JP2019509615A - カソード機能層を有する固体酸化物燃料電池 - Google Patents

カソード機能層を有する固体酸化物燃料電池 Download PDF

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Abstract

種々の実施形態では、固体酸化物燃料電池は、カソードと固体電解質との間の界面抵抗を低減させるための機能層を特徴とする。本発明の種々の実施形態によると、ＳＯＦＣは、電解質とカソードとの間に薄い機能層を組み込み、電解質とカソードとの間の界面抵抗を低減させる。いかなる特定の動作理論にも拘束されることを所望するわけではないが、本発明者らは、本発明の実施形態による機能層が、カソードと固体電解質との間の界面における接合および／または粘着を改良し、それによって、ＳＯＦＣ内での酸素イオン輸送を促進させると考える。

Description

（関連出願）
本願は、２０１６年３月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／３１０，３５８号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の開示は、参照により本明細書中に援用される。
（政府支援）
本発明は、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｇｅｎｃｙ−Ｅｎｅｒｇｙ （ＡＲＰＡ−Ｅ）によって供与された認可番号ＤＥＡＲ００００４９４のもとでの米国政府の支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
種々の実施形態では、本発明は、固体酸化物燃料電池に関し、より具体的には、カソード側の機能中間層を伴う固体酸化物燃料電池に関する。
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素または炭化水素燃料に蓄えられる化学エネルギーを、電気エネルギーに直接的に転換させることが可能である、高効率で環境にやさしい電気化学的デバイスである。ＳＯＦＣ動作の間、酸素イオンは、高密度の電解質を通してカソードからアノードに移動する。アノードにおいて、酸素イオンは、燃料を酸化させ、外部回路を通して指向され得る電子の生成をもたらす。ＳＯＦＣは、例えば、オフグリッドおよび可搬式発電のために使用されてもよい。
ＳＯＦＣは、他のタイプの燃料電池に対して多数の利点を有するが、多数の従来のＳＯＦＣは、高温（例えば、８００℃またはそれを上回る温度）で動作し、電池構成要素の劣化、より長い起動時間、および高い保守コストをもたらし得る。より低い温度での動作は、これらの課題のうちの多数に対処するであろうが、より低い温度における動作はまた、動作上の難題をもたらす。例えば、電解質およびカソード抵抗内の内部損失は、典型的には、より低い温度における動作の間、より高い。したがって、低温動作の間改良された性能を有するＳＯＦＣ構造の必要性がある。
本発明の種々の実施形態によると、ＳＯＦＣは、電解質とカソードとの間に薄い機能層を組み込み、電解質とカソードとの間の界面抵抗を低減させる。いかなる特定の動作理論にも拘束されることを所望するわけではないが、本発明者らは、本発明の実施形態による機能層が、カソードと固体電解質との間の界面における接合および／または粘着を改良し、それによって、ＳＯＦＣ内での酸素イオン輸送を促進させると考える。本発明の実施形態による例示的な機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリア（Ｃｏ−ＧＤＣ、例えば、Ｃｏ−Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）と、コバルトドープサマリウムドープセリア（Ｃｏ−ＳＤＣ、例えば、Ｃｏ−Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ１．９）とを含む。機能層は、固体電解質およびカソード材料と直接接触して配置されてもよく、機能層は、例えば、湿式化学またはソリッドステート技術を利用して加工されてもよい。
本発明の実施形態による機能層はまた、ＳＯＦＣ動作のための１つまたはそれを上回る付加的な利点を提供し得る。例えば、種々の機能層（例えば、Ｃｏ−ＧＤＣ）は、高いイオン輸送率（すなわち、イオン輸送を介して搬送されるその総電流搬送能力の割合）を有し、したがって、ＧＤＣ等の混合伝導性電解質（すなわち、イオンおよび電子的導体の両方である電解質）と利用されるとき、ＳＯＦＣ内の電子伝導を遅延、ブロック、または実質的に最小限化させるために利用されてもよい。この電子伝導の低減は、例えば、ＳＯＦＣの開回路電圧を有利に改良し得る。
さらに、本発明の実施形態による機能層は、高い酸素交換係数を有し、それによって、より急速な表面酸素吸着および脱着、したがって、より急速な酸素格子の取り込みを可能にし得る。したがって、機能層は、カソードと電解質との間の界面における質量輸送を改良し、電解質の中への酸素導入に対する界面抵抗を低減させ、ＳＯＦＣ性能を向上させ、ＳＯＦＣの特定面積の抵抗を減少させ得る。そのうえ、本発明の実施形態による機能層の増加される酸素交換係数は、より低い温度でのＳＯＦＣ動作を有利に可能にする。例えば、種々の機能層内での酸素表面交換は、約４００℃程度の低い温度において生じ、例えば、約４００℃〜約７５０℃、またはさらに約４００℃〜約５５０℃の範囲に及ぶ温度におけるＳＯＦＣ動作を可能にし得る。本発明の種々の実施形態によると、高酸素表面係数は、機能層内の結晶粒界に向かったまたはそれにおける凝集作用、すなわち、機能層の１つまたはそれを上回る要素（例えば、Ｃｏ等のドーパント）の再分布によって可能にされ、それによって、機能層内にドーパントが豊富な相を形成する。
加えて、本発明の実施形態による種々の機能層内の組成要素および／または種は、より低い温度において機能層の増加される高密度化を可能にする焼結助剤として作用する。例えば、Ｃｏ−ＧＤＣは、９００℃程度の低い温度において高密度化され得る一方、ＧＤＣは、高密度化のために約１４００℃の温度を要求する。より低い温度において機能層を高密度化させるための能力は、ＳＯＦＣ内の他の材料に関して、より多種多様な材料適合性オプションを維持し（例えば、層の間の材料反応を回避するための化学的適合性のためのカソードおよび電極材料を用いて）、また、層の間で異なる熱膨張係数によって結果として生じる熱誤整合課題（すなわち、異なる収縮および／または膨張に起因して、例えば、加工および／または動作の間、温度循環の間に生じ得る、応力）を最小限化させることに役立ち得る。高密度機能層の使用はまた、多孔性のまたは不十分に焼結された層の使用に起因して生じる場合があるオーム損失を最小限化または低減させ得る。最終的に、本発明の実施形態による、より低い温度において機能層を焼結するための能力はまた、ＳＯＦＣの機能層（例えば、Ｃｏまたは他の金属）から電解質の中への種々の要素の拡散を防止または低減させ、それによって、ＳＯＦＣのより高い性能を維持し得る。事実上、本発明の種々の実施形態は、電解質の第１の層（第１の電解質は、カソードにより近接する）内の移動性種（例えば、Ｃｏ等の金属）の濃度が、電解質の第２の層（第２の電解質は、アノードにより近接する）内の濃度よりも高く、電解質の第１の層が、機能層に隣接する、多層電解質を伴うＳＯＦＣを特徴とする。そのようなＳＯＦＣでは、移動性種の濃度は、依然として、機能層内でより高い（すなわち、電解質のいかなる層内よりも高い）。そのような構造は、移動性種の相互拡散に有利に耐え、それによって、高いＳＯＦＣ性能を維持し得る。
ある側面では、本発明の実施形態は、カソードと、固体電解質と、アノードと、機能層とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る固体酸化物燃料電池を特徴とする。固体電解質は、カソードからアノードに酸素イオンを伝導する。アノードにおいて、酸素イオンは、水素含有燃料と反応し、電気を生成する。機能層は、カソードと固体電解質との間に配置される。機能層は、カソードと固体電解質との間の界面抵抗（例えば、イオン伝導に対する）を低減させる。
本発明の実施形態は、以下のうちの１つまたはそれを上回るものを任意の種々の組み合わせで含んでもよい。機能層は、カソードおよび／または固体電解質と直接接触して配置されてもよい。機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアおよび／またはコバルトドープサマリウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。カソードは、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノードは、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）、および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）、ならびに固体電解質の材料（例えば、ガドリニウムドープセリア）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノードは、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）ならびにイットリア安定化ジルコニアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層の厚さは、約０．１μｍ〜約２０μｍ、約０．５μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約１２μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、または約１μｍ〜約６μｍの範囲に及んでもよい。水素含有燃料は、水素および／または炭化水素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層は、約０．１ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％、約０．２ｍｏｌ％〜約８ｍｏｌ％、または約０．５ｍｏｌ％〜約５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成の、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。機能層および固体電解質の少なくとも一部（例えば、複数の層から構成される電解質の１つまたはそれを上回る層または単一層の電解質の一部）は両方とも、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。固体電解質の少なくとも一部内の少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度は、機能層内の濃未満であってもよい。固体電解質の１つまたはそれを上回る層は、固体電解質の１つまたはそれを上回る他の部分または層内の濃度より高く、および／または機能層内の濃度未満である、少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度を有してもよい。
別の側面では、本発明の実施形態は、（ｉ）カソードと、（ｉｉ）アノードと、（ｉｉｉ）アノードとカソードとの間に配置される固体電解質と、（ｉｖ）カソードと固体電解質との間に配置される機能層とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る固体酸化物燃料電池を使用して、水素含有燃料を電気に電気化学的に転換する方法を特徴とする。酸素または酸素含有ガスは、カソードにおいてイオン化され、それによって、酸素イオンを産出する。酸素イオンは、固体電解質を通してカソードからアノードに伝導され、それによって、機能層が、カソードと固体電解質との間の界面抵抗を低減させる。酸素イオンは、アノードにおいて燃料と反応され、それによって、電気を生成する。
本発明の実施形態は、以下のうちの１つまたはそれを上回るものを任意の種々の組み合わせで含んでもよい。機能層は、カソードおよび／または固体電解質と直接接触して配置されてもよい。機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアおよび／またはコバルトドープサマリウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。カソードは、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノードは、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）ならびに固体電解質の材料（例えば、ガドリニウムドープセリア）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノードは、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）ならびにイットリア安定化ジルコニアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層の厚さは、約０．１μｍ〜約２０μｍ、約０．５μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約１２μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、または約１μｍ〜約６μｍの範囲に及んでもよい。水素含有燃料は、水素および／または炭化水素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層は、約０．１ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％、約０．２ｍｏｌ％〜約８ｍｏｌ％、または約０．５ｍｏｌ％〜約５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成の、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。機能層および固体電解質の少なくとも一部（例えば、複数の層から構成される電解質の１つまたはそれを上回る層または単一層の電解質の一部）は両方とも、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。固体電解質の少なくとも一部内の少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度は、機能層内の濃度未満であってもよい。固体電解質の１つまたはそれを上回る層は、固体電解質の１つまたはそれを上回る他の部分または層内の濃度より高く、および／または機能層内の濃度未満である、少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度を有してもよい。酸素イオンは、約３００℃〜約８００℃、約３５０℃〜約７５０℃、約４００℃〜約７５０℃、約４００℃〜約７００℃、約４５０℃〜約６５０℃、約４５０℃〜約６００℃、または約５００℃〜約６５０℃の範囲に及ぶ温度において、燃料と反応されてもよい。
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、固体酸化物燃料電池を加工する方法を特徴とする。アノード層が、提供される。固体電解質層が、アノード層にわたって配置される。機能層が、固体電解質層にわたって配置される（例えば、堆積される）。カソード層が、機能層にわたって配置され、それによって、固体酸化物燃料電池を形成する。
本発明の実施形態は、以下のうちの１つまたはそれを上回るものを任意の種々の組み合わせで含んでもよい。機能層は、カソード層および／または固体電解質層と直接接触して配置されてもよい。機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアおよび／またはコバルトドープサマリウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。カソード層は、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。固体電解質層は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、および／またはガドリニウムドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノード層は、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）ならびに固体電解質の材料（例えば、ガドリニウムドープセリア）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。アノード層は、１つまたはそれを上回る金属（例えば、ニッケル）および／または１つまたはそれを上回る金属酸化物（例えば、酸化ニッケル）ならびにイットリア安定化ジルコニアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層の厚さは、約０．１μｍ〜約２０μｍ、約０．５μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約１２μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、または約１μｍ〜約６μｍの範囲に及んでもよい。水素含有燃料は、水素および／または炭化水素を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。機能層は、約０．１ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％、約０．２ｍｏｌ％〜約８ｍｏｌ％、または約０．５ｍｏｌ％〜約５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成の、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。機能層および固体電解質層の少なくとも一部（例えば、複数の層から構成される電解質層の１つまたはそれを上回る層または単一層の電解質層の一部）は両方とも、１つまたはそれを上回る金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）を含有してもよい。固体電解質層の少なくとも一部内の少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度は、機能層内の濃度未満であってもよい。固体電解質層の１つまたはそれを上回る層は、固体電解質層の１つまたはそれを上回る他の部分または層内の濃度より高く、および／または機能層内の濃度未満である、少なくとも１つの該金属または他のドーパント（例えば、コバルト、サマリウム等）の濃度を有してもよい。
固体電解質層は、機能層が、堆積される前に、アノード層にわたって配置されてもよい。アノード層および／または固体電解質層は、テープ成形によって提供されてもよい。アノード層にわたって固体電解質層を配置するステップは、アノード層に固体電解質層を積層させるステップ（例えば、ホットプレスおよび／またはコールドプレスによって）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。固体電解質は、固体電解質層が、アノード層にわたって配置される前に提供または形成されてもよい。固体酸化物燃料電池は、カソード層が、機能層にわたって配置された後に焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池の少なくとも一部（例えば、アノード層および固体電解質層、アノード層、固体電解質層、および機能層、もしくはアノード層、固体電解質層、機能層、およびカソード層）は、固体電解質層が、アノード層にわたって配置された後に焼鈍されてもよい。機能層およびカソード層は、カソード層が、機能層にわたって配置された後、ともに焼鈍（例えば、共焼成）されてもよい。固体酸化物燃料電池は、約６００℃〜約１３００℃、約６５０℃〜約１２５０℃、約７００℃〜約１２００℃、約７５０℃〜約１１５０℃、約８００℃〜約１１００℃、約８５０℃〜約１０５０℃、約９００℃〜約１０００℃、または約９００℃〜約９５０℃の範囲に及ぶ温度において焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、約１１００℃以下、約１０５０℃以下、約１０００℃以下、または約９５０℃以下の温度において焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、約８００℃以上、約８５０℃以上、または約９００℃以上の温度において焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、約０．３時間〜約１０時間、約０．４時間〜約８時間、約０．５時間〜約５時間、または約１時間〜約４時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、２０時間以下の時間期間にわたって焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、１０時間以下の時間期間にわたって焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、０．５時間以上の時間期間にわたって焼鈍されてもよい。固体酸化物燃料電池は、１時間以上の時間期間にわたって焼鈍されてもよい。機能層の厚さは、少なくとも部分的に、固体酸化物燃料電池の動作の意図される温度（例えば、燃料および／または固体酸化物燃料電池自体の温度）に基づいて選択されてもよい。
これらおよび他の目的は、本発明の本明細書に開示される利点および特徴とともに、以下の説明、付随の図面、および請求項の参照を通してより明白になるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互に排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在してもよいことを理解されたい。本明細書で使用されるように、用語「約」および「実質的に」は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。用語「〜から本質的に成る」は、本明細書に別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。なお、そのような他の材料は、集合的に、または個々に、微量で存在し得る。 例えば、複数の金属から本質的に成る構造は、概して、それらの金属のみと、化学分析を介して検出可能であるが機能に寄与し得ない、意図しない不純物（金属でも非金属であってもよい）のみとを含むであろう。
図面では、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して同一部分を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理の例証に応じて、強調が置かれる。以下の説明では、本発明の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。
図１は、本発明の種々の実施形態による、機能層を組み込む固体酸化物燃料電池の概略図である。 図２Ａおよび２Ｂは、本発明の種々の実施形態による、カソード性能の評価のための試験構造の概略図である。 図３は、本発明の種々の実施形態による、種々のカソード試験構造に関する面積比抵抗のグラフである。 図４は、本発明の種々の実施形態による、厚さ６μｍの機能層を組み込む電池に関する種々の動作温度における電池性能のグラフである。 図５は、本発明の種々の実施形態による、厚さ１μｍの機能層を組み込む電池に関する種々の動作温度における電池性能のグラフである。 図６は、本発明の種々の実施形態による、種々の厚さの機能層を伴う燃料電池に関する６５０℃の動作温度における電池性能のグラフである。 図７は、本発明の種々の実施形態による、種々の厚さの機能層を伴う燃料電池に関する５００℃の動作温度における電池性能のグラフである。 図８は、本発明の種々の実施形態による、２つの例示的な材料の酸素表面交換係数のグラフである。
図１は、本発明の実施形態による、ＳＯＦＣ１００を図式的に描写する。示されるように、ＳＯＦＣ１００は、カソード１１０と、固体電解質１２０と、アノード１３０と、機能層１４０とを特徴とする。ＳＯＦＣ１００の動作の間、酸素源１５０（例えば、空気）からの酸素は、カソード１１０によってイオン化される。結果として生じる酸素イオンは、固体電解質１２０を通してカソード１１０からアノード１３０に伝導される。アノード１３０において、酸素イオンは、水素含有燃料１６０と反応され、電気を産出する。示されるように、生成された電気は、外部の負荷１７０を通してカソード１１０に流動されて戻され、カソード１１０におけるさらなるイオン化を支援し得る。電気化学的反応はまた、アノード１３０において、例えば、水および二酸化炭素等の副産物を生成し得る。水素含有燃料１６０は、例えば、水素ガスおよび／または炭化水素燃料（例えば、天然ガス、プロパンガス、ガソリン、軽油、ならびにバイオ燃料等）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。種々の実施形態では、水素含有燃料１６０は、Ｈ２と、ＣＯと、Ｈ２Ｏと、ＣＯ２と、ＣＨ４との混合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。増加される発電のために、複数のＳＯＦＣ１００が、スタック構造内でともに連結されてもよい。図１は、ＳＯＦＣ１００を平面状の構成に描写するが、本発明の種々の実施形態では、ＳＯＦＣは、同心管構成内に配列されてもよい。例えば、酸素源１５０が、管状のカソード１１０を通して流動されて、その周囲に管状の電解質１２０およびアノード１３０（カソード１１０と固体電解質１２０との間に配置される管状の機能層１４０を伴う）が配置されてもよい一方、水素含有燃料１６０は、アノード１３０の外側の周囲に流動されてもよい。
本明細書に詳述されるように、ＳＯＦＣ１００内の機能層１４０の存在および使用は、ＳＯＦＣ１００の総合的な性能を改良する種々の有益な効果を提供し得る。例えば、機能層１４０は、カソード１１０と電解質１２０との間の界面抵抗を低減させ得る。種々の実施形態では、機能層１４０は、電解質１２０および／またはカソード１１０の酸素交換係数より高い酸素交換係数を有し、したがって、ＳＯＦＣ１００内の酸素輸送を改良する。より急速な酸素輸送および／またはより低い界面抵抗の結果として、機能層１４０はまた、ＳＯＦＣ１００の面積比抵抗を減少させ得る。機能層１４０はまた、それが電解質１２０のためのイオン輸送率より高いイオン輸送率を有し得るため、電子伝導を遅延またはブロックし得る。本発明の種々の実施形態によると、機能層１４０は、約０．１μｍ〜約２０μｍ、約１μｍ〜約１５μｍ、または約１μｍ〜約１０μｍの範囲に及ぶ厚さを有してもよい。種々の実施形態では、より厚い機能層は、有害に高いオーム抵抗を示し、したがって、ＳＯＦＣ１００の性能を限定し得るため、機能層１４０の厚さは、２０μｍ以下である。種々の実施形態では、より薄い機能層は、完全に連続的ではない場合があり、したがって、有益な効果を提供しない場合があるため、機能層１４０の厚さは、０．１μｍ以上である。
本発明の実施形態によると、機能層１４０の存在は、従来より低い温度におけるＳＯＦＣ１００の効率的な動作を可能にする。例えば、ＳＯＦＣ１００は、約８００℃を下回る温度、例えば、約４００℃〜約７５０℃の範囲に及ぶ温度において動作されてもよい。そのうえ、機能層１４０の厚さは、少なくとも部分的に、ＳＯＦＣ１００に関して所望される動作温度に基づいて選択されてもよい。例えば、比較的より高い温度（例えば、約５５０℃〜約７５０℃の範囲に及ぶ）において、ＳＯＦＣ１００の性能は、開回路電圧によって限定され得、したがって、比較的より厚い機能層１４０（例えば、５μｍまたはより厚い、例えば、約５μｍ〜約２０μｍの範囲に及ぶまたは約５μｍ〜約１０μｍの範囲に及ぶ厚さ）は、開回路電圧、したがって、ＳＯＦＣ１００の総合的な性能を改良するために利用されてもよい。代替として、比較的より低い温度（例えば、約４００℃〜約５５０℃の範囲に及ぶ）において、ＳＯＦＣ１００の性能は、オーム抵抗によって限定され得（すなわち、機能層１４０の存在が、依然として、カソード１１０と電解質１２０との間の界面抵抗を低減させるが、機能層１４０自体のオーム抵抗が、より低い温度において性能に強い影響を及ぼし得る）、したがって、比較的より薄い機能層１４０（例えば、５μｍまたはより薄い、例えば、約０．１μｍ〜約５μｍの範囲に及ぶまたは約１μｍ〜約５μｍの範囲に及ぶ厚さ）は、オーム抵抗を最小限化または低減させ、したがって、ＳＯＦＣ１００の総合的な性能を改良するために利用されてもよい。
本発明の種々の実施形態では、カソード１１０は、例えば、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）（例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−δ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３−δ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）（例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ３−δ）、バリウムストロンチウムコバルトフェライト（ＢＣＳＦ）（例えば、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−δ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）（例えば、Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３−δ）、または５〜３０ｍｏｌ％の範囲に及ぶ（または１０〜２０ｍｏｌ％の範囲に及ぶ）ドーパント濃度を有するドープセリア、例えば、サマリウムドープセリア（ＳＤＣ）（例えば、Ｃｏ−Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ１．９）、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）（例えば、Ｃｏ−Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）、もしくはＹ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、またはＮｄのうちの任意の１つまたはそれを上回るものを用いてドープされたセリアのうちの１つまたはそれを上回るものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。
例えば、カソード１１０は、例えば、質量比３：７〜７：３のＳＳＣとＧＤＣとの混合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。カソード１１０は、イオン導体および電子的導体の両方であってもよく、カソード１１０は、イオン化のための酸素アクセスを助長し、かつ電解質１２０（または機能層１４０）と、空気と、カソード１１０とが出会う場所に電気化学的に活性な３相境界（ＴＰＢ）を提供するために多孔性であってもよい。例えば、カソード１１０は、約３０％〜約６０％の範囲に及ぶ多孔性を有してもよい。
概して、固体電解質１２０は、電流漏洩および対応する電気損失を防止するために、その内部の電子伝導を最小化させながら、酸素イオンを伝導する高密度の（例えば、セラミック）材料である。固体電解質１２０の厚さは、例えば、約５μｍ〜約４０μｍまたはさらに約１０μｍ〜約３０μｍの範囲に及んでもよい。本発明の種々の実施形態では、固体電解質１２０は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ、例えば、Ｙ０．１６Ｚｒ０．８４Ｏ２−ｘ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ、例えば、Ｓｃ０．２Ｃｅ０．０１Ｚｒ０．７９Ｏ２−ｘ）、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート（ＬＳＧＭ、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｘ、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｘ、またはＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８３Ｍｇ０．１７Ｏ３−ｘ）、ＳＤＣ、もしくはＧＤＣのうちの１つまたはそれを上回るものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。そのような固体電解質１２０は、例えば、約５〜約３０ｍｏｌ％または約１０〜約２０ｍｏｌ％の範囲に及ぶドーパント濃度を有してもよい。種々の実施形態では、固体電解質１２０は、イットリアドープセリア（ＹＤＣ、例えば、Ｙ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、ネオジムドープセリア（ＮｄＤＣ、例えば、Ｎｄ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、プラセオジムドープセリア（ＰｒＤＣ、例えば、Ｐｒ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、および／またはランタンドープセリア（ＬａＤＣ、例えば、Ｌａ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）等の１つまたはそれを上回るドープセリアを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのような固体電解質１２０は、例えば、約５〜約３０ｍｏｌ％または約１０〜約２０ｍｏｌ％の範囲に及ぶドーパント濃度を有してもよい。
種々の実施形態では、電解質１２０は、異なる組成を有する２つまたはそれを上回る層から構成される。他の実施形態では、電解質１２０は、その中の１つまたはそれを上回る要素、ドーパント、または種の濃度が、電解質１２０の厚さの少なくとも一部に沿って変動する組成を有してもよい。例えば、その中の機能層１４０が、Ｃｏ等のドーパントを有するＳＯＦＣ１００において、電解質１２０の全てまたは一部もまた、ドーパントを含有してもよいが、機能層１４０内でドーパントが存在する場所の濃度とは異なる（例えば、それ未満の）濃度である。例えば、電解質１２０は、ドーパントの第１の濃度を含有し、かつ第１の濃度が、機能層１４０内のドーパントの濃度未満である、機能層１４０に隣接する第１の層を有してもよい。電解質１２０はまた、第１の濃度未満である第２の濃度（第２の濃度は、さらに約ゼロであってもよい）のドーパントを含有する、第１の層および／またはアノード１３０に隣接する第２の層を有してもよい。同様に、電解質１２０の厚さの全てまたは一部（例えば、機能層１４０に隣接する電解質１２０の一部またはさらに電解質１２０全体）は、機能層１４０から離れる距離の関数として減少するドーパントの変動する（例えば、勾配がつけられた）組成を有してもよい。そのような組成プロファイルは、ＳＯＦＣ１００の種々の層内の相互拡散に耐え、それによって、高いＳＯＦＣ性能を維持し得る。
カソード１１０と同様に、電気化学的反応を助長するために、アノード１３０は、好ましくはイオンおよび電子の両方である多孔性の導体である。本発明の種々の実施形態では、アノード１３０は、酸化ニッケルおよび１つまたはそれを上回る酸化物材料（例えば、電解質１２０内に存在する１つまたはそれを上回る材料、但し、そのような材料は、電解質１２０内に存在する必要はない）を含有する、複合物を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。本発明の実施形態による、アノード１３０内に存在する他の酸化物材料は、イットリア含有量が３〜８ｍｏｌ％の範囲に及ぶイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ドープセリア系材料、および／または固体電解質１２０で見出される具体的なドープセリア材料（例えば、ＧＤＣ）を含んでもよい。例えば、アノード１３０は、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとのサーメットを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのようなサーメットでは、酸化ニッケル対イットリア安定化ジルコニアの比率は、例えば、重量比約１：２〜３：１の範囲に及んでもよい。別の実施例では、アノード１３０は、酸化ニッケルとＧＤＣとのサーメットを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、アノード１３０は、ストロンチウム、鉄、コバルト、およびモリブデン（すなわち、ＳＣＦＭ）を含有するセラミック酸化物材料、例えば、ＳｒＦｅ０．１Ｃｏ０．４５Ｍｏ０．４５Ｏ３、ＳｒＦｅ０．２Ｃｏ０．４Ｍｏ０．４Ｏ３、ＳｒＦｅ０．３４Ｃｏ０．３３Ｍｏ０．３３Ｏ３、またはＳｒＦｅ０．５Ｃｏ０．２５Ｍｏ０．２５Ｏ３を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
種々の実施形態では、ＳＯＦＣ１００は、アノード１３０と電解質１２０との間に配置されるアノード機能層（図１に描写せず）を含んでもよい。アノード機能層は、例えば、アノード材料とセリア系電解質との混合物であってもよい。例えば、アノード機能層は、酸化ニッケルとＧＤＣとのサーメットを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのようなサーメットにおいて、酸化ニッケル対ＧＤＣの比率は、例えば、重量比約１：２〜３：１の範囲に及んでもよい。別の実施例では、アノード機能層は、ストロンチウム、鉄、コバルト、およびモリブデン（すなわち、ＳＣＦＭ）を含有するセラミック酸化物材料、例えば、ＳｒＦｅ０．１Ｃｏ０．４５Ｍｏ０．４５Ｏ３、ＳｒＦｅ０．２Ｃｏ０．４Ｍｏ０．４Ｏ３、ＳｒＦｅ０．３４Ｃｏ０．３３Ｍｏ０．３３Ｏ３、またはＳｒＦｅ０．５Ｃｏ０．２５Ｍｏ０．２５Ｏ３、およびＧＤＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのようなサーメットでは、ＳＦＣＭ対ＧＤＣの比率は、例えば、重量比約１：２〜３：１の範囲に及んでもよい。種々の実施形態では、アノード機能層の厚さは、約５μｍ〜約５０μｍまたは約１０μｍ〜約２５μｍの範囲に及んでもよい。
本発明の種々の実施形態によると、機能層１４０は、カソード１１０と固体電解質１２０との間の界面において配置され、それらの間の界面抵抗（例えば、イオン伝導に対する）を低減させる。種々の実施形態では、機能層１４０は、１つまたはそれを上回る金属（例えば、コバルト）でドープされたセラミック材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。機能層１４０は、コバルトおよび／または１つまたはそれを上回る他の金属（例えば、セラミック材料の０．１ｍｏｌ％〜１０ｍｏｌ％の範囲内）を含有してもよい。種々の実施形態では、コバルトおよび／または他の金属濃度は、セラミック材料の０．５ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ。種々の実施形態では、機能層１４０のセラミック材料は、カソード１１０のおよび／または固体電解質１２０の１つまたはそれを上回る材料である。例えば、機能層１４０は、コバルトドープＧＤＣおよび／またはコバルトドープＳＤＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。加えて、機能層１４０内のドープセリア組成は、電解質とは異なるドーパントを有してもよい。例えば、機能層１４０は、コバルトドープＳＤＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい一方、電解質は、ＧＤＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
本発明の実施形態による、ＳＯＦＣ１００およびその組成層の加工のために、種々の技術が、利用されてもよい。例えば、アノード１３０および／または固体電解質１２０は、個々の層のテープ成形によって加工されてもよい。種々の実施形態では、アノード１３０および固体電解質１２０は、機能層１４０の適用の前に、例えば、熱間静水圧プレスによって、ともに積層される。機能層１４０および／またはカソード１１０は、懸濁液またはペースト（例えば、１つまたはそれを上回る液剤と混合される）として、例えば、ドロップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、ブレードコーティング、またはスクリーン印刷を介して適用されてもよい。加えて、機能層１４０は、スパッタリング、蒸発法、およびパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）を含む、物理蒸着（ＰＶＤ）技術によって堆積されてもよい。そのような技術は、５μｍ未満またはさらに１μｍ未満の厚さを有する薄い層の形成に有利であり得る。種々の実施形態では、機能層１４０およびカソード１１０層は、共焼成される、すなわち、ともに単一の焼鈍ステップを受ける。共焼成されるプロセスでは、機能層１４０は、最初に、ＳＯＦＣ１００上に堆積され、機能層１４０上のカソード１１０の堆積が続く。次いで、両方の層を伴うＳＯＦＣ１００が、共焼成され、両方の層を同一の熱暴露で焼鈍する。例えば、ＳＯＦＣ１００は、約８００℃〜約１１００℃の範囲に及ぶ温度において、および／または約０．５時間〜約５時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって焼鈍されてもよい。
代替として、機能層１４０は、カソード１１０の適用の前に、適用され、次いで、焼結のために焼鈍されてもよい。そのようなプロセスでは、機能層１４０およびカソード１１０は、個々の層の材料パラメータの最適化を可能にするために、または汚染の最小化等の他の生産考慮のために、別個の焼鈍ステップにおいて焼成されてもよい。機能層１４０の適用の後、部分的なＳＯＦＣ１００（すなわち、カソード１１０を伴わない）が、焼鈍されてもよい。例えば、部分的なＳＯＦＣ１００は、約８００℃〜約１１００℃の範囲に及ぶ温度において、および／または約０．５時間〜約５時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって焼鈍されてもよい。次いで、カソード１１０の適用の後、全体のＳＯＦＣ１００が、焼鈍されてもよい。例えば、ＳＯＦＣ１００は、約８００℃〜約１１００℃の範囲に及ぶ温度において、および／または約０．５時間〜約５時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって焼鈍されてもよい。
本発明の実施形態による、種々の機能層１４０は、焼結助剤として作用し得るＣｏ等の種を含有し、それによって、より低い温度における、および／またはより短い時間にわたる焼結焼鈍の使用を可能にする。例えば、Ｃｏを含有する機能層１４０は、約９５０℃またはそれを下回る温度、もしくはさらに９００℃またはそれを下回る温度で焼結されてもよい一方、依然として、ＳＯＦＣ１００の高い性能を可能にするために実質的な層密度を達成する。
機能層１４０のカソード性能に関する効果を評価するために、コバルトドープＧＤＣから構成される機能層１４０が、ソリッドステート合成によって調製された。具体的には、ＧＤＣ（Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）およびコバルト酸化物（Ｃｏ３Ｏ４）（ここでは２ｍｏｌ％、本発明の実施形態は、例えば、約０．１ｍｏｌ％〜約１０ｍｏｌ％を利用してもよい）が、混合され、２４時間の期間にわたってボール粉砕された。結果として生じた混合物は、乾燥、すなわち、７００℃において２時間にわたって熱処理され、次いで、２４時間にわたって再びボール粉砕され、コバルトドープＧＤＣを産出した。
この機能層１４０のカソード性能に関する効果を調査するために、図２Ａおよび２Ｂに示されるように、対称の試験構造が加工された。示されるように、試験構造２００は、固体電解質１２０の両側面上のカソード１１０を特徴とした。試験構造２１０は、試験構造２００と同じであったが、カソード１１０のそれぞれと固体電解質１２０との間にコバルトドープＧＤＣ機能層１４０の追加を伴う。この一連の試験では、ＧＤＣが、固体電解質１２０として利用された一方、質量比７：３の比率におけるＳＳＣ（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３−δ）とＧＤＣ（Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）との混合物（ＳＳＣ−ＧＤＣ）または質量比１：１の比率におけるＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３−δ）とＧＤＣ（Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）との混合物（ＬＳＣＦ−ＧＤＣ）が、カソード１１０のために利用された。いったん機能層１４０およびカソード１１０が試験構造２００、２１０内の電解質１２０に適用されると、構造は、８００℃〜１１００℃の範囲に及ぶ温度において２時間の期間にわたって共焼成された。
図３は、動作温度の関数としての、種々の試験構造２００、２１０に関するカソード１１０の面積比抵抗（ＡＳＲ）のグラフである。曲線３００は、１，１００℃の温度における共焼成の後にカソード１１０としてＬＳＣＦ−ＧＤＣを利用する試験構造２００（すなわち、機能層１４０を伴わない）を表す。曲線３１０は、９５０℃の温度における共焼成の後にカソード１１０としてＳＳＣ−ＧＤＣを利用する試験構造２００（すなわち、機能層１４０を伴わない）を表す。曲線３２０は、９００℃の温度における共焼成の後にカソード１１０としてＳＳＣ−ＧＤＣを利用する試験構造２１０（すなわち、機能層１４０を伴う）を表す。曲線３３０は、９５０℃の温度における共焼成の後にカソード１１０としてＳＳＣ−ＧＤＣを利用する試験構造２１０（すなわち、機能層１４０を伴う）を表す。示されるように、試験構造２１０のＡＳＲは、調査された動作温度の全体範囲にわたって試験構造２００の性能と比較されたとき、大幅に改良される。加えて、試験構造２１０内の機能層１４０の存在は、カソードの極性化を約１桁（１０倍）減少させ、活性化エネルギーを著しく減少させた。
コバルトドープＧＤＣ機能層１４０を組み込む完全なＳＯＦＣの性能もまた、調査された。ＳＯＦＣでは、アノードは、質量比２：３の比率の酸化ニッケルとＧＤＣとの混合物（Ｎｉ−ＧＤＣ）であり、電解質は、２０μｍの厚さのＧＤＣであり、カソードは、質量比７：３の比率のＳＳＣ−ＧＤＣであった。これらの組成および厚さは、例示的にすぎず、種々の実施形態では、アノードは、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとのサーメットを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。そのようなサーメットでは、酸化ニッケル対イットリア安定化ジルコニアの比率は、例えば、重量比約１：２〜３：１の範囲に及んでもよい。アノードおよび電解質層は、テープ成形を介して加工され、次いで、ホットプレスを使用してともに積層された。結果として生じるアノード／電解質のアセンブリは、１，４５０℃において４時間の時間期間にわたって焼鈍された。機能層は、焼結された半電池上に、ドロップコーティングによって、１μｍ〜１０μｍの範囲に及ぶ厚さに堆積された。ＳＳＣ−ＧＤＣカソード材料は、機能層に直接適用され、結果として生じるアセンブリは、９５０℃において２時間の期間にわたって共焼成された。加えて、コバルトドープＧＤＣ機能層を欠く対照ＳＯＦＣが、比較目的のために、同様に加工された。種々のＳＯＦＣは、燃料として加湿された水素ガスを利用して温度の範囲において評価された。
図４は、６μｍの厚さを有するコバルトドープＧＤＣ機能層を組み込むＳＯＦＣに関する、５００℃〜６５０℃の範囲に及ぶ温度におけるＳＯＦＣ性能のグラフである。曲線４００、４１０、４２０、４３０は、５００℃、５５０℃、６００℃、および６５０℃の動作温度に関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電池電圧（ボルト）を示す。曲線４４０、４５０、４６０、４７０は、５００℃、５５０℃、６００℃、および６５０℃の温度動作に関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電力密度（ワット／ｃｍ２）を示す。
図５は、１μｍの厚さを有するコバルトドープＧＤＣ機能層を組み込むＳＯＦＣに関する、５００℃〜６５０℃の範囲に及ぶ温度におけるＳＯＦＣ性能のグラフである。曲線５００、５１０、５２０、５３０は、５００℃、５５０℃、６００℃、および６５０℃の動作温度に関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電池電圧（ボルト）を示す。曲線５４０、５５０、５６０、５７０は、５００℃、５５０℃、６００℃、および６５０℃の温度動作に関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電力密度（ワット／ｃｍ２）を示す。
図６は、６５０℃の動作温度におけるコバルトドープＧＤＣ機能層の厚さの関数としてのＳＯＦＣ性能のグラフである。曲線６００、６１０、６２０は、機能層を有していない（すなわち、ゼロの機能層厚さ）ＳＯＦＣおよび１μｍならびに６μｍの厚さの機能層を有するＳＯＦＣに関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電池電圧（ボルト）を示す。曲線６３０、６４０、６５０は、機能層を有していないＳＯＦＣおよび１μｍならびに６μｍの厚さの機能層を有するＳＯＦＣに関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電力密度（ワット／ｃｍ２）を示す。
図７は、５００℃の動作温度におけるコバルトドープＧＤＣ機能層の厚さの関数としてのＳＯＦＣ性能のグラフである。曲線７００、７１０、７２０は、機能層を有していないＳＯＦＣおよび１μｍならびに６μｍの厚さの機能層を有するＳＯＦＣに関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電池電圧（ボルト）を示す。曲線７３０、７４０、７５０は、機能層を有していないＳＯＦＣおよび１μｍならびに６μｍの厚さの機能層を有するＳＯＦＣに関して、個別に、電流密度（アンペア／ｃｍ２）の関数として電力密度（ワット／ｃｍ２）を示す。
図４−７に示されるように、本発明の実施形態による、機能層１４０の使用は、ＳＯＦＣの性能を劇的に改良することができる。例えば、図４および６に示されるように、厚さ６μｍの機能層を有するＳＯＦＣは、６５０℃の動作温度において、機能層を伴わないＳＯＦＣの性能より劇的に高い、１．８Ｗ／ｃｍ２の出力電力密度を示す。開回路電圧を改良する、より厚い機能層は、性能が開回路電圧によって限定されるこのレジームの中でより良好に性能を発揮する。そのうえ、図５および７に示されるように、より低い動作温度（５００℃〜６００℃）において、厚さ１μｍの機能層を有するＳＯＦＣは、開回路電圧が、大いに改良されないが、主に、層内の低減されたオーム抵抗に起因して、優れた性能を示す。したがって、本発明の実施形態による、機能層は、少なくとも部分的に、ＳＯＦＣの意図される動作温度に基づいて選択されたその厚さを有してもよい。機能層は、開回路電圧および／またはオーム抵抗における改良を介して性能を改良し得るため、異なる動作条件の範囲にわたるＳＯＦＣ性能を改良するために、種々の厚さの機能層が、利用されてもよい。
図８は、例示的な機能層材料（Ｃｏ−ＧＤＣ）および例示的な電解質材料（ＧＤＣ）の酸素表面交換係数のグラフである。ここでは、Ｃｏ−ＧＤＣ層は、２ｍｏｌ％のＣｏを含有し、Ｃｏ−ＧＤＣ層は、示されるように、約４００℃〜約７５０℃の温度範囲全体にわたってより高い酸素表面交換係数を示す。種々の実施形態では、このより高い酸素表面交換係数は、少なくとも部分的にＧＤＣ内の結晶粒界におけるＣｏの凝集作用または濃縮に起因する。機能層のより高い酸素表面交換係数は、カソードと電解質との間の界面における質量輸送を改良し、電解質の中への酸素導入に対する界面抵抗を低減させ、電池性能を向上させ、ＡＳＲを減少させる。そのうえ、本発明の実施形態による、そのような機能層の使用は、例えば、約４００℃〜約７５０℃の間のより低い温度における改良されたＳＯＦＣ性能を可能にする。
本明細書で採用される用語および表現は、説明の用語および表現として使用され、限定ではなく、そのような用語および表現の使用では、図示および説明される特徴またはその一部の任意の均等物を除外する意図はない。加えて、本発明のある実施形態が説明されたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用されてもよいことが、当業者に明白となるであろう。故に、説明される実施形態は、あらゆる点において、例証的にすぎず、制限的ではないと見なされる。

Claims (33)

  1. 固体酸化物燃料電池であって、
    カソードと、
    前記カソードからアノードに酸素イオンを伝導するための固体電解質と、
    水素含有燃料と前記固体電解質からの酸素イオンとを反応させるためのアノードと、
    前記カソードと前記固体電解質との間に配置される、前記カソードと前記固体電解質との間の界面抵抗を低減させるための機能層と
    を備える、電池。
  2. 前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  3. 前記カソードは、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、またはガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  4. 前記固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、またはガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  5. 前記アノードは、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとを含む複合物を備える、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  6. 前記機能層の厚さは、約１μｍ〜約１０μｍの範囲に及ぶ、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  7. 前記機能層は、約０．５ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  8. （ｉ）前記機能層は、コバルトを含有し、かつ（ｉｉ）前記固体電解質の少なくとも一部は、コバルトを含有する、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  9. 前記固体電解質の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
  10. 前記水素含有燃料は、水素または炭化水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
  11. （ｉ）カソードと、（ｉｉ）アノードと、（ｉｉｉ）前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体電解質と、（ｉｖ）前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層とを備える、固体酸化物燃料電池を使用して、水素含有燃料を電気に電気化学的に転換する方法であって、前記方法は、
    前記カソードにおいて酸素をイオン化し、それによって、酸素イオンを産出するステップと、
    前記カソードから前記アノードに前記酸素イオンを伝導するステップであって、それによって、前記機能層が、前記カソードと前記固体電解質との間の界面抵抗を低減させる、ステップと、
    前記アノードにおいて前記酸素イオンと前記燃料とを反応させ、それによって、電気を生成する、ステップと、
    を含む、方法。
  12. 前記酸素イオンは、約４００℃〜約７５０℃の範囲に及ぶ温度において、前記燃料と反応される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記機能層の厚さは、約１μｍ〜約１０μｍの範囲に及ぶ、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記機能層は、約０．５ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、請求項１１に記載の方法。
  16. （ｉ）前記機能層は、コバルトを含有し、かつ（ｉｉ）前記固体電解質の少なくとも一部は、コバルトを含有する、請求項１１に記載の方法。
  17. 前記固体電解質の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、請求項１６に記載の方法。
  18. 固体酸化物燃料電池を加工する方法であって、前記方法は、
    アノード層を提供するステップと、
    前記アノード層にわたって固体電解質層を配置するステップと、
    前記固体電解質層にわたって機能層を堆積させるステップと、
    前記機能層にわたってカソード層を配置し、それによって、前記固体酸化物燃料電池を形成するステップと、
    を含む、方法。
  19. 前記固体電解質層は、前記機能層が、堆積される前に、前記アノード層にわたって配置される、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記アノード層は、テープ成形によって提供される、請求項１８に記載の方法。
  21. 前記アノード層にわたって前記固体電解質層を配置するステップは、前記アノード層に前記固体電解質層を積層させるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
  22. 前記アノード層にわたって前記固体電解質層を配置する前に、前記固体電解質層を提供するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  23. 前記固体電解質層を提供するステップは、テープ成形を含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記カソード層が、前記機能層にわたって配置された後に、前記固体酸化物燃料電池を焼鈍するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  25. 前記固体電解質層が、前記アノード層にわたって配置された後、約８００℃〜約１１００℃の範囲に及ぶ温度において、約０．５時間〜約５時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって、前記固体酸化物燃料電池の少なくとも一部が焼鈍される、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
  27. 前記機能層の厚さは、約１μｍ〜約１０μｍの範囲に及ぶ、請求項１８に記載の方法。
  28. 前記機能層は、約０．５ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、請求項１８に記載の方法。
  29. （ｉ）前記機能層は、コバルトを含有し、かつ（ｉｉ）前記固体電解質層の少なくとも一部は、コバルトを含有する、請求項１８に記載の方法。
  30. 前記固体電解質層の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、請求項２９に記載の方法。
  31. 少なくとも部分的に、前記固体酸化物燃料電池の動作の意図される温度に基づいて、前記機能層の厚さを選択するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  32. 前記カソード層が、前記機能層にわたって配置された後、前記機能層および前記カソード層をともに焼鈍するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  33. 前記焼鈍が、約８００℃〜約１１００℃の範囲に及ぶ温度において、約０．５時間〜約５時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって実施される、請求項３２に記載の方法。
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