JP2017522691A - 扁平円筒形アノードを有する燃料電池 - Google Patents

扁平円筒形アノードを有する燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2017522691A
JP2017522691A JP2016571351A JP2016571351A JP2017522691A JP 2017522691 A JP2017522691 A JP 2017522691A JP 2016571351 A JP2016571351 A JP 2016571351A JP 2016571351 A JP2016571351 A JP 2016571351A JP 2017522691 A JP2017522691 A JP 2017522691A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cathode
fuel cell
solid oxide
oxide fuel
flat cylindrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016571351A
Other languages
English (en)
Inventor
イエシュワンス・ナレンダー
アラヴィンド・モハンラム
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Original Assignee
Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc filed Critical Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Publication of JP2017522691A publication Critical patent/JP2017522691A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0236—Glass; Ceramics; Cermets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/243—Grouping of unit cells of tubular or cylindrical configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9041—Metals or alloys
    • H01M4/905—Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9066—Metals or alloys specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC of metal-ceramic composites or mixtures, e.g. cermets
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

扁平円筒形アノード及びカソードを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）。一実施形態では、扁平円筒形アノード及びカソードは実質的に厚くできる。一実施形態では、カソードは扁平円筒形アノードのＣＴＥと実質的に同じ熱膨張係数（ＣＴＥ）を有すことができる。一実施形態では、カソードは外部供給源から空気／酸素の吸気のためにカソード内に形成された流路を有することができる。【選択図】図１

Description

本発明は固体酸化物燃料電池及びその製造方法に係わる。
燃料電池は、燃料の電気化学的な酸化により、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、及びカソードとアノードとの間に電解質を備える。各種の燃料電池の中で、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として固いセラミック化合物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、酸素ガス（Ｏ２）はカソードで酸素イオン（Ｏ−２）に還元され、燃料ガス、例えば、水素（Ｈ２）等又は炭化水素、例えばメタン（ＣＨ４）等は酸素イオンで酸化され、アノードで（炭化水素から）水と二酸化炭素を形成する。
燃料電池の設計は、一般的にその支持構造と形状に基づいている。例えば、米国特許出願第２００４／０２１９４１１号は、アノードが扁平な円筒状形であることから扁平円筒形燃料電池としても知られている、アノード支持燃料電池を説明している。アノード支持セルでは、アノードは一般的に燃料電池の最も厚い層であり、このため燃料電池の他の層を形成するために支持できる。しかし、当該技術分野において、燃料電池の設計には改善の必要性が残されている。
明細書は、本出願人が彼らの発明とする主題を明確に指摘して特許請求の範囲で結論付けるが、添付の図面と関連して取りあげられる場合に本発明がより良く理解されるであろうと考えられる。
図１は、一実施形態に係わる固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を例示する。 図２は、別の実施形態に係わるＳＯＦＣスタックを例示する。
以下の説明は図面と組み合わせて、本発明において開示される教示の理解を助けるために提供される。以下の考察は、教示の特定の実施と実施形態に焦点をあてる。この焦点は、教示を説明する際に支援するために提供されており、教示の範囲又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」、又はそれらのあらゆる他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意図している。例えば、多くの特徴を備えるプロセス、方法、物品、又は装置は、必ずしもそれらの特徴だけに限定される必要はなく、明確には記載されない特徴、又はこのようなプロセス、方法、物品、若しくは装置に固有ではない別の特徴を含み得る。更に、特に断わらない限り、「又は」は、包括的「又は」を指し、排他的「又は」を指さない。例えば、条件Ａ又はＢが、次の、「Ａが真（又は存在する）及びＢが偽（又は存在しない」）、「Ａが偽（又は存在しない）及びＢが真（又は存在する）」、並びに「Ａ及びＢの両方が真（又は存在する）」、のいずれか１つによって満たされる場合である。
「ａ」又は「ａｎ」の使用は、本明細書に記載の要素及び構成要素を記載するために用いられる。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行われる。異なることを意味するのが明らかでない限り、この記述は、１つ又は少なくとも１つを含むと解釈され、単数形もまた、複数形を含み、或いはその逆も含むと読むべきである。
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的及び科学的用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって、一般に理解されるものと同じ意味を有する。材料、方法、及び実施例は例示にすぎず、限定されることを意図しない。本明細書に記載されていない範囲において、特定の材料及び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技術分野の教科書及びその他の情報源中に見出し得る。
一実施形態によれば、ＳＯＦＣは、ＳＯＦＣの別の層を構造的支持できる厚さを有するカソードを含むことができる。酸素又は空気送達の制御が望まれる実施形態では、ＳＯＦＣは、形成された流路を内部に有するカソードを含むことができる。このような前述の特徴は、比較的薄いカソードを有する従来のアノード支持セルでは可能性がない。
図１は、一実施形態に係わる固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を例示する。例示のように、ＳＯＦＣ１００はカソード１０９を含むことができる。一実施形態では、カソード１０９は平面であることができる。例えば、カソード１０９は上部表面及び上部表面と反対の下部表面を含むことができ、上部表面と下部表面は実質的に互いに平行である。
カソード１０９は特定の厚さを有すことができる。０．６ｍｍ未満の厚さを有するカソード１０９はＳＯＦＣ１００全体に対して、構造を十分に支持することができない、及び適切な大きさの流路をカソード１０９の中に形成することができない。一方、５．０ｍｍより厚い厚さは、ＳＯＦＣ１００の出力密度の大幅な増加なしに製造コスト、及びイオン／電気抵抗を増加させ得る。従って、一実施形態に係わるカソード１０９は、少なくとも０．６ｍｍ、例えば、少なくとも１．０ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ、又は更に少なくとも２．０ｍｍ等の厚さを有すことができる。非限定的一実施形態では、カソード１０９は５．０ｍｍ以下、例えば４．０ｍｍ以下、３．０ｍｍ以下、又は更に２．０ｍｍ以下等の厚さを含み得る。カソード１０９は上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、０．６ｍｍ〜５ｍｍ、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ、又は０．６ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内等の厚さを有すことができる。
一実施形態では、カソード１０９は、カソード１０９を横切る流体（例えば、酸素又は空気）のより均一な送達、又は供給ができるように働く流路１１１を、含むことができる。その中に形成される流路を持たないＳＯＦＣの可能な出力密度よりも、ＳＯＦＣ１００がより大きな出力密度を得るためには、流体の、より均一な送達又は供給が必要である。特定の一実施形態において、流路１１１をカソード１０９のカソードバルク層１１０中に形成できる。カソードバルク層１１０は、その内部に形成される流路１１１を有すことができる厚さ、例えば、少なくとも０．６ｍｍ、少なくとも１．０ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ、又は少なくとも２．０ｍｍ等を含むことができる。非限定的一実施形態では、カソードバルク層１１０は、５．０ｍｍ以下、例えば、４．０ｍｍ以下、又は３．０ｍｍ以下、又は２．０ｍｍ以下等の厚さを含み得る。カソードバルク層１１０は、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、０．６ｍｍ〜５ｍｍ、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ、又は０．６ｍｍ〜１．５ｍｍ等の範囲内の厚さを有すことができる。
流路１１１は、任意の好ましい形状、例えば円形、長方形、又は楕円などであることができる。流路１１１が円形である場合、それらは個々の直径を有すことができる。直径は、個々の流動特性及び圧力特性に対して選択され得る。例えば、０．５ｍｍ未満の直径は、流体が流路を通って適切に流れるのに十分な大きさではない。一実施形態では、流路１１１の直径は少なくとも０．５ｍｍ、例えば少なくとも１．０ｍｍ、又は更に少なくとも１．５ｍｍであることができる。非限定的一実施形態では、流路１１１の直径は２．０ｍｍ以下、例えば、１．５ｍｍ以下、又は更には１．０ｍｍ以下であることができる。カソード１０９は、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ、又は１．５ｍｍ〜１．０ｍｍ等の範囲内の直径の流路１１１を有し得る。
別の実施形態では、図１の断面方向から見ると、流路は長方形、又は更に楕円形を有すことができる。流路は、円形流路に関して示した前述の直径の任意の範囲内で、別々に最小寸法（例えば、高さ又は幅）及び最大寸法（例えば、流路１１１の高さ又は幅の他方）を有すことができる。例えば、流路１１１は、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの高さ、及び０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの幅を有する長方形又は楕円形を有すことができる。特定の一実施形態において、長方形又は楕円形の流路１１１は０．５ｍｍの高さ及び１．５ｍｍの幅を有すことができる。
一実施形態によれば、流路１１１は、カソードバルク層１１０の厚さの少なくとも５０％の高さ（又は直径）を有すことができる。非限定的一実施形態では、流路１１は、カソードバルク層１１０の厚さの９０％以下、例えば、７５％以下、又は６０％以下等の高さを有すことができる。流路１１１は、前述の任意の最小値又は最大値の範囲内の高さを有すことができる。例えば、流路１１１は、カソードバルク層１１０の厚さの５０〜６０％の範囲内の高さを有すことができる。特定の一実施形態において、カソードバルク層１１０は１ｍｍの厚さを有する流路を有することができ、及び０．５０ｍｍ〜０．６０ｍｍの流路高さを有すことができる。
カソード１０９の最小厚さは、厚さ方向における流路１１１の寸法（例えば、図１に示す断面方向から見る流路１１１の直径又は高さ）よりも、少なくとも０．０５ｍｍ厚い。例えば、カソード１０９の最小厚さは、厚さ方向における流路１１１の寸法よりも、少なくとも０．１ｍｍ厚く、例えば０．５ｍｍ厚く、又は更に少なくとも１．０ｍｍ厚くてもよい。このような最小厚さは、流路を内部に有するカソード１０９において、構造の完全性が維持されることを確実にするのに、役立つことができる。当業者によって理解されるように、より大きな気孔率又は低い強度を有するカソードは、適切な構造の完全性のために、より大きな最小厚さを必要とするので、流路１１１を内部に有するカソード１０９の最小厚さは、カソード１０９の強度又は気孔率にも依存し得る。
本明細書において更に詳細に考察するように、ＳＯＦＣ１００は、固有の厚みを有する扁平円筒形アノード１０１を含むことができる。カソード１０９の厚さ及び扁平円筒形アノード１０１は互いに対して画成することができる。例えば、カソード１０９は厚さ（Ｔｈｃ）を有し、扁平円筒形アノード１０１は厚さ（Ｔｈａ）を有すことができる。一実施形態によれば、（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は、少なくとも０．５０、例えば、少なくとも０．７５、又は更に少なくとも１．０等であることができる。非限定的一実施形態では、（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は、１．５０以下、例えば、１．２５以下、又は更に１．０以下等であってもよい。（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は、上述の任意の最小値、又は最大値の範囲内、例えば、０．５０〜１．５、又は０．７５〜１．２５等の範囲内であることができる。特定の一実施形態において、（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は、約１．０であることができ、これはカソード１０９及び扁平円筒形アノード１０１は同じ厚さを有していることを示している。０．５０〜１．５、又はより具体的には０．７５〜１．２５の範囲内の（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比を有する電極の使用は、幾何学上の問題、例えば、形成時又は使用時におけるＳＯＦＣ１００の１つ又は複数の構成要素の歪み等、を低減し得る。更に、本明細書の実施形態は、０．５０〜１．５、又はより具体的には０．７５〜１．２５の範囲内の（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比を有すことができるので、カソード１０９は、一実施形態の比較的厚いアノード１０１と同様に、ＳＯＦＣを構造上十分に支持できる厚さであることができる。従って、一実施形態に係わるＳＯＦＣ１０１は、電極支持燃料電池として分類され得る。
流体流動及び圧力に加えて、カソード流路１１１又はアノード流路１０８の寸法及び形状（例えば、直径、幅、高さ）は、カソード１０９又はアノード１０１内で、それぞれ圧力低下に影響を与えることができる。所定の直径を有する流路の場合、長さが増加すると圧力低下が増加するために、寄生電力消費が増加する。そして、燃料又は酸化剤が、流路の全長を通って意図するように流れるのには、圧力が不十分である場合がある。例えば、流路の寸法が比較的小さい場合、圧力低下は比較的大きい。従って、必要な、又は望ましい流動特性を得るために、流路全域にわたる圧力低下を制御することができる。一実施形態では、流路１１１又は流路１０８は、１．５ｋＰａ以下、例えば、１ｋＰａ以下、又は更に０．５ｋＰａ以下等の圧力低下を有し得る。一実施形態では、流路１１１又は流路１０８は、少なくとも０．０１ｋＰａの圧力低下を有し得る。
一実施形態では、カソード１０９は、カソードバルク層１１０及びカソード機能層１０４を含むことができる。カソードバルク層１１０は、カソード機能層１０４より、より大きな割合の気孔率を有すことができる。カソードバルク層１１０の気孔は、カソード１０９を通り、セルの電気化学反応が生じる電解質１０３へ向かう流体（例えば、空気又は酸素）の輸送を促進できる。カソード機能層１０４の気孔は、カソード１０９と電解質層１０３の界面における３相境界（ＴＰＢｓ）において、より大きな気孔率を提供する助けができる。ＴＰＢｓは、電解質、ガス、及び電気的に接続された触媒領域が接触し、並びに燃料電池の酸素還元反応及び水素酸化反応が生じる、制限された空間的場所である。そのために、一実施形態によれば、カソード機能層１０４は、カソードバルク層１１０と電解質１０３との間に配置され、及び直接接触していることができる。
一実施形態では、カソードバルク層１１０は、開気孔率及び閉気孔率を含めた固有の総気孔率を有すことができる。気孔率は、アルキメデスの原理に基づいて計算ができる。特定の一実施形態において、総気孔率の大部分は、燃料がカソードバルク層１１０を通って電解質１０３へ横断できるように、相互接続された気孔のネットワークを形成する開気孔である。２５体積％未満の総気孔率では、気孔の相互接続は不十分となり、一方で、５０％より高い総気孔率では、カソードバルク層１１０の構造の完全性は不十分となる。一実施形態では、カソードバルク層１１０は、少なくとも２５体積％、例えば、少なくとも３０体積％、又は更に少なくとも４０体積％の総気孔率を有すことができる。非限定的一実施形態では、カソードバルク層１１０は、５０体積％以下、例えば４０体積％以下の総気孔率を有し得る。当業者は、本明細書の説明から、カソードバルク層１１０は上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、２５体積％〜４０体積％の範囲内等、の総気孔率を有すことができることを、理解するであろう。
一実施形態では、カソード機能層１０４は、少なくとも１０体積％、例えば、少なくとも１５体積％、又は更に少なくとも２０体積％の総気孔率を有すことができる。非限定的一実施形態では、カソード機能層１０４は、３５体積％以下、例えば２５体積％以下、又は更には２０体積％以下等、の総気孔率を有し得る。カソード機能層１０４は、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、１５体積％〜２５体積％の範囲等、の総気孔率を有すことができる。
一実施形態では、カソードバルク層１１０はカソード１０９の厚さの大部分を含み、及びカソード機能層１０４は、厚さの僅かな一部分を含むことができる。特定の一実施形態では、カソードバルク層１１０は、カソード１０９の全厚さの少なくとも９０％、例えば、少なくとも９５％、又は更に少なくとも９９％等、を含むことができる。カソード機能層１０４はカソード１０９の厚さの１０％以下、例えば、カソード１０９の全厚さの５％以下、又は更には１％以下等、の厚さを含み得る。特定の一実施形態では、カソード機能層１０４は、少なくとも１５ミクロン、及び５０ミクロン以下の厚さを有すことができる。カソード機能層１０４が、あまりにも薄い（即ち、厚さ１５ミクロン未満）場合、カソード機能層１０４の体積は、電気化学的活性度に対して十分ではない。しかし、カソード機能層１０４があまりにも厚い（即ち、５０ミクロンより厚い）場合、厚さにより、カソード機能層１０４を通るガスの拡散が妨げられる。
一実施形態では、カソードバルク層１１０を、直接カソード機能層１０４に接合できる。別の実施形態では、カソードバルク層１１０を、カソード接合層１０７により、カソード機能層１０４に接合できる。カソード接合層１０７は、ＳＯＦＣ１００の動作温度範囲にわたって、電気的接続、ガス透過性、機械的強度、熱安定性などの特性を含むことができる。例えば、カソード接合層１０７は、カソードバルク層１１０を直接カソード機能層１０４に接合することにより、カソードバルク層１１０とカソード機能層１０４との間の電気的接触及び導電率を改善することができる。それによって、カソード接合層１０７は、カソードバルク層１１０とカソード機能層１０４との間の寸法公差を改善することができ、ＳＯＦＣ１００の物理的な完全性（すなわち、機械的強度）を向上させる。カソード接合層１０７は、少なくとも１５ミクロン、例えば、少なくとも２０ミクロン、又は少なくとも２５ミクロン等、の厚さを含むことができる。非限定的一実施形態では、カソード接合層１０７は、３００ミクロン以下、例えば、２００ミクロン以下、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、又は３０ミクロン以下等、の厚さを含み得る。当業者は、本明細書の説明により、カソード接合層１０７は、上記の任意の最小値、又は最大値の範囲内、例えば、１５ミクロン〜３０ミクロン等の範囲内の厚さを有すことができることを、理解するであろう。特定の一実施形態では、カソード接合層１０７は、カソード機能層１０４と同じ厚さを有すことができる。カソード接合層１０７は、様々な材料を含むことができ、そしてカソード接合層１０７は、それが接合している層（例えば、カソード層及び相互接続層）と共通の材料を含んでも、又は含まなくてもよい。しかし、カソードバルク層１１０又はカソード機能層１０４と共通な材料を含むことによって、カソード接合層１０７は、隣接する層と同様のＣＴＥを有し、従って、カソード１０９全体の熱安定性を提供できる。例えば、カソード接合層１０７は、マンガン酸ランタンストロンチウム（ＬＳＭ）材料、クロム酸ランタン材料、コバルト酸ランタンストロンチウム（ＬＳＣ）材料、又はそれらの組み合わせを含むことができる。
本明細書に記載の実施形態において、様々なカソード材料を使用できる。例えば、カソード１０９は、ドープされたマンガン酸ランタン材料から作製できる。ドープされたマンガン酸ランタン材料は式、（Ｌａ１−ｘＡｘ）ＹＭｎＯ３、（式中、ドーパント材料は、「Ａ」によって示され、ペロブスカイト結晶構造のＡサイトにおいて、材料内でランタン（Ｌａ）と置換される）で表される一般的な組成を有すことができる。ドーパント材料は、元素、例えば、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｚ、又はその任意の混合物を含むことができる。特定の一実施形態によれば、ドーパントはＳｒであり、及びカソード１０９は、一般にＬＳＭとして知られているマンガン酸ランタンストロンチウム材料を含み得る。特定の一実施形態では、カソード１０９は、実質的にＬＳＭから成ることができる。本明細書で使用される場合、用語「実質的に、（複数）から成る」又は「実質的に、（単数）から成る」「実質的に、から成っている」は、記載された材料（複数可）が、特定の物、及び、特定の材料の基本的特性に実質的に影響を与えない任意の他の材料に限定されることを意味する。ドープされたマンガン酸ランタンストロンチウム組成物（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３内のｘの値は、構造内のＬａと置換されたドーパント「Ａ」の量を表している。一実施形態によれば、ｘは約０．５以下、例えば、０．４以下、０．３以下、０．２以下、又は更には０．１以下等、である。一実施形態では、ｘの値は約０．０５を越えることができる。特定の一実施形態では、ｘの値は約０．４〜０．０５の範囲内であることができる。一実施形態では、ｙは約１．０以下であり、Ｌａ／Ｍｎの比は約１．０以下である。カソードバルク層１１０及びカソード１０９のカソード機能層１０４は、同じ又は異なる材料を含むことができる。
ＳＯＦＣの構成要素は、それらの形成又は使用の間、温度変動により生じた損傷の影響を受けやすい。具体的には、異なる組成物のセラミックスを含む、様々な構成要素を形成するのに使用される材料は、別個の、ＳＯＦＣ物品の破壊及び故障を生じることがある材料特性、化学的特性、及び電気的特性を示す。例えば、等量の酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含むアノード材料は、約１２．５×１０−６℃−１の平均ＣＴＥを有すことができ、及び、ＬＳＭを含むカソード材料は、約１２．２×１０−６℃−１〜約１２．４×１０−６℃−１の平均ＣＴＥを有すことができる。更に、ＹＳＺを含む電解質材料のＣＴＥは、一般的に約１０．５×１０−６℃−１〜約１１×１０−６℃−１の範囲内にある。ＳＯＦＣの異なる層の様々な材料のＣＴＥ間の差は、ＳＯＦＣ中に大きな熱的不整合応力を発生させる。カソード層とアノード層との間にＣＴＥ整合層を使用することは、使用しなければ不整合なＣＴＥで生じる場合もあるＳＯＦＣ層の湾曲の発生を減少させることができる。アノード及びカソードの両方が比較的厚い燃料電池は、アノード又はカソードに隣接する構成要素間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の不整合の影響を特に受けやすく、そしてそれは特に７８０℃〜９５０℃の動作温度で、燃料電池の故障に繋がることがある。
ＳＯＦＣ構成要素の応力の発生は、２つ以上の構成要素間にＣＴＥの何らかの不整合があるのならば、焼結温度（例えば、１３００〜１４００℃）から室温へ冷却される時に、特に２つ以上のＳＯＦＣ構成要素（例えば、層）が一緒に焼結される場合に、起こり得る。構成要素間にＣＴＥの相当な不整合がある場合、任意の温度変化（特に、あまりにも急激な温度変化）は破損を引き起こし、その結果ＳＯＦＣの故障を生じ得る。実施形態のカソード１０９の非常に厚い厚さのため、応力の大部分は、扁平円筒形アノード１０１のＣＴＥとカソード１０９、特にカソードバルク層１１０のＣＴＥとの間の不整合により生成され得る。対照的に、比較的に薄い（例えば、３０ミクロン〜１００ミクロン）カソード、例えば従来のアノード支持燃料電池のカソードの選択では、このような考察はこのような薄いカソード厚みにおいて必須ではないので、一般的にカソード材料のＣＴＥ特性に基づいていない。例えば、比較的薄いカソードは、一般的に、ＳＯＦＣの他の層に悪影響（例えば、ひびを入れる又はゆがめる）を及ぼす程には十分に大きく膨張しない、又は収縮しない。
一実施形態によれば、ＳＯＦＣ１００の１つ又は複数の他の層と、特に扁平円筒形アノード１０１の他の層と、整合がよくとれたＣＴＥを有するように、カソード１０９を選択できる。扁平円筒形アノード１０１とカソード１０９との間のＣＴＥ不整合は、次の式、［（ＣＴＥａ−ＣＴＥｄ）／ＣＴＥａ］×１００％、（式中、ＣＴＥａはアノードのＣＴＥであり、ＣＴＥｃはカソードのＣＴＥである）に基づいて決められる。特定の一実施形態では、ＣＴＥ不整合は、約５％以下、例えば、約４％以下、約３％以下、約２％以下、又は更に約１％以下であってもよい。特定の一実施形態では、ＣＴＥ不整合は少なくとも約０．００１％であってもよい。
一実施形態では、カソード接合層１０６を、カソードを別のサブセルから相互接続１０５へ接合するために用いることができる。一般に、接合層は多孔質であり、接合層１０６と相互接続１０５との間の界面における高い酸素分圧を可能にするように、薄い必要がある。カソード接合層は、相互接続１０５と、それに接合される隣接するカソードとの間の電気接点を改善することができる。カソード接合層１０６は、ＳＯＦＣ１００の物理的な完全性を向上させるように、相互接続１０５と隣接するカソードとの間の寸法公差も改善することができる。カソード接合層１０６は、様々な材料を含むことができ、そしてカソード接合層１０７は、それが接合している層（例えば、カソード層及び相互接続層）と共通の材料を含んでも、又は含まなくてもよい。例えば、カソード接合層１０６は、マンガン酸ランタンストロンチウム（ＬＳＭ）材料、クロム酸ランタン材料、コバルト酸ランタンストロンチウム（ＬＳＣ）材料、又はそれらの組み合わせを含むことができる。カソード接合層１０６は、少なくとも１５ミクロン、例えば、少なくとも２５ミクロン、少なくとも５０ミクロン、少なくとも１００ミクロン、少なくとも２００ミクロン、少なくとも３００ミクロン等、の厚さを含むことができる。非限定的一実施形態では、カソード接合層１０６は、３００ミクロン以下の厚さを有し得る。当業者は、本明細書の説明により、カソード接合層１０６は、上記の任意の最小値、又は最大値の範囲内、例えば、１５ミクロン〜３００ミクロン、又は１００ミクロン〜３００ミクロン内の厚さを有すことができることを、理解するであろう。
図１にも示すように、ＳＯＦＣ１００は扁平円筒形アノード１０１を含むことができる。一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は、少なくとも０．６ｍｍの厚さを含むことができる。本明細書に記載のアノード１０１が流体の送達のための流路を含むことができる一実施形態では、アノード１０１の最小厚さは、厚さ方向における流路の寸法（例えば、図１に示す断面方向から見る、流路の直径又は高さ）よりも、少なくとも０．１ｍｍ厚いことが望ましい。例えば、アノード１０１の最小厚さは、厚さ方向における流路の寸法よりも、少なくとも０．５ｍｍ厚く、又は更に少なくとも１．０ｍｍ厚くてもよい。このような最小厚さは、流路を内部に有する扁平円筒形アノード１０１において、構造の完全性が維持されることを確実にするのに、役立つことができる。更に、アノード１０１は、イオン／電気抵抗を不必要に増加させないように５．０ｍｍを越える厚さを持たないことが好ましい。従って、非限定的一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は５．０ｍｍ以下、例えば４ｍｍ以下、３ｍｍ以下、２ｍｍ以下、又は更に１．５ｍｍ以下等の厚さを含み得る。当業者は、本明細書の説明から、扁平円筒形アノード１０１は、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内の厚さを有すことができる。例えば、特定の一実施形態では、扁平円筒形アノードは、０．６ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の厚さを有すことができる。
或る実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は、少なくとも部分的に外部表面１０２によって画成される形状を有すことができる。例えば、外部表面１０２は、扁平円筒形アノード１０１のある部分において実施的に平坦であり、扁平円筒形アノード１０１の他の部分において実質的に丸みを帯びていることができる。一実施形態では、外部表面１０２は、相互接続１０５と接触する扁平円筒形アノード１０１の一部において、実質的に平坦であることができる。一実施形態では、概ね図１に示すように、外部表面１０２は、扁平円筒形アノード１０１の両端において、実質的に丸みを帯びていることができる。丸みを帯びた両端は、電解質１０３が、扁平円筒形アノード１０１の端に沿ってより均一な厚みを有すことに役立ち得る。
一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は流体（例えば、燃料等）を、外部供給源からＳＯＦＣ１００へ送達する流路１０８を含むことができる。流路１０８は、本明細書でカソード流路１１１に関して考察されたような形状及び寸法を含むことができる。
扁平円筒形アノード１０１は、特定の気孔率を含むことができる。総気孔率は、開気孔率及び閉気孔率の両方を含むことができる。特定の一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１の気孔の大部分は、流体（例えば、燃料等）がアノード１０１を通って電解質１０３へ横断できるように、相互接続されたネットワークを形成する、開気孔である。２５体積％未満の総気孔率では、気孔の相互接続は不十分となり、一方で、６０％より高い総気孔率では、扁平円筒形アノード１０１の構造の完全性は不十分となる。従って、一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は、少なくとも２５体積％、例えば、少なくとも３０体積％、又は更に少なくとも４０体積％の総気孔率を、有すことができる。非限定的一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は、５０体積％以下、例えば４０体積％以下の総気孔率を有し得る。当業者は、本明細書の説明から、扁平円筒形アノード１０１は、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内、例えば、２５体積％〜４０体積％の範囲内等、の総気孔率を有す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において、様々なアノード材料を使用できる。アノード材料の特定の例は、Ｎｉサーメットを含む材料である。「Ｎｉサーメット」は一般に、Ｎｉ、例えば、約２０ｗｔ％〜７０ｗｔ％のＮｉ等、を含むセラミック金属複合材料を指す。Ｎｉサーメットの例は、Ｎｉ（又はＮｉＯ）及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む材料である。一実施形態では、ＹＳＺは、３ｍｏｌ％〜１５ｍｏｌ％の範囲のＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２を含むことができる。特定の一実施形態では、ＹＳＺは８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３（８ＹＳＺ）を含むことができる。特定の一実施形態では、扁平円筒形アノード１０１は、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＹＳＺ、又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、ＳＯＦＣ１００は電解質層１０３を含むことができる。電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の一部の上に配置できる。特定の一実施形態では、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０３の外部表面１０２の少なくとも５０％の上に配置できる。例えば、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０３の外部表面１０２の少なくとも６０％、例えば、少なくとも６５％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、又は更に少なくとも９５％等、の上に配置できる。特定の一実施形態では、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の９５％以下の上に配置し得る。例えば、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０３の外部表面１０２の９０％以下、例えば、８５％以下、８０％以下、７５％以下、７０％以下、６５％以下、６０％以下、又は更には５０％以下等、の上に配置し得る。当業者は、本明細書の説明から、電解質層１０３を、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内で、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２上に配置できる。特定の一実施形態では、図１に示されるように、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の丸みのある部分の少なくとも１つの上に配置できる。特定の一実施形態では、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０１の１つ又は複数の平坦な部分上にだけ配置できる。ある実施形態では、電解質層１０３を、扁平円筒形アノード１０１とカソード１０９との間にだけ配置できる。
様々な電解質材料を、電解質層１０３に使用できる。例えば、使用できる電解質材料として、ＺｒＯ２系材料、例えば、Ｓｃ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープＺｒＯ２、又はＹｂ２Ｏ３ドープＺｒＯ２等、ＣｅＯ２系材料、例えば、Ｓｍ２Ｏ３ドープＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３ドープＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープＣｅＯ２、又はＣａＯドープＣｅＯ２等、Ｌｎガレート系材料（Ｌｎ＝ランタニド、例えばＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ、又はＳｍ等）、例えば、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅをドープしたＬａＧａＯ３、又はそれらの混合物（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．１５ＣＯ０．０５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７若しくはＬａ０．９Ａ０．１Ｇａ３、ここでＡはＳｒ、Ｃａ若しくはＢａ）、又はそれらの任意の混合物を挙げることができる。別の例として、ドープされたジルコン酸イットリウム（例えば、ＹＺｒ２Ｏ７）、ドープされたチタン酸ガドリニウム（例えば、Ｇｄ２Ｔｉ２Ｏ７）、ブラウンミレライト（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ６又はＢａ２Ｉｎ２Ｏ５）等を、挙げることができる。
電解質層１０３には、任意の適切な厚さを使用できる。例えば、電解質層１０３の厚さは少なくとも５ミクロン、例えば、少なくとも１０ミクロン、少なくとも３０ミクロン、少なくとも５０ミクロン、少なくとも８０ミクロン、又は更に少なくとも１００ミクロン等、の厚さであることができる。非限定的一実施形態では、電解質層１０３の厚さは、１２０ミクロン以下、例えば、１００ミクロン以下、８０ミクロン以下、５０ミクロン以下、３０ミクロン以下、又は更に１０ミクロン以下であり得る。特定の一実施形態では、電解質層１０３の厚さは、約５ミクロン〜約２０ミクロン、例えば、約５ミクロン〜約１０ミクロン等、の範囲であることができる。別の特定の一実施形態では、電解質層１０３の厚さは約１００ミクロンよりも厚い。
電解質層１０３による、扁平円筒形アノード１０１における燃料ガスの分離、及びカソード１０９における酸化ガスの分離は、酸素分圧勾配をもたらす。この勾配は、酸素イオンが電解質層１０３を横切って輸送されるのを可能にし、扁平円筒形アノード１０１における燃料との反応を可能にする。アノード１０１、カソード１０９、及び電解質１０３は共にサブセルを形成できる。同様に、別の扁平円筒形アノード、カソード、及び電解質は、別のサブセルを形成できる。本明細書に記載の実施形態に係わる２つ以上のサブセルでは、１つのサブセルを別のサブセルの上に積み重ねることができる。例えば、図２に示すように、ＳＯＦＣ２０１及びＳＯＦＣ２０３は、ＳＯＦＣ２０１とＳＯＦＣ２０３との間に配置された相互接続２０２を有するスタック２００を形成できるサブセルである。サブセル同士を直列に接続するために、電気的導電性相互接続層を、１つのサブセルのアノード層と、隣接するサブセルのカソード層との間に形成することができ、各サブセルが生成する電気を結合することができる。一実施形態では、カソード接合層２０４は、ＳＯＦＣ２０１の相互接続２０２と、ＳＯＦＣ２０３のカソード２０５との間に配置され得る。このパターンは複数回繰り返され、多数の個々のサブセルを有するスタックを形成し得る。
一実施形態によれば、ＳＯＦＣ１００は相互接続層１０５を含むことができる。相互接続層１０５を、扁平円筒形アノード１０１上に配置できる。特定の一実施形態では、相互接続層１０５を、扁平円筒形アノード１０１と直接接続できる。相互接続層１０５は、その全長に沿って平面状であることができる。特定の一実施形態では、相互接続層１０５を、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の少なくとも２０％、例えば、少なくとも３０％等、の上に配置できる。非限定的一実施形態では、相互接続層１０５を、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の５０％以下、例えば、４０％以下、又は３０％以下等、の上に配置し得る。当業者は、本明細書の説明から、相互接続層１０５を、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内の、扁平円筒形アノード１０１の外部表面１０２の一部の上に配置できることを、理解するであろう。
電解質層１０５を形成するために、様々な相互接続材料を使用できる。このような材料は、セラミック材料、例えば、無機材料等を含むことができる。具体的には、相互接続層１０５は酸化物材料、例えば、クロマイト、又はチタン酸塩材料を含むことができる。より詳細には、相互接続層１０５は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、カルシウム（Ｃａ）、ガリウム（Ｇａ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリア（Ｙ）、又はこれらの任意の組み合わせを含むことができる。いくつかの例では、相互接続層１０５は、酸化クロム系材料、酸化ニッケル系材料、酸化コバルト系材料、及び、酸化チタン系材料（例えば、チタン酸ランタンストロンチウム）を含むことができる。具体的には、相互接続層１０５を、材料、例えば、ＬａＳｒＣｒＯ３、ＬａＭｎＣｒＯ３、ＬａＣａＣｒＯ３、ＹＣｒＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＣａＮｉＯ３、ＣａＣｒＯ３、又は任意のその組み合わせから、製造できる。
ＬａＣｒＯ３系材料は、ＳＯＦＣの相互接続材料として広く使用されている。しかし、ＬａＣｒＯ３系材料は、緻密に焼結することが難しく、相互接続として有益な十分に緻密化した材料を得るためには、一般的に高い焼結温度を必要とする。他方、ＬＳＴ系材料は、概して、それらがＬａＣｒＯ３系材料より、より低い焼結温度でより高い密度に焼結できるという点で、優れた焼結特性を有している。従って、具体的には、相互接続層１０５は、ＬＳＴ系材料（例えば、単独で、又はＹＳＴとの組み合わせで）を含み得る。別の特定の一実施形態では、相互接続層１０５は、実質的にＬＳＴ、例えば、Ｌａ０．２Ｓｒ０．８ＴｉＯ３等から成り得る。更に別の特定の一実施形態では、相互接続１０５は、実質的に１つ又は複数のドーパント、例えば、Ｎｂ等を有するＬＳＴから成ることができる。相互接続材料は、Ａサイト欠陥材料を含み、例えば、一般的にランタン、又はストロンチウムカチオンにより占有される格子サイトは空であり、従って材料は非化学量論組成を有する。
相互接続層１０５は、材料の特に薄い平面層であることができる。例えば、相互接続層１０５は約１００ミクロン以下、約８０ミクロン以下、約５０ミクロン以下、又は更に約２５ミクロン以下の平均厚さを有し得る。更に、相互接続層１０５は、少なくとも約１ミクロン、例えば、少なくとも約２ミクロン、少なくとも約５ミクロン、少なくとも約８ミクロン、又は少なくとも約１０ミクロン等、の平均厚さを含むことができる。相互接続層１０５の平均厚さは、上記の任意の最小値又は最大値の範囲内であることができる。チタン酸塩材料を含む相互接続を用いる特定の一実施形態では、比較的に薄いチタン酸塩相互接続層は、比較的に厚いチタン酸塩相互接続層よりも、よりよく機能することが、発明者によって見出されている。任意の特定の理論に縛られることを望まないが、空気中におけるチタン酸塩の低い導電率により、比較的厚いチタン酸塩相互接続層の性能は、比較的薄いチタン酸塩相互接続層より、更に劣化する、又は、全く機能さえしない。従って、特定の一実施形態において、チタン酸塩材料を含む相互接続層１０５は、約１００ミクロン以下の最大平均厚みを有し得る。
本明細書の実施形態に係わる酸化物燃料電池を形成するために、各層を、ＳＯＦＣサブセルの各層を組み立てる前に別々に、又は、例えば、同時焼結プロセスによりサブセルの他の層と一緒に形成することができる。即ち、層をグリーン層として別々に形成し、そして一緒にサブセル又はスタックに組み立てることができる。或いは、層は互いに連続してグリーン状態で形成され、第１のグリーンの電解質層が形成される。そしてその後、グリーンの電極層がグリーンの電解質層に重ね合わせて形成され、そしてその後、グリーンの相互接続層がグリーンの電極層に重ね合わせられるように形成され得る。方法は、焼結されたＳＯＦＣセルを形成するために、単一の焼結プロセスでグリーンのＳＯＦＣを焼結することを、更に含む。
本明細書において「グリーン」物品という場合は、緻密化又は粒成長に影響する焼結工程を、受けていない材料を意味する。グリーン物品は、乾燥されて水分含有量の低い未完成の物品であり、未焼成である。グリーン物品は、それ自体及びその上に形成される別のグリーン層を支持するのに適した強度を持つことができる。
本明細書の実施形態に従って説明された層は、キャスティング、蒸着、印刷、押し出し、積層、金型プレス、ゲルキャスティング、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密成形、射出成形、又はそれらの任意の組み合わせを含む技法により、形成されることができる。
本明細書に記載の多くの実施形態は、ＳＯＦＣの別の層を構造上支持できる厚さを有するカソードを含むことができる。空気又はＯ２の送達の制御が望まれる一実施形態では、ＳＯＦＣは、形成された流路を内部に有するカソードを含むことができる。このような前述の特徴は、比較的薄い（例えば、３０ミクロンから１００ミクロンの範囲）カソードを有する従来のアノード支持セルでは可能性がない。このような薄いカソードは、一般的に、空気又は酸素をＳＯＦＣに積極的に供給するための流路が、カソード内部に形成できる程には、十分に厚くない。その代わりに、従来のアノード支持燃料電池のカソードは、一般的にＳＯＦＣ構造全体の周囲に空気又は酸素を供給する密閉容器内に配置されることにより、空気又は酸素を環境から受動的に受け取る。従来のアノード支持燃料電池の薄いカソードを横切って、空気又は酸素を供給するために、拡散だけが使用され、そしてそれは、セルの出力密度を制限しうる。更に、このような薄いカソードは、一般的に、ＳＯＦＣの構造を支持できる程には十分に厚くなく、支持するには比較的厚いアノード構造に頼らなければならない。更に、一実施形態のカソードは、高い劣化及び低温制限問題の傾向も示すいくつかの従来型のアノード支持セルにおいて、セルとセルとの接続のために使用されるＣｒフェルト集電体を置き換えるのに役に立つことができる。
アイテム
アイテム１：
扁平円筒形アノードと、カソードバルク層を含むカソードと、扁平円筒形アノードとカソードとの間に配置された電解質と、を備える、固体酸化物燃料電池。
アイテム２：
扁平円筒形アノードと、流路を含むカソードと、扁平円筒形アノードとカソードとの間に配置された電解質と、を備える、固体酸化物燃料電池。
アイテム３：
扁平円筒形アノードと、少なくとも０．６ｍｍの厚さを含むカソードと、扁平円筒形アノードとカソードとの間に配置された電解質と、を備える、固体酸化物燃料電池。
アイテム４：
扁平円筒形アノードは熱膨張率（ＣＴＥａ）を有し、及びカソードは熱膨張率（ＣＴＥｃ）を有し、ＣＴＥ不整合は、式［（ＣＴＥａ−ＣＴＥｃ／ＣＴＥａ］×１００％で定義され、ＣＴＥ不整合は５％以下である、アイテム１〜３のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム５：
カソードは、１０．０×１０−６℃−１〜１２．５×１０−６℃−１の範囲の熱膨張係数を含む、アイテム１〜４のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム６：
カソードは、厚さ（Ｔｈｃ）を有し、扁平円筒形アノードは、厚さ（Ｔｈａ）を有し、（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は０．５０〜１．５０の範囲にある、アイテム１〜５のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム７：
カソードは、０．６ｍｍ〜５ｍｍの範囲の厚さを含む、アイテム１〜６のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム８：
カソードは、流路を含む、アイテム１〜７のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム９：
カソードの流路は、少なくとも０．５ｍｍの直径を有する、アイテム１〜８のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１０：
カソードの流路は、２ｍｍ以下の直径を有する、アイテム１〜９のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１１：
カソードは、実質的に平面状である、アイテム１〜１０のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１２：
カソードは、カソードバルク層及びカソード機能層を含む、アイテム１〜１１のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１３：
カソードはＬＳＭを含む、アイテム１〜１２のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１４：
扁平円筒形アノードは、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＹＳＺ、又はそれらの組み合わせを含む、アイテム１〜１３のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１５：
扁平円筒形アノード上に配置された相互接続を更に備える、アイテム１〜１４のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１６：
電解質は、アノードの丸みを帯びた部分に接触している、アイテム１〜１５のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１７：
２つ以上の固体酸化物燃料電池は、１つのセルが別のセルの上に積み重ねられている、アイテム１〜１６のいずれか１つに記載の２つ以上の固体酸化物燃料電池を備える固体酸化物燃料電池スタック。
アイテム１８：
第１の固体酸化物燃料電池の相互接続と第２の固体酸化物燃料電池のカソードとの間に配置されたカソード接合層を更に備える、アイテム１７に記載の固体酸化物燃料電池。
アイテム１９：
カソード接合層はＬＳＭを含む、アイテム１８に記載の固体酸化物燃料電池。
一般的な説明又は実施例において上で説明された活動の全てが必要であるとは限らず、特定の活動の一部が必要でなくてもよく、説明された活動に加えて１つ又は複数のさらなる活動が行われてもよい。更に、活動が列挙される順序は、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、及び問題に対する解決策は、特定の実施形態に関して上述されている。しかし、任意の恩恵、利点、又は解決策を生じる、若しくはより顕著になり得る恩恵、利点、問題に対する解決策、及び任意の特徴は、任意の、又は全ての特許請求の範囲における重要な、必須の、又は本質的な特徴と解釈されるべきではない。
本明細書で説明される実施形態の仕様及び例示は、様々な実施形態の構造を一般的に理解することを意図している。本明細書及び例示は、本明細書に記載の構造又は方法を使用する装置及びシステムの、全ての構成要素及び特徴の、網羅的及び包括的な説明として役立つことを意図しない。別の実施形態の文脈において本明細書に記載のいくつかの特徴は、明確にするために、単一の実施形態の組み合わせにおいても提供され得る。反対に、単一の実施形態の文脈において説明される様々な特徴は、簡潔のために、別々に、又は部分的な組み合わせでも提供され得る。更に、範囲内において述べられた値の参照は、その範囲内の各々の及び全ての値を含む。この明細書を読んだ後、当業者は、多くの他の実施形態を、理解することができる。別の実施形態は、構造上の置換、論理の置換、又は他の変更は、本開示の範囲から離れることなく行われ得るように、開示から使用され、及び導出される。従って、開示は、制限的と言うよりも、むしろ例示的として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ながら説明されてきたが、当業者が想達するであろうように、このような実施形態への変更及び追加を、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、なされ得る。

Claims (15)

  1. 扁平円筒形アノードと、
    カソードバルク層を含むカソードと、
    前記扁平円筒形アノードと前記カソードとの間に配置された電解質と、
    を備える、固体酸化物燃料電池。
  2. 扁平円筒形アノードと、
    流路を含むカソードと、
    前記扁平円筒形アノードと前記カソードとの間に配置された電解質と、
    を備える、固体酸化物燃料電池。
  3. 扁平円筒形アノードと、
    少なくとも０．６ｍｍの厚さを含むカソードと、
    前記扁平円筒形アノードと前記カソードとの間に配置された電解質と、
    を備える、固体酸化物燃料電池。
  4. 前記扁平円筒形アノードは熱膨張率（ＣＴＥａ）を有し、及び前記カソードは熱膨張率（ＣＴＥｃ）を有し、ＣＴＥ不整合は、式［（ＣＴＥａ−ＣＴＥｃ／ＣＴＥａ］×１００％で定義され、前記ＣＴＥ不整合は５％以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  5. 前記カソードは、１０．０×１０−６℃−１〜１２．５×１０−６℃−１の範囲の熱膨張率を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  6. 前記カソードは、厚さ（Ｔｈｃ）を有し、前記扁平円筒形アノードは、厚さ（Ｔｈａ）を有し、（Ｔｈｃ）／（Ｔｈａ）比は０．５０〜１．５０の範囲にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  7. 前記カソードは、流路を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  8. 前記カソードは、実質的に平面状である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  9. 前記カソードは、カソードバルク層及びカソード機能層を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  10. 前記カソードはＬＳＭを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  11. 前記扁平円筒形アノードは、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＹＳＺ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  12. 前記扁平円筒形アノード上に配置された相互接続を更に備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  13. 前記電解質は、前記アノードの丸みを帯びた部分に接触している、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
  14. 前記２つ以上の固体酸化物燃料電池は、１つのセルが別のセルの上に積み重ねられている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の２つ以上の前記固体酸化物燃料電池を備える固体酸化物燃料電池スタック。
  15. 第１の固体酸化物燃料電池の前記相互接続と第２の固体酸化物燃料電池のカソードとの間に配置されたカソード接合層を更に備える、請求項１４に記載の固体酸化物燃料電池。
JP2016571351A 2014-06-05 2015-05-27 扁平円筒形アノードを有する燃料電池 Pending JP2017522691A (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462008206P 2014-06-05 2014-06-05
US62/008,206 2014-06-05
PCT/US2015/032561 WO2015187416A1 (en) 2014-06-05 2015-05-27 Fuel cell having flat-tubular anode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017522691A true JP2017522691A (ja) 2017-08-10

Family

ID=54767192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016571351A Pending JP2017522691A (ja) 2014-06-05 2015-05-27 扁平円筒形アノードを有する燃料電池

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3152794A4 (ja)
JP (1) JP2017522691A (ja)
WO (1) WO2015187416A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106450396A (zh) * 2016-11-15 2017-02-22 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 一种管状高温固体氧化物燃料电池的制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01169878A (ja) * 1987-12-10 1989-07-05 Westinghouse Electric Corp <We> 高温固体電解質燃料電池発電装置
JPH0722046A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Fujikura Ltd 固体電解質型燃料電池式発電炉のガス圧の調整方法
JP2005071982A (ja) * 2003-08-25 2005-03-17 Korea Inst Of Energy Research 燃料極支持体式平管型固体酸化物燃料電池スタック及びその製造方法
JP2008135360A (ja) * 2006-10-24 2008-06-12 Ngk Insulators Ltd 固体酸化物型燃料電池の単セル用の薄板体
JP2011054549A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 固体酸化物燃料電池の構造
JP2012514311A (ja) * 2008-12-31 2012-06-21 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド Ｓｏｆｃカソードおよび同時焼成される電池およびスタックのための方法
JP2012252963A (ja) * 2011-06-06 2012-12-20 Japan Fine Ceramics Center 固体酸化物形燃料電池用スタック構造体及びその製造方法
WO2014208448A1 (ja) * 2013-06-28 2014-12-31 京セラ株式会社 セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7014934B2 (en) * 2003-03-18 2006-03-21 Ford Motor Company Tubular flat plate fuel cells and method of making the same
US8278013B2 (en) * 2007-05-10 2012-10-02 Alan Devoe Fuel cell device and system
KR101006467B1 (ko) * 2008-01-31 2011-01-06 포항공과대학교 산학협력단 고체산화물 연료전지용 전극 지지체와 일체형 단위 셀 및그 제조 방법
KR101255890B1 (ko) * 2010-09-03 2013-04-17 삼성전기주식회사 고체산화물 연료전지
WO2012068297A2 (en) * 2010-11-16 2012-05-24 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Substantially flat single cells for sofc stacks
CN102412408B (zh) * 2011-09-16 2014-01-29 西安交通大学 一种sofc电解质表面微凸结构的制备方法及其产品
US9431667B2 (en) * 2012-02-02 2016-08-30 Ford Global Technologies, Llc Cathode channel shutoff in a fuel cell
KR101418071B1 (ko) * 2012-04-06 2014-07-10 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 셀 스택
KR101341969B1 (ko) * 2012-10-15 2013-12-16 한국에너지기술연구원 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01169878A (ja) * 1987-12-10 1989-07-05 Westinghouse Electric Corp <We> 高温固体電解質燃料電池発電装置
JPH0722046A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Fujikura Ltd 固体電解質型燃料電池式発電炉のガス圧の調整方法
JP2005071982A (ja) * 2003-08-25 2005-03-17 Korea Inst Of Energy Research 燃料極支持体式平管型固体酸化物燃料電池スタック及びその製造方法
JP2008135360A (ja) * 2006-10-24 2008-06-12 Ngk Insulators Ltd 固体酸化物型燃料電池の単セル用の薄板体
JP2012514311A (ja) * 2008-12-31 2012-06-21 サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド Ｓｏｆｃカソードおよび同時焼成される電池およびスタックのための方法
JP2011054549A (ja) * 2009-08-31 2011-03-17 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 固体酸化物燃料電池の構造
JP2012252963A (ja) * 2011-06-06 2012-12-20 Japan Fine Ceramics Center 固体酸化物形燃料電池用スタック構造体及びその製造方法
WO2014208448A1 (ja) * 2013-06-28 2014-12-31 京セラ株式会社 セルユニット、セルスタック装置、セルユニット装置およびモジュール

Also Published As

Publication number Publication date
EP3152794A1 (en) 2017-04-12
WO2015187416A1 (en) 2015-12-10
EP3152794A4 (en) 2017-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8455154B2 (en) Thermal shock-tolerant solid oxide fuel cell stack
JP5260052B2 (ja) 固体酸化物型燃料電池
US20070015045A1 (en) High performance anode-supported solid oxide fuel cell
US8883369B2 (en) Connected body connecting electrically between power generation parts of solid oxide fuel cells
JP5328275B2 (ja) セルスタックおよびそれを具備する燃料電池モジュールならびに燃料電池装置
KR101177621B1 (ko) 고체산화물 연료전지 단위셀의 제조방법
JP5171159B2 (ja) 燃料電池セルおよび燃料電池セルスタック、ならびに燃料電池
JP5116184B1 (ja) 燃料電池の構造体
US9954232B2 (en) Fuel cell
JP5289190B2 (ja) 燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP5247051B2 (ja) 燃料電池セルおよび燃料電池セルスタック、ならびに燃料電池
KR101287286B1 (ko) 경사형 유로를 갖는 평관형 고체 산화물 연료전지 모듈
JP2013012397A (ja) 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュール
JP6180628B2 (ja) 多孔質のガス誘導チャネル層を備えた高温型単電池
JP6311015B2 (ja) 高密度バリア層を有する固体酸化物燃料電池
KR20160058275A (ko) 금속지지형 고체산화물 연료전지 및 그 제조 방법
JP2017522691A (ja) 扁平円筒形アノードを有する燃料電池
KR20150028545A (ko) 지지체식 전기화학셀의 제조방법 및 이에 의해 제조된 전기화학셀
JP4925574B2 (ja) 燃料電池セル及び燃料電池
KR20110022911A (ko) 평관형 고체 산화물 연료전지 모듈
JP4794233B2 (ja) 中空平板型燃料電池セル及び燃料電池
JP5646785B1 (ja) 燃料電池
JP2012114033A (ja) 燃料電池用支持体、燃料電池セル、燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
US20220393216A1 (en) Electrochemical cell and electrochemical cell stack
JP4021782B2 (ja) 燃料電池セル

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20171213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171219

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20180319

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180531

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20181009

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20190510