまたはカソード側に、配置することができる。図１に示すように、配線１０４を、ＡＢＬ１１０の電解質１０２の反対の側などの、アノード１０６の電解質１０２と反対の側に配置することができる。図１には示されていないが、他のサブセルのカソードは、アノード１０６と反対側のインターコネクト１０４の側面に配置されることができる。
一般的に、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）では、カソードで酸素ガス（Ｏ２）が酸素イオン（Ｏ−２）に還元され、アノードで燃料ガス、例えば、水素（Ｈ２）またはメタン（ＣＨ４）などの炭化水素が酸素イオンで酸化され、（炭化水素から）水と二酸化炭素を形成する。アノードとカソードとの間の電解質は、アノードおよびカソードからの燃料ガスおよび酸化剤ガスの混合を実質的に防止する機能をし、カソードからアノードへ電解質を横切って酸素イオンの輸送を可能にする。
したがって、電解質は、上記の機能で補助しうる特定の特性を含むことができる。例えば、電解質は、アノードおよびカソードからの燃料ガスおよび酸化剤ガスの混合を実質的に防止するのを支援するため、特定の理論密度を有することができる。ＳＯＦＣの機能を確保するために、電解質は、少なくとも９２％の密度を有しうる。９１％の以下の密度では、構成要素の気孔の大部分が連結される。一実施形態によれば、電解質１０２は、理論密度の少なくとも９４％、少なくとも６５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、またはさらに１００％などの、少なくとも９３％を有することができる。別の実施形態では、電解質は、実質的に気密である密度を有することができる。本明細書で用いられる場合には、気密は最高密度と同義的に使用され、少なくとも９８％の密度を有すると定義される。逆に、電解質１０２は、特定の気孔率を有することができる。実施形態によれば、電解質１０２は、４ｖｏｌ％以下、３ｖｏｌ％以下、２ｖｏｌ％以下、１ｖｏｌ％以下などの５ｖｏｌ％以下の気孔率を有することができる。若干の残留気孔は電解質中に残存する場合がある。しかし、このような残留気孔は、一般的に閉じた気孔であり、相互接続されたネットワークを形成しない。一実施形態では、気孔率は、開放気孔率と閉気孔率を含むことができる。特定の実施形態では、気孔率の少なくとも大部分は、少なくとも約７５％、またはさらに少なくとも約９０％などの閉気孔率を含む。本明細書を読んだ後、当業者は、密度、開気孔率、および閉気孔率は、アルキメデスの原理に基づいて算出することができることを、理解するであろう。
電解質などのＳＯＦＣの一般的な構成要素では、増加した厚さは増大した構造的な完全性を提供するが、電気抵抗を増加させる傾向もある。一実施形態では、電解質１０２は２５０ミクロン以下の厚さを有することができる。別の実施形態では、電解質１０２は、１５０ミクロン以下、１００ミクロン以下、７５ミクロン以下、５０ミクロン以下、４５ミクロン以下、４０ミクロン以下、３５ミクロン以下、３０ミクロン以下、２５ミクロン以下、２０ミクロン以下、１５ミクロン以下、または更に１０ミクロン以下等の、２００ミクロン以下の厚さを有することができる。厚さが増加すると、電気抵抗を増加させる傾向があり、逆も真である傾向、つまり低減された厚さは電気抵抗を低減する傾向がある。しかし、低減された厚さはまた、構造的完全性を低減させる傾向がある。一実施形態によれば、電解質１０２は、少なくとも５ミクロンの厚さを有することができる。別の実施形態では、電解質１０２は、少なくとも１５ミクロン、少なくとも２０ミクロン、少なくとも２５ミクロン、少なくとも３０ミクロン、少なくとも３５ミクロン、少なくとも４０ミクロン、または更に少なくとも４５ミクロン等の、少なくとも１０ミクロンの厚さを有することができる。明細書を読んだ後、当業者は、電解質１０２が、上記の任意の最大値または最小値の範囲内の厚さを有することができることを、理解するであろう。例えば、一実施形態では、電解質１０２は、１００ミクロン〜２５０ミクロンの範囲内、５ミクロン〜２５０ミクロン、５ミクロン〜１００ミクロン、５ミクロン〜２０ミクロン、または更に１０ミクロン〜２０ミクロンの範囲内の厚さを有することができる。
図２を参照すると、固体酸化物燃料電池ユニットの電解質を形成する方法の特定の実施形態が説明され、全体が２００と示される。方法２００は、ステップ２０２で、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子を有する安定化ジルコニア粉体を提供することを含む。本明細書で論じるように、ＳＯＦＣの構成要素、例えば電解質等は、硬質のセラミック複合金属酸化物、例えば酸化ジルコニウム等を含むことができる。また、セラミック複合金属酸化物は、セラミック複合金属酸化物の特定の相を安定化させる安定剤を含むことができる。例えば、ジルコニアは、最高焼結温度で正方晶のｔ−ＺｒＯ２を含む。しかし、正方晶のｔ−ＺｒＯ２は、その最高焼結温度未満の正方晶から単斜晶へ（ｔ−ｍ）の相転移温度で、単斜晶のｍ−ＺｒＯ２に転移することができる。ジルコニアは、ｔ−ｍの相転移時に体積を変化し得る。例えば、ジルコニアの体積変化は、約３ｖｏｌ％と約５ｖｏｌ％との間の範囲であり得る。温度変化に応じて体積を変化させる材料の傾向は、構成要素の焼結収縮または緻密化に関連する熱膨張係数（ＣＴＥ）によって定義されることができる。熱応力及び亀裂は、ＳＯＦＣの動作中に、セラミック複合金属酸化物とＳＯＦＣユニットの他の構成要素とのＣＴＥの不一致により、特にＳＯＦＣの製造中に引き起こされる。このように、異なる構成要素のＣＴＥの不一致は、ＳＯＦＣの製造中における、異なる構成要素の共焼結等の特定の処理の選択肢を制限する。
本明細書に記載の実施形態に係る安定化セラミック複合金属酸化物は、安定化ジルコニアを含むことができる。一実施形態では、安定化ジルコニアは、例えば、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）、セリア（ＣｅＯ２）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、またはそれらの任意の組合せ等、１つ又は複数の安定剤を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）を含むことができる。特定の実施形態では、安定化ジルコニアは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、安定剤はドーパントではないことを、理解するであろう。
一実施形態によれば、安定化ジルコニアを、部分的にまたは完全に安定化させることができ、安定剤は、ジルコニア中に特定のｍｏｌ％存在することができる。例えば、安定剤は、ジルコニア中に、少なくとも４ｍｏｌ％、少なくとも５ｍｏｌ％、少なくとも６ｍｏｌ％、少なくとも７ｍｏｌ％、少なくとも８ｍｏｌ％、少なくとも９ｍｏｌ％、あるいは更に少なくとも１０ｍｏｌ％等、少なくとも３ｍｏｌ％存在することができる。非限定的な実施形態では、安定剤は、ジルコニア中に、１０ｍｏｌ％以下、９ｍｏｌ％以下、８ｍｏｌ％以下、７ｍｏｌ％以下、７ｍｏｌ％以下、６ｍｏｌ％以下、５ｍｏｌ％以下、４ｍｏｌ％以下、または更に３ｍｏｌ％以下等、１２ｍｏｌ％以下で存在することができる。明細書を読んだ後、当業者は、安定剤は、上記の任意の最大値または最小値の範囲内でジルコニア中に存在することができることを、理解するであろう。例えば、安定剤は、ジルコニア中に、６ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の範囲内など、３ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の範囲内で存在することができる。特定の実施形態では、安定化ジルコニアは、８ｍｏｌ％のイットリア（ＺｒＯ２−８％Ｙ２Ｏ３、または８ＹＳＺ）によって安定化されたジルコニアを含むことができる。
ドープされていないＹＳＺは、高い酸素イオン伝導性を有し、酸化剤と燃料の両方の雰囲気中で非常に安定であるので、ＳＯＦＣの電解質として有用である。しかし、ＹＳＺの最高焼結温度は、いくつかの分野で応用を制限する。例えば、ＹＳＺ電解質を、かなり異なる焼結温度を有する他の材料と共焼成すると、電池製造時の焼結工程を減少させる可能性を制限することになる。例えば、東ソー（Ｔｏｓｏｈ ＵＳＡ， Ｉｎｃ．、Ｇｒｏｖｅ Ｃｉｔｙ， Ｏｈｉｏ）製のＴＺ−８Ｙ粉体等、市販のイットリア安定化ジルコニア粉体は、約１２８０℃の焼結温度を有す。比較すると、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）またはランタンカルシウムマンガナイト（ＬＣＭ）などの、一般的に使用されるカソード材料は、一般的には約１１００℃の最高焼結温度を有す。ＹＳＺ電解質とＬＳＭカソード等の、２つ以上のＳＯＦＣ構成要素を形成するように共焼成される材料の最高焼結温度の著しい差は、１つ又は複数の共焼成の構成要素にクラック等の欠陥を引き起こす可能性がある。従って、著しく異なる最高焼結温度（または異なるＣＴＥ）を有する構成要素は、一般に、電池の製造時に別の焼成工程を必要とする。
いくつかの方法が、ＹＳＺの最高焼結温度を約１２８０℃位に低く低下させるために使用されてきた。図３は、本明細書でさらに説明するように、ドープＹＳＺ及びそれらのそれぞれの最高焼結温度のいくつかの実施例を例示すグラフを含む。参考のため、図３は、約１２８０℃の最高焼結温度を有する８ｍｏｌ％のイットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）を例示する。安定化ジルコニアの最高焼結温度を低下させる方法は、いくつかの加圧焼結操作またはいくつかの焼結助剤の添加を含むことができる。安定化ジルコニアの最高焼結温度を低下させる１つの特定の方法は、より小さいｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニアの使用を含むことができる。東ソー（Ｔｏｓｏｈ ＵＳＡ， Ｉｎｃ．、Ｇｒｏｖｅ Ｃｉｔｙ， Ｏｈｉｏ）製のＴＺ−８Ｙ粉体等、市販のイットリア安定化ジルコニア粉体は、約１５０ｎｍ〜約３００ｎｍの範囲のｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子を含む。ｄ５０粒子径を約１５０ｎｍ未満に小さくすることは、例えば、ボールミル・プロセスまたはアトリションミル・プロセスによって、達成することができる。しかし、ｄ５０粒子径を減少させるこのようなプロセスは、ＳＯＦＣを形成する全体のプロセスにおいて追加の工程を必要とする。追加の処理工程は、エラーや欠陥が発生する更なる機会を作り出すだけでなく、全体のプロセスに大幅なコストを追加する。
本明細書に記載の実施形態によれば、安定化ジルコニアは１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができ、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成されることができる。例えば、安定化ジルコニア粒子は、少なくとも１７０ｎｍ、少なくとも１８０ｎｍ、少なくとも１９０ｎｍ、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも２１０ｎｍ、少なくとも２２０ｎｍ、少なくとも２３０ｎｍ、少なくとも２４０ｎｍ、少なくとも２５０ｎｍ、少なくとも２６０ｎｍ、少なくとも２７０ｎｍ、少なくとも２８０ｎｍ、または少なくとも２９０ｎｍ等、少なくとも１６０ｎｍのｄ５０粒子径を有することができる。一実施形態では、安定化ジルコニア粒子は、４００ｎｍ以下のｄ５０粒子径を含むことができる。４００ｎｍより大きいｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニアから形成された構成要素は、不十分な焼結性と不十分な機械的強度を有する傾向を有しうる。一実施形態によれば、例えば、安定化ジルコニア粒子は、３００ｎｍ以下、２９０ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、２７９ｎｍ以下、２６０ｎｍ以下，２５０ｎｍ以下、２４０ｎｍ以下、２３０ｎｍ以下、２２０ｎｍ以下、２１０ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１９０ｎｍ以下、１８０ｎｍ以下、１７０ｎｍ以下、または１６０ｎｍ以下等、３５０ｎｍ以下のｄ５０粒子径を有することができる。明細書を読んだ後、当業者は、安定化ジルコニア粒子は上記の任意の最大値または最小値の範囲内のｄ５０粒子径を有することができることを、理解するであろう。例えば、安定化ジルコニア粒子は、１５０ｎｍ〜４００ｎｍ、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ、１７０ｎｍ〜２８０ｎｍ、２００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲のｄ５０粒子径を有することができる。
戻って図２を参照すると、方法２００は、ステップ２０４で、安定化ジルコニア粉体を１つまたは複数のドーパントと組み合わせて、電解質前駆体等の構成要素の前駆体を形成することを更に含む。例えば、安定化ジルコニア粉体（例えば、ＹＳＺ）は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、またはそれらの任意の組合せ等の、本明細書に記載の１つまたは複数のドーパントと組み合わせられることができる。安定化ジルコニア粉体は、特定の量の１つまたは複数の各ドーパントと組み合わせられることができる。例えば、安定化ジルコニア粉体は、Ｍｎおよび１つ又は複数の上述のドーパントと組み合わせることができる。別の実施例では、安定化ジルコニア粉体は、１つ又は複数の上述のドーパントに加えて、ＭｎおよびＡｌと組み合わせられることができる。存在するドーパント（複数可）の量は、原子百分率（ａｔ％）として表すことができる。
例えば、Ｍｎを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下等の、５ａｔ％以下の量のＭｎを含むことができる。非限定的な一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも２ａｔ％、または少なくとも３ａｔ％等の、少なくとも１ａｔ％の量のＭｎを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＭｎを含むことができることを、理解するであろう。例えば、構成要素の前駆体は、１ａｔ％〜５ａｔ％、または２ａｔ％〜４ａｔ％の範囲の量のＭｎを含むことができる。特定の実施形態では、構成要素の前駆体は、２．５ａｔ％〜３．５ａｔ％の量のＭｎを含むことができる。
Ａｌを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも０．７５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも１．５ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも２．５ａｔ％、または少なくとも３ａｔ％等、少なくとも０．５ａｔ％の量のＡｌを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、２．５ａｔ％以下、２ａｔ％以下、１．５ａｔ％以下、１ａｔ％以下、または０．５ａｔ％以下等、３ａｔ％以下の量のＡｌを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＡｌを含むことができることを、理解するであろう。例えば、構成要素の前駆体は、０．５ａｔ％〜２．５ａｔ％、または０．５ａｔ％〜２ａｔ％の範囲内の量のＡｌを含むことができる。特定の実施形態では、構成要素の前駆体は、０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量のＡｌを含むことができる。
Ｆｅを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、または少なくとも６ａｔ％等、少なくとも１ａｔ％の量のＦｅを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、９ａｔ％以下、８ａｔ％以下、７ａｔ％以下、６ａｔ％以下、５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下等、１０ａｔ％以下の量のＦｅを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＦｅを含むことができることを、理解するであろう。例えば、構成要素の前駆体は、１ａｔ％〜１０ａｔ％、２ａｔ％〜１０ａｔ％、３ａｔ％〜９ａｔ％、４ａｔ％〜８ａｔ％の範囲の量のＦｅを含むことができる。特定の実施形態では、構成要素の前駆体は、５ａｔ％〜６ａｔ％の量のＦｅを含むことができる。
Ｃｏを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、または少なくとも６ａｔ％等、少なくとも１ａｔ％の量のＣｏを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、９ａｔ％以下、８ａｔ％以下、７ａｔ％以下、６ａｔ％以下、５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下等、１０ａｔ％以下の量のＣｏを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＣｏを含むことができることを、理解するであろう。
Ｎｉを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、または少なくとも６ａｔ％等、少なくとも１ａｔ％の量のＮｉを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、９ａｔ％以下、８ａｔ％以下、７ａｔ％以下、６ａｔ％以下、５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下等、１０ａｔ％以下の量のＮｉを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＮｉを含むことができることを、理解するであろう。
Ｃｕを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも０．２ａｔ％、少なくとも０．３ａｔ％、少なくとも０．４ａｔ％、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．６ａｔ％、少なくとも０．７ａｔ％、少なくとも０．８ａｔ％、少なくとも０．９ａｔ％、または少なくとも１ａｔ％等の、少なくとも０．１ａｔ％の量のＣｕを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、０．９ａｔ％以下、０．８ａｔ％以下、０．７ａｔ％以下、０．６ａｔ％以下、０．５ａｔ％以下、０．４ａｔ％以下、０．３ａｔ％以下、０．２ａｔ％以下、または０．１ａｔ％以下等の、１ａｔ％以下の量のＣｕを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＣｕを含むことができることを、理解するであろう。例えば、構成要素の前駆体は、０．１ａｔ％〜１ａｔ％、０．２ａｔ％〜０．９ａｔ％、０．３ａｔ％〜０．８ａｔ％、０．４ａｔ％〜０．７ａｔ％の範囲の量のＣｕを含むことができる。特定の実施形態では、構成要素の前駆体は、０．４ａｔ％〜０．６ａｔ％の量のＣｕを含むことができる。
Ａｇを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも０．２ａｔ％、少なくとも０．３ａｔ％、少なくとも０．４ａｔ％、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．６ａｔ％、少なくとも０．７ａｔ％、少なくとも０．８ａｔ％、少なくとも０．９ａｔ％、または少なくとも１ａｔ％等、少なくとも０．１ａｔ％の量のＡｇを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、０．９ａｔ％以下、０．８ａｔ％以下、０．７ａｔ％以下、０．６ａｔ％以下、０．５ａｔ％以下、０．４ａｔ％以下、０．３ａｔ％以下、０．２ａｔ％以下、または０．１ａｔ％以下等、１ａｔ％以下の量のＡｇを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＡｇを含むことができることを、理解するであろう。
Ｚｎを含む一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも０．２ａｔ％、少なくとも０．３ａｔ％、少なくとも０．４ａｔ％、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．６ａｔ％、少なくとも０．７ａｔ％、少なくとも０．８ａｔ％、少なくとも０．９ａｔ％、または少なくとも１ａｔ％等、少なくとも０．１ａｔ％の量のＺｎを含むことができる。一実施形態では、構成要素の前駆体は、０．９ａｔ％以下、０．８ａｔ％以下、０．７ａｔ％以下、０．６ａｔ％以下、０．５ａｔ％以下、０．４ａｔ％以下、０．３ａｔ％以下、０．２ａｔ％以下、または０．１ａｔ％以下等、１ａｔ％以下の量のＺｎを含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量のＺｎを含むことができることを、理解するであろう。
本明細書に記載の実施形態では、構成要素の前駆体は、約１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有する構成要素の前駆体を提供するように、１つ又は複数のドーパントと組み合わされた安定化ジルコニア粉体を含むことができる。約１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有する構成要素の前駆体は、ＳＯＦＣの別の構成要素またはそれらの前駆体の最高焼結温度に、より近づくことができ、それは、本明細書に記載の実施形態の構成要素の前駆体を、ＳＯＦＣの別の１つ又は複数の構成要素またはそれらの前駆体と共焼結する等により、より少ない製造工程を可能にする。約１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有する構成要素の前駆体は、低温焼結を可能にすることもでき、そのため相互拡散と抵抗相の形成を避けることができる。例えば、一実施形態では、構成要素の前駆体は、約１１１８℃以下、約１１１７℃以下、約１１１６℃以下、約１１１５℃以下、約１１１４℃以下、約１１１３℃以下、約１１１２℃以下、約１１１１℃以下、約１１１０℃以下、約１１０９℃以下、約１１０８℃以下、約１１０７℃以下、約１１０６℃以下、約１１０５℃以下、約１１０４℃以下、約１１０３℃以下、約１１０２℃以下、約１１０１℃以下、約１１００℃以下、約１０９５℃以下、約１０９０℃以下、約１１８５℃以下、または約１０８０℃以下等、約１１１９℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。例示的で、非限定的な実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも約１０７５℃等の、少なくとも約１０７０℃の最高焼成温度（Ｔピーク）を含むことができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は上記の任意の最大値または最小値の範囲内の最高焼結温度（Ｔピーク）を含むことができることを、理解するであろう。例えば、一実施形態では、最高焼結温度（Ｔピーク）は、１０７０℃〜１１２０℃、または１０７０℃〜１１１０℃の範囲にありうる。
戻って図２を参照すると、方法２００の工程２０６に例示されているように、構成要素の前駆体は、約１１２０℃以下の温度で焼結されることができ、理論密度の少なくとも９６％を有する構成要素を形成することができる。特に、１１２０℃以下の焼結温度は、前駆体組成物が理論密度の少なくとも９６％を達成させるために十分である。いかなる特定の理論にも拘束されることを望まないが、１つ又は複数のドーパントは、安定化ジルコニア前駆体が１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）で、理論密度の少なくとも９６％を達成することを可能にする、と考えられる。一実施形態によれば、構成要素の前駆体は、１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）で焼結されることができ、理論密度の少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、少なくとも約９９％、または更に１００％等、少なくとも約９６％を有する構成要素を形成することができる。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は約１１２０℃以下の温度で焼結され、理論密度の上記の任意の最大値または最小値の範囲内を有する構成要素を形成することを、理解するであろう。
逆に、構成要素の前駆体は、約１１２０℃以下の温度で焼結されることができ、特定の気孔率を有する構成要素を形成する。処理の当然の結果として、いくらかの残留気孔は、電解質構成要素等の得られた構成要素中に残存しうる。しかしながら、このような残留気孔は、一般的には閉気孔であり、相互に連結されたネットワークではない。一実施形態によれば、構成要素の前駆体は、約１１２０℃以下の温度で焼結されることができ、約４ｖｏｌ％以下、約３ｖｏｌ％以下、約２ｖｏｌ％以下、または約１ｖｏｌ％以下等、約５ｖｏｌ％以下の気孔率を有する構成要素を形成する。明細書を読んだ後、当業者は、構成要素の前駆体は約１１２０℃以下の温度で焼結され、上記の任意の最大値または最小値の範囲内の気孔率を有する構成要素を形成しうることを、理解するであろう。
一実施形態では、構成要素の前駆体は、少なくとも３つのドーパントと組み合わされ、および約１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を有する安定化ジルコニア粉体を含むことができる。例えば、構成要素の前駆体は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、およびニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された、少なくとも３つの異なるドーパントと組み合わせた安定化ジルコニア粉体を含むことができる。特定の実施形態では、安定化ジルコニア粉体はＭｎ、Ａｌ、およびＦｅと組み合わせることができる。別の実施形態では、安定化ジルコニア粉体は、Ｍｎ、Ａｌ、およびＣｕと組み合わせることができる。
構成要素の前駆体の焼結は、常圧焼結を含む当技術分野で公知の任意の方法によって実施されることができる。しかしながら、一時的な応力、クラック、大きな気孔または空隙等の不均一な粒子の充填等に起因する欠陥は、常圧焼結の際に容易には消えず、その結果、緻密化を制限する傾向がある。一実施形態では、構成要素の前駆体を焼結するには、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、１軸ホットプレス（ＨＰ）、または焼結鍛造等の加圧焼結を含むことができる。特定の実施形態では、焼結は、焼結鍛造により実施される。
特定の実施形態では、構成要素の前駆体は、ＳＯＦＣユニットを形成するために使用される他の若しくは異なる構成要素、または構成要素の前駆体と共焼結されることができる。例えば、一実施形態では、構成要素は電解質とすることができ、電解質は、アノード層、カソード層、またはそれらの組合せ等のＳＯＦＣユニットの他の構成要素と共焼結されることができる。
構成要素の前駆体を焼成してＳＯＦＣの構成要素を形成した後、構成要素は、安定化ジルコニアおよび１つ又は複数のドーパントを含むことができる。本明細書で説明されるように、構成要素は、本明細書に記載されるように構成要素の前駆体から形成され、得られた構成要素は、安定化ジルコニアと少なくとも３つの異なるドーパントを含むことができる。特定の実施形態では、安定化ジルコニアは、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。一実施形態では、安定化ジルコニアは、Ｍｎ、Ａｌ、およびＣｕを含むことができる。別の特定の実施形態では、安定化ジルコニアは、Ｍｎ、Ａｌ、およびＦｅを含むことができる。
一実施形態では、構成要素の１つ又は複数のドーパントの各々は、構成要素の一定量で存在することができる。存在するドーパントの量は、原子百分率（ａｔ％）として表すことができる。Ｍｎを含む一実施形態では、Ｍｎは５ａｔ％以下での量で構成要素中に存在することができる。例えば、Ｍｎは、３ａｔ％以下等、４ａｔ％以下の量で構成要素中に存在することができる。非限定的な一実施形態では、Ｍｎは少なくとも１ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。例えば、Ｍｎは、少なくとも３ａｔ％以下等、２ａｔ％以下の量で構成要素中に存在することができる。明細書を読んだ後、当業者は、Ｍｎは上記の任意の最大値または最小値の範囲の量で構成要素中に存在することができることを、理解するであろう。例えば、Ｍｎは１ａｔ％〜５ａｔ％、または２ａｔ％〜４ａｔ％の範囲内で構成要素中に存在することができる。特定の実施形態では、Ｍｎは２．５ａｔ％〜３．５ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。
Ａｌを含む一実施形態では、Ａｌは少なくとも０．５ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。例えば、Ａｌは構成要素中に、少なくとも１ａｔ％、少なくとも１．５ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも２．５ａｔ％、または少なくとも３ａｔ％等、少なくとも０．７５ａｔ％の量で存在することができる。一実施形態では、Ａｌは構成要素中に３ａｔ％以下の量で存在することができる。例えば、Ａｌは、２ａｔ％以下、１．５ａｔ％以下、１ａｔ％以下、または０．５ａｔ％以下等、２．５ａｔ％以下の量で構成要素中に存在することができる。明細書を読んだ後、当業者は、Ａｌは上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量で構成要素中に存在することができることを、理解するであろう。例えば、Ａｌは、０．５ａｔ％〜２．５ａｔ％、または０．５ａｔ％〜２ａｔ％の範囲内で構成要素中に存在することができる。特定の実施形態では、Ａｌは、０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。
Ｆｅを含む一実施形態では、Ｆｅは少なくとも１ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。例えば、Ｆｅは構成要素中に、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、または少なくとも６ａｔ％等、少なくとも２ａｔ％の量で存在することができる。一実施形態では、Ｆｅは構成要素中に１０ａｔ％以下の量で存在することができる。例えば、Ｆｅは、８ａｔ％以下、７ａｔ％以下、６ａｔ％以下、５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下等の、９ａｔ％以下の量で構成要素中に存在することができる。明細書を読んだ後、当業者は、Ｆｅは上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量で構成要素中に存在することができることを、理解するであろう。例えば、Ｆｅは、１ａｔ％〜１０ａｔ％、２ａｔ％〜１０ａｔ％、３ａｔ％〜９ａｔ％、４ａｔ％〜８ａｔ％の範囲内で構成要素中に存在することができる。特定の実施形態では、Ｆｅは、５ａｔ％〜６ａｔ％の量で構成要素中に存在することができる。
Ｃｕを含む一実施形態では、Ｃｕは構成要素中に少なくとも０．１ａｔ％の量で存在することができる。例えば、Ｃｕは構成要素中に、少なくとも０．３ａｔ％、少なくとも０．４ａｔ％、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．６ａｔ％、少なくとも０．７ａｔ％、少なくとも０．８ａｔ％、少なくとも０．９ａｔ％、または少なくとも１ａｔ％等、少なくとも０．２ａｔ％の量で存在することができる。一実施形態では、Ｃｕは構成要素中に１．２ａｔ％以下の量で存在することができる。例えば、Ｃｕは、構成要素中に、０．９ａｔ％以下、０．８ａｔ％以下、０．７ａｔ％以下、０．６ａｔ％以下、０．５ａｔ％以下、０．４ａｔ％以下、０．３ａｔ％以下、０．２ａｔ％以下、または０．１ａｔ％以下等、１ａｔ％以下の量で存在することができる。明細書を読んだ後、当業者は、Ｃｕは上記の任意の最大値または最小値の範囲内の量で構成要素中に存在することができることを、理解するであろう。例えば、Ｃｕは構成要素中に、０．１ａｔ％〜１ａｔ％、０．２ａｔ％〜０．９ａｔ％、０．３ａｔ％〜０．８ａｔ％、０．４ａｔ％〜０．７ａｔ％の範囲で存在することができる。特定の実施形態では、Ｃｕは構成要素中に、０．４ａｔ％〜０．６ａｔ％の量で存在することができる。
本明細書の少なくとも１つの実施形態に係る構成要素を含む固体酸化物燃料電池は、ドープされていない８ＹＳＺを含む電解質を有するセルの平均初期セル開回路電圧（ＯＣＶ）（これは一般的に１．１０Ｖより大きい）以下の平均初期セル開回路電圧を提供するように構成されることができる。一実施形態によれば、３つ以上のドーパントを有する構成要素は、８００℃で１．１０Ｖ以下の平均初期セルＯＣＶを提供することができる。特定の実施形態では、本明細書中の実施形態に係る構成要素は、１．０８Ｖ以下、１．０７Ｖ以下、またはさらに１．０６Ｖ以下等、１．０９Ｖ以下の平均初期セルＯＣＶを提供することができる。本明細書の実施形態に係る構成要素は、最終的なＳＯＦＣシステムにおける典型的には少なくとも０．７５Ｖである一般的な動作電圧よりも大きい平均初期セルＯＣＶを提供できることが理解されるであろう。
比較的高い平均初期セルＯＣＶは、イオン伝導性を有する電解質に起因することがある。高い平均初期セルＯＣＶに相応の最終的なＳＯＦＣの高い粉体密度を得るために、一般的に高い平均初期セルＯＣＶを得ることが望まれるが、出願人は、僅かな電子伝導性が望ましいこと、およびイオン伝導性だけを示す電解質は、僅かな量の電子伝導性を有する電解質より劣化速度が比較的高いことを見いだした。出願人らは、ドーパントを選択し、それらを組み合わせることにより、僅かな量の電子伝導性は電解質中に導入することができることも見いだした。したがって、出願人らは、１．１０Ｖ以下の平均初期セルＯＣＶを有する電解質は、１．１０Ｖより大きい平均初期セルＯＣＶを有する電解質より、経年劣化が減少することを見いだした。特定の実施形態では、１．０８Ｖ以下の平均初期セルＯＣＶを有する本明細書の実施形態に関わる電解質は、１．０８Ｖより大きい平均初期セルＯＣＶを有する電解質より、経年劣化が減少することを見いだした。
したがって、例えばＭｎ、Ａｌ、Ｆｅ、またはＣｕ等の電子ドーパントで、８ＹＳＺ等の高イオン伝導体をドープすることによって、ドープされていない８ＹＳＺ以上に平均初期セルＯＣＶを低減することができる。特定の実施形態では、例えば、Ｍｎ、Ａｌ、Ｆｅ、またはＣｕを含む、３つ以上の異なる電子ドーパントで８ＹＳＺをドープすることにより、２つ以下の異なるドーパントでドープした８ＹＳＺ以上に平均初期セルＯＣＶを低減することができる。
多くの異なる態様および実施形態が可能である。それらの態様および実施形態のいくつかは、本明細書に記載されている。本明細書を読んだ後、当業者は、これらの態様および実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではないことを、理解するであろう。実施形態は、下記に示されるいずれか１つ又は複数の項目に従うことができる。
実施例は、単に例示として示され、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲を限定するものではない。実施例は、例示的で非限定的な実施形態に係るＳＯＦＣの構成要素の形成を示す。
以下のいくつかの安定化ジルコニア構成要素の試料を調製するための出発粉体は、８ｍｏｌ％のＹＳＺ（８ＹＳＺ）であった。８ＹＳＺ粉体は、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有していた。ｄ５０粒子径を減少させる８ＹＳＺへのさらなる処理は、実施されなかった。
ドープされていない８ＹＳＺを含む参照試料が調製され、１つ又は複数のドーパントでドープされた８ＹＳＺを含むいくつかの試料が調製された。１つ又は複数のドーパントはＭｎ、Ａｌ、Ｆｅ、およびＣｕを含んでいた。調製された試料の構成要素は、８ＹＳＺの試料、３ａｔ％Ｍｎと１ａｔ％Ａｌ（３Ｍｎ−１Ａｌ）でドープした８ＹＳＺの試料、３ａｔ％Ｍｎと１ａｔ％Ａｌと８ａｔ％Ｆｅ（３Ｍｎ−１Ａｌ−８Ｆｅ）でドープした８ＹＳＺの試料、３ａｔ％Ｍｎと１ａｔ％Ａｌと４ａｔ％Ｆｅ（３Ｍｎ−１Ａｌ−４Ｆｅ）でドープした８ＹＳＺの試料，３ａｔ％Ｍｎと１ａｔ％Ａｌと６Ｆｅ（３Ｍｎ−１Ａｌ−６Ｆｅ）でドープした８ＹＳＺの試料、３ａｔ％Ｍｎと１ａｔ％Ａｌと０．５ａｔ％Ｃｕ（３Ｍｎ−１Ａｌ−０．５Ｃｕ）でドープした８ＹＳＺの試料、および１ａｔ％Ｃｕ（１Ｃｕ）でドープした８ＹＳＺの試料を含んでいた。
ドーパント粉体を不均質沈殿法により調製した。ドーパントの水酸化物前駆体粉体は、それぞれの可溶性塩から沈殿された。特に、Ａ１（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ、Ｍｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、とＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏの粉体を、脱イオン（ＤＩ）水で溶解した。溶液を撹拌し、ｐＨ値を調整するためにＮＨ４・ＮＨ３を必要に応じて添加した。銅を有するドーパント溶液を調製する際に、５０ｎｍ以下のｄ５０粒子径のＣｕＯ粉体は不均質沈殿することなく溶液中に直接添加された。
その後、調製されたドーパントを８ＹＳＺ粉体と混合した。秤量された８ＹＳＺ粉体を、準備されたドーパント溶液に注ぎ、スラリーを形成した。スラリーは、ボールミル粉砕され、粉体に乾燥された。乾燥粉体を粉砕し、メッシュを通した後、６００℃に加熱して、仮焼金属酸化物ドープ８ＹＳＺ粉体を形成した。仮焼粉体を高さ５．０ｍｍ、直径６．５ｍｍのペレットに１軸プレスした。すべての試料のグリーン密度は約４０％であった。次に、試料の構成要素は、それらのそれぞれの最高焼結温度（Ｔピーク）と異方性係数を決定するために試験された。
項目
項目１：安定化ジルコニアおよび少なくとも３つの異なったドーパントを含む電解質を備える、固体酸化物燃料電池の構成要素。
項目２：１１２０℃以下の最高焼結温度を有し、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成された安定化ジルコニアを備える、固体酸化物燃料電池の構成要素。
項目３：単セル固体酸化物燃料電池において、１．０９Ｖ以下の平均初期セル開回路電圧（ＯＣＶ）が示されるような低い電子伝導性を提供するように構成された電解質を備える、固体酸化物燃料電池の構成要素。
項目４：構成要素が電解質である、項目１０または１４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目５：構成要素が電解質であり、電解質は、理論密度の少なくとも９６％、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、または１００％を有する、項目１〜４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目６：電解質は少なくとも３つの異なるドーパントを含み、電解質は単セル固体酸化物燃料電池において、１．０８Ｖ以下の平均初期セル開回路電圧（ＯＣＶ）を提供するように構成された、項目１〜５のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目７：安定化ジルコニアは、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成され、安定化ジルコニアは最高焼結温度を有し、最高焼結温度は１１１５℃以下、１１１０℃以下、１１０５℃以下、１１００℃以下、１０９５℃以下、１０９０℃以下、１０８５℃以下、または１０８０℃以下である、項目１〜６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目８：安定化ジルコニアは、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成され、安定化ジルコニアは最高焼結温度を有し、最高焼結温度は少なくとも１０７５℃、少なくとも１０８０℃、少なくとも１０８５℃、少なくとも１０９０℃、少なくとも１０９５℃、少なくとも１１００℃、少なくとも１１０５℃、少なくとも１１１０℃、または少なくとも１１１５℃である、項目１〜７のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目９：安定化ジルコニアは、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成され、安定化ジルコニアは最高焼結温度を有し、最高焼結温度は１０８０〜１１２０℃、１０８５℃〜１１１５℃、または、１０９０℃〜１１１０℃の範囲にある、項目１〜８のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１０：構成要素は電解質であり、電解質は、少なくとも１５０ｎｍ、少なくとも１６０ｎｍ、少なくとも１７０ｎｍ、少なくとも１８０ｎｍ、少なくとも１９０ｎｍ、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも２１０ｎｍ、少なくとも２２０ｎｍ、少なくとも２３０ｎｍ、少なくとも２４０ｎｍ、少なくとも２５０ｎｍ、少なくとも２６０ｎｍ、少なくとも２７０ｎｍ、少なくとも２８０ｎｍ、少なくとも２９０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成される、項目１〜９のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１１：構成要素は電解質であり、電解質は４００ｎｍ以下、３５０ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２９０ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、２７９ｎｍ以下、２６０ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、２４０ｎｍ以下、２３０ｎｍ以下、２２０ｎｍ以下、２１０ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１９０ｎｍ以下、１８０ｎｍ以下、１７０ｎｍ以下、１６０ｎｍ以下のｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成される、項目１〜１０のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１２：構成要素は電解質であり、電解質は１５０ｎｍ〜４００ｎｍ、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ、１７０ｎｍ〜２８０ｎｍ、または２００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲のｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成される、項目１〜１１のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１３：安定化ジルコニアは１つまたは複数のドーパントを含む、項目１〜１２のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１４：安定化ジルコニアはＭｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、またはそれらの任意の組合せを含む、項目１〜１３のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１５：安定化ジルコニアはＭｎ、Ａｌ、およびＣｕを含む、項目１〜１４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１６：安定化ジルコニアはＭｎ、Ａｌ、およびＦｅを含む、項目１〜１５のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１７：安定化ジルコニアはＭｎを含み、Ｍｎは５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下の量で存在する、項目１〜１６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１８：安定化ジルコニアはＭｎを含み、Ｍｎは少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、または少なくとも３ａｔ％の量で存在する、項目１〜１７のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目１９：安定化ジルコニアはＭｎを含み、Ｍｎは１ａｔ％〜５ａｔ％、または２ａｔ％〜４ａｔ％の範囲に存在する、項目１〜１８のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２０：安定化ジルコニアはＭｎを含み、Ｍｎは２．５ａｔ％〜３．５ａｔ％の量で存在する、項目１〜１９のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２１：安定化ジルコニアはＡｌを含み、Ａｌは少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．７５ａｔ％、少なくとも１ａｔ％、少なくとも１．５ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも２．５ａｔ％、少なくとも３ａｔ％の量で存在する、項目１〜２０のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２２：安定化ジルコニアはＡｌを含み、Ａｌは３ａｔ％以下、２．５ａｔ％以下、２ａｔ％以下、１．５ａｔ％以下、１ａｔ％以下、または０．５ａｔ％以下の量で存在する、項目１〜２１のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２３：安定化ジルコニアはＡｌを含み、Ａｌは０．５ａｔ％〜２．５ａｔ％、または０．５ａｔ％〜２ａｔ％の範囲で存在する、項目１〜２２のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２４：安定化ジルコニアはＡｌを含み、Ａｌは０．５ａｔ％〜１．５ａｔ％の量で存在する、項目１〜２３のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２５：安定化ジルコニアはＦｅを含み、Ｆｅは少なくとも１ａｔ％、少なくとも２ａｔ％、少なくとも３ａｔ％、少なくとも４ａｔ％、少なくとも５ａｔ％、または少なくとも６ａｔ％の量で存在する、項目１〜２４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２６：安定化ジルコニアはＦｅを含み、Ｆｅは１０ａｔ％以下、９ａｔ％以下、８ａｔ％以下、７ａｔ％以下、６ａｔ％以下、５ａｔ％以下、４ａｔ％以下、または３ａｔ％以下の量で存在する、項目１〜２５のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２７：安定化ジルコニアはＦｅを含み、Ｆｅは１ａｔ％〜１０ａｔ％、２ａｔ％〜１０ａｔ％、３ａｔ％〜９ａｔ％、４ａｔ％〜８ａｔ％の範囲で存在する、項目１〜２６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２８：安定化ジルコニアはＦｅを含み、Ｆｅは５ａｔ％〜６ａｔ％の量で存在する、項目１〜２７のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目２９：安定化ジルコニアはＣｕを含み、Ｃｕは少なくとも０．１ａｔ％、少なくとも０．２ａｔ％、少なくとも０．３ａｔ％、少なくとも０．４ａｔ％、少なくとも０．５ａｔ％、少なくとも０．６ａｔ％、少なくとも０．７ａｔ％、少なくとも０．８ａｔ％、少なくとも０．９ａｔ％、または少なくとも１ａｔ％の量で存在する、項目１〜２８のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３０：安定化ジルコニアはＣｕを含み、Ｃｕは１ａｔ％以下、０．９ａｔ％以下、０．８ａｔ％以下、０．７ａｔ％以下、０．６ａｔ％以下、０．５ａｔ％以下、０．４ａｔ％以下、０．３ａｔ％以下、０．２ａｔ％以下、または０．１ａｔ％以下の量で存在する、項目１〜２９のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３１：安定化ジルコニアはＣｕを含み、Ｃｕは０．１ａｔ％〜１ａｔ％、０．２ａｔ％〜０．９ａｔ％、０．３ａｔ％〜０．８ａｔ％、０．４ａｔ％〜０．７ａｔ％の範囲で存在する、項目１〜３０のいずれか０．１項目に記載の構成要素。
項目３２：安定化ジルコニアはＣｕを含み、Ｃｕは０．４ａｔ％〜０．６ａｔ％の量で存在する、項目１〜３１のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３３：安定化ジルコニアは安定化剤を含み、安定化剤は、Ｙ２Ｏ３、ＣｅＯ２、ＣａＯ、またはそれらの任意の組合せを含む、項目１〜３２のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３４：構成要素は、少なくとも５ミクロン、少なくとも７ミクロン、少なくとも９ミクロン、少なくとも１０ミクロン、少なくとも１２ミクロン、少なくとも１４ミクロン、少なくとも１５ミクロン、少なくとも１７ミクロン、または少なくとも１９ミクロンの厚さを有する、項目１〜３３のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３５：構成要素は、２５０ミクロン以下、２００ミクロン以下、１５０ミクロン以下、１００ミクロン以下、７５ミクロン以下、５０ミクロン以下、２０ミクロン以下、１９ミクロン以下、１７ミクロン以下、１５ミクロン以下、１２ミクロン以下、１０ミクロン以下、９ミクロン以下、または７ミクロン以下の厚さを有する、項目１〜３４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３６：構成要素は、５ミクロン〜２０ミクロン、または１０ミクロン〜１５ミクロンの範囲の厚さを有する、項目１〜３５のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３７：構成要素は、５ｖｏｌ％以下、４ｖｏｌ％以下、３ｖｏｌ％以下、２ｖｏｌ％以下、または１ｖｏｌ％以下の気孔率を有する、項目１〜３６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３８：固体酸化物燃料電池は、少なくとも０．８５Ｖ、少なくとも０．９５Ｖ、少なくとも１．０５Ｖのセル初期開回路電圧（ＯＣＶ）を有する、項目１〜３７のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目３９：固体酸化物燃料電池は、１．０９Ｖ以下、１．０８Ｖ以下、１．０７Ｖ以下、１．０６Ｖ以下、１．０５Ｖ以下のセル初期開回路電圧を有する、項目１〜３８のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４０：固体酸化物燃料電池は、０．７５Ｖ〜１．０９Ｖの範囲のセル初期開回路電圧を有する、項目１〜３９のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４１：固体酸化物燃料電池は、更に、アノードを備える、項目１〜４０のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４２：固体酸化物燃料電池は、更に、カソードを備える、項目１〜４１のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４３：固体酸化物燃料電池は、サブセル内に構成要素と共に配列されたアノードとカソードを更に備え、サブセルは、構成要素の第１の側に配置されたアノードと、構成要素の第２の側に配置されたカソードを備え、第２の側は第１の側と異なっている、項目１〜４２のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４４：固体酸化物燃料電池は、さらに、電解質から１つ又は複数のカソードの端部またはアノードの端部に配置されたインターコネクトを含む、項目４３の構成要素。
項目４５：固体酸化物燃料電池セルは積み重ねて配置された２つ以上のサブセルを備え、インターコネクトはサブセルとの間に配置されている、項目１〜４４のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４６：カソードは、カソード機能層を備える、項目４３のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４７：アノードは、アノード機能層を備える、項目４１、４３〜４６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４８：カソードは、カソードバルク層を備える、項目４３のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目４９：アノードは、アノードバルク層を備える、項目４１、４３〜４６のいずれか１項目に記載の構成要素。
項目５０：少なくとも１５０ｎｍのｄ５０の粒子径を有する安定化ジルコニア粒子を有する安定ルコニア粉体を提供すること、安定化ジルコニア粉体を１つ又は複数のドーパントと組み合わせ、構成要素前駆体を形成すること、構成要素前駆体を１１２０℃以下の温度で焼結して理論密度の少なくとも９６％を有する構成要素を形成すること、を備える固体酸化物燃料電池の構成要素の製造方法。
項目５１：ｄ５０粒子径は、少なくとも１６０ｎｍ、少なくとも１７０ｎｍ、少なくとも１８０ｎｍ、少なくとも１９０ｎｍ、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも２１０ｎｍ、少なくとも２２０ｎｍ、少なくとも２３０ｎｍ、少なくとも２４０ｎｍ、少なくとも２５０ｎｍ、少なくとも２６０ｎｍ、少なくとも２７０ｎｍ、少なくとも２８０ｎｍ、または少なくとも２９０ｎｍである、項目５０記載の方法。
項目５２：ｄ５０粒子径は、３００ｎｍ以下、２９０ｎｍ以下、２８０ｎｍ以下、２７９ｎｍ以下、２６０ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、２４０ｎｍ以下、２３０ｎｍ以下、２２０ｎｍ以下、２１０ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１９０ｎｍ以下、１８０ｎｍ以下、１７０ｎｍ以下、または１６０ｎｍ以下である、項目５０または５１のいずれか１項目に記載の方法。
項目５３：ｄ５０粒子径は、１５０ｎｍ〜３００ｎｍ、１７０ｎｍ〜２８０ｎｍ、または２００ｎｍ〜２５０ｎｍの範囲内である、項目５０〜５２のいずれか１項目に記載の方法。
項目５４：理論密度は、少なくとも９７％、少なくとも９８％、少なくとも９９％、または１００％である、項目５０〜５３のいずれか１項目に記載の方法。
項目５５：構成要素前駆体は電解質前駆体である、項目５０〜５４のいずれか１項目に記載の方法。
項目５６：構成要素は電解質である、項目５０〜５５のいずれか１項目に記載の方法。
項目５７：１つ又は複数のドーパントは、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、またはそれらの組み合わせを含む、項目５０〜５６のいずれか１項目に記載の方法。
項目５８：１つ又は複数のドーパントは、Ｍｎ、Ａｌ、およびＣｕを含む、項目５０〜５６のいずれか１項目に記載の方法。
項目５９：１つ又は複数のドーパントは、Ｍｎ、Ａｌ、およびＦｅを含む、項目５０〜５６のいずれか１項目に記載の方法。
実施例１−Ｔピーク
Ｄｉｌｏｍｅｔｅｒｙ焼結は、最高焼結温度（Ｔピーク）を決定するために実施された。試料の緻密化速度は、試料の線収縮の微分曲線によって得られる。いくつかの焼結計画が、最高焼結温度（Ｔピーク）を決定するために実施された。例えば、いくつかの焼結計画は、加熱速度１５℃／分、１０℃／分、２℃／分、１℃／分、またはそれらの組み合わせを含んでいた。いくつかの焼結計画は、１つ又は複数の「保持」温度、または等温保持も含んでいた。そこで試料は、１つ又は複数の特定の温度に、一般的に加熱速度より長い所定の時間保持された。
図３は、構成要素試料各々のそれぞれの最高焼結温度（Ｔピーク）を示す。試験された最高焼結温度（Ｔピーク）は、表１に列挙されている。
ＭｎおよびＡｌを含む２つのドーパントでドープされた（共ドープされた）８ＹＳＺの構成要素試料は、本発明の譲受人、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｅｒａｍｉｃｓ ＆ Ｐｌａｓｔｉｃｓ．， Ｉｎｃ．、に譲渡された米国特許第８，３５７，４７４号に記載されている。例えば、ＹＳＺは３ａｔ％のＭｎと１ａｔ％のＡｌ（３Ｍｎ−１Ａｌ）でドープされることができる。そこに記載されているように、及び図３と表１に例示されるように、３Ｍｎ−１Ａｌは、約１１２８℃の最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。しかし、更なる進歩は、本明細書の実施形態に関して説明されるように、ＹＳＺの最高焼結温度を低下させることに対して実施されてきた。例えば、図３と表１に示すように、３Ｍｎ−１Ａｌ−８Ｆｅ、３Ｍｎ−１Ａｌ−４Ｆｅ、３Ｍｎ−１Ａｌ−６Ｆｅ、３Ｍｎ−１Ａ−０．５Ｃｕ、およびｌＣｕ等の本明細書に記載の構成要素試料の全ては、１１２０℃以下の最高焼結温度（Ｔピーク）を得、それらは少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成された。
一実施形態によれば、３Ｍｎ−１Ａｌ−８Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアを含む構成要素は１１２０℃より低い最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。例えば、図３に例示されるように、３Ｍｎ−１Ａｌ−８Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアは１１００℃〜１１２０℃の範囲で、特に約１１１０℃のＴピークを有することができる。
一実施形態によれば、３Ｍｎ−１Ａｌ−４Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアを含む構成要素は、１１２０℃より低い最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。例えば、図３に例示されるように、３Ｍｎ−１Ａｌ−４Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアは１１００℃〜１１２０℃の範囲で、特に約１１０８℃のＴピークを有することができる。
一実施形態によれば、３Ｍｎ−１Ａｌ−６Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアを含む構成要素は、１１２０℃より低い最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。例えば、図３に例示されるように、３Ｍｎ−１Ａｌ−６Ｆｅでドープされた安定化ジルコニアは１１００℃〜１１２０℃の範囲に、特に約１１０３℃にＴピークを有することができる。特定の実施形態では、１０７６℃の低い最高焼結温度（Ｔピーク）が達成された。
一実施形態によれば、３Ｍｎ−１Ａｌ−０．５Ｃｕでドープされた安定化ジルコニアを含む構成要素は、１１２０℃より低い最高焼結温度（Ｔピーク）を有することができる。例えば、図３に例示されるように、３Ｍｎ−１Ａｌ−０．５Ｃｕでドープされた安定化ジルコニアは、１１００℃〜１１２０℃の範囲に、特に約１１０４℃にＴピークを有することができる。特定の実施形態では、１０９４℃の低い最高焼結温度（Ｔピーク）が達成された。
実施例２−導電率
初期セル開回路電圧（ＯＣＶ）実験は、ＭｎおよびＡｌでドープされた８ＹＳＺを含む電解質構成要素、並びにＭｎ、Ａｌ及びＦｅでドープされた８ＹＳＺを含む電解質構成要素で行われた。電解質構成要素は、電解質構成要素、アノード、及びカソードを含む単セルのＳＯＦＣを形成するために、使用された。その後、最終的に形成されたＳＯＦＣは、当技術分野で標準的な方法に従って、初期セルＯＣＶについて試験された。例えば、スタックがセットアップされた後の短期試験では、空気側と燃料側の両方のリーク率が測定される。燃料及び空気流量は、それぞれ、３００および９００ｓｃｃｍである。スタックがリークテストに合格した場合、スタックは２℃／分で８００℃に達するまで加熱される。この時点で、水素濃度は、ＮｉＯを還元するために段階的に増やされる。ＯＣＶが、１００％Ｈ２（または約９８．３％のＨ２＋１．７％のＨ２Ｏ）で安定している場合、８００℃で３組のＩ−Ｖ曲線とインピーダンスが得られる。結果は下の表２と３、および図４に例示される。
表２は、ＭｎとＡｌでドープされた８ＹＳＺのセルの初期ＯＣＶの結果を例示する。表２に例示されるように、セルは１１回（または１１個の同一のセルが試験された）試験され、平均セル初期ＯＣＶは１．０８３０４５５であった。表３は、Ｍｎ、Ａｌ、およびＦｅでドープされた８ＹＳＺのセルの初期ＯＣＶの結果を例示する。表３に例示されるように、セルは５回試験され、平均セル初期ＯＣＶは１．０６９４であった。
図４は、表２および３にそれぞれ示される電解質の結果を例示する「ボックスプロット」を含む。特に、図４のボックスプロットは、表２および３の四分位値の結果を、それぞれ例示する。
一般的な記述または実施例において、上記に説明された活動の全てが必要とされる訳ではないこと、特定の活動の一部は必要とされないことがありうること、および１つまたは複数のさらなる活動は記載したものに加えて実施されうること、に注意されたい。さらに、活動が列挙されている順序は、必ずしもそれらが実施される順序ではない。
恩恵、他の利点、および問題に対する解決策は、特定の実施形態に関して上に説明されている。しかし、恩恵、利点、問題に対する解決策、および任意の恩恵、利点、または解決法を発生させ、若しくはより顕著にする任意の特徴（複数可）は、任意の、または全ての特許請求の範囲の重要な、必要な、または本質的な特徴として解釈されるべきではない。
本明細書に記載の実施形態の詳述および例示は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することを意図している。詳述および例示は、本明細書に記載された構造や方法を使用する装置およびシステムの、要素および特徴のすべてを網羅する、包括的な説明として役立つようには意図されていない。明確にするために個別の実施形態の文脈において本明細書で説明されるいくつかの特徴は、単一の実施形態の組み合わせにおいて提供されることもできる。逆に、簡潔のために、単一の実施形態の文脈内で説明されている様々な特徴も、別々にまたは部分的な組み合わせで提供されうる。さらに、範囲内に記載された値の参照は、その範囲内のそれぞれの、およびすべての値を含む。この明細書を読んだ後にだけ、多くの他の実施形態が、当業者に明らかになるであろう。構造の置換、論理的な置換、または別の変更が、本開示の範囲から逸脱することなく行うことができるように、他の実施形態は使用される、および本開示から導き出されることができる。したがって、本開示は、限定的ではなく例示的と見なされるべきである。
本発明は、特定の実施形態を参照して説明されてきたが、当業者に想到されるであろう、そのような実施形態への変更および追加は、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。

Claims (15)

  1. 固体酸化物燃料電池の構成要素であって、前記構成要素は、
    安定化ジルコニアおよび少なくとも３つの異なるドーパントを含む電解質を含む、構成要素。
  2. 前記安定化ジルコニアは、１１２０℃以下の最高焼結温度を有する、請求項１記載の構成要素。
  3. 前記電解質は、少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成される、請求項１記載の構成要素。
  4. 前記電解質は、４００ｎｍ以下のｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成される、請求項１記載の構成要素。
  5. 前記安定化ジルコニアは、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅまたはそれらの任意の組合せを含む、請求項１記載の構成要素。
  6. 前記安定化ジルコニアはＭｎを含み、前記Ｍｎは５ａｔ％以下の量で存在する、請求項１記載の構成要素。
  7. 前記安定化ジルコニアはＡｌを含み、前記Ａｌは３ａｔ％以下の量で存在する、請求項１記載の構成要素。
  8. 前記安定化ジルコニアはＦｅを含み、前記Ｆｅは１０ａｔ％以下の量で存在する、請求項１記載の構成要素。
  9. 前記安定化ジルコニアはＣｕを含み、前記Ｃｕは１ａｔ％以下の量で存在する、請求項１記載の構成要素。
  10. 固体酸化物燃料電池の構成要素であって、前記構成要素は、
    １１２０℃以下の最高焼結温度を有し、及びに少なくとも１５０ｎｍのｄ５０粒子径を有する安定化ジルコニア粒子から形成された安定化ジルコニアを含む、構成要素。
  11. 前記安定化ジルコニア粒子は、４００ｎｍ以下のｄ５０粒子径を有する、請求項１０記載の構成要素。
  12. 前記安定化ジルコニアは、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅまたはそれらの任意の組合せを含む、請求項１０記載の構成要素。
  13. 前記安定化ジルコニアは５ａｔ％以下の量のＭｎを含み、前記安定化ジルコニアは３ａｔ％以下の量のＡｌを含み、前記安定化ジルコニアは１０ａｔ％以下の量のＦｅを含む、請求項１０記載の構成要素。
  14. 固体酸化物燃料電池の構成要素であって、前記構成要素は、
    単セルの固体酸化物燃料電池において、１．０９Ｖ以下の平均初期セル開回路電圧（ＯＣＶ）が示されるような、低い電子伝導性を提供するように構成された電解質を含む、構成要素。
  15. 前記電解質は１つ又は複数のドーパントを含む安定化ジルコニアを含む、請求項１４記載の構成要素。
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