JP2022553873A - 固体酸化物電気化学セルのスタック構造体 - Google Patents

固体酸化物電気化学セルのスタック構造体 Download PDF

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Abstract

様々な実施形態では、相互接続プレート、シールおよび／またはエンドプレートなどの固体酸化物燃料電池デバイスの構成要素は、アルミニウム、銅、および／またはグラファイトを含む材料から構成することができる。様々な実施形態では、構成要素は、例えば、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、またはアルミニウム金属間化合物などの材料によりコーティングされていてもよい。

Description

関連出願
本出願は、それらの各々の全開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０１９年１１月１２日出願の米国特許出願第１６／６８０，６９９号および２０１９年１１月１２日出願の米国特許出願第１６／６８０，７０１号の利益および優先権を主張する。
政府支援
本発明は、米国エネルギー省のエネルギー高等研究計画局（ＡＲＰＡ－Ｅ）によって助成された契約番号ＤＥ－ＡＲ００００４９４の下、米国政府支援により行われたものである。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
技術分野
様々な実施形態では、本発明は、固体酸化物燃料電池などの固体状態の電気化学セル、および特にそのためのスタック構造体に関する。
背景
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電気化学セル（または固体状態の酸化物電気化学セル）のクラスであり、これらのセルは、高度に効率的であり、環境に優しく、水素、水素含有燃料（例えば、アンモニアまたはＮＨ３）、炭化水素または炭素含有燃料（例えば、一酸化炭素）などの燃料中に貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換することが可能である。ＳＯＦＣの動作中、イオン（例えば、酸素イオンまたはプロトン）は、高密度固体酸化物またはセラミック電解質を介して、カソードとアノードの間を移動する。アノードでは、酸化反応が起こり（すなわち、電子が出る）一方、カソードでは、還元反応が起こる（すなわち、電子が入る）。例えば、酸素イオン伝導性固体酸化物電解質を含むＳＯＦＣの場合、アノードでは、酸素イオンが燃料を酸化し、外部回路に向かうことができる電子が生成する。ＳＯＦＣは、例えば、分散発電に、またはオフグリッドおよび携帯電源にさえ使用することができる。さらなる固体状態の電気化学デバイスとしては、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）および固体酸化物膜（ＳＯＭ）反応器が挙げられる。
様々なＳＯＦＣは、複数のセルが一緒に積層されて、ＳＯＦＣによって利用される空気および燃料のストリームをやはり分離する、導電性プレートまたは相互接続部によって互いに分離されている構造体を利用している。従来のＳＯＦＣは、固体電解質中で十分に高いイオン伝導性を実現して、かなり大きな電流出力を発生させるため、高温で動作する。例えば、多数のＳＯＦＣは、８００℃～９５０℃の範囲の温度で動作し、したがって、ＳＯＦＣスタック内の特殊かつ高価な材料の使用が必要となる。様々な理由（例えば、一層高い信頼性、一層高いセル効率、一層迅速な起動時間、低費用など）のため、より低い温度での動作が魅力的であるが、得られる出力密度は、任意の特定のＳＯＦＣ構造体の場合の動作温度では低下し、不適切であるため、この型のものは従来のＳＯＦＣの場合、伝統的に避けられてきた。
したがって、ＳＯＦＣスタック材料および構造体の賢明な選択による、ＳＯＦＣの信頼性、費用効果およびセル効率を改善する機会が存在する。
概要
本発明の様々な実施形態によれば、ＳＯＦＣスタック構造体は、例えば、熱移動、機械的応力、シール漏出、費用および重量のうちの１つまたは複数を含めた様々な問題に対処するため、アルミニウムおよび／またはグラファイト（および／または合金、コンポジット、または一方もしくは両方を含む金属－マトリックスコンポジット）を含む、これらから本質的になるまたはこれらからなる、１つまたは複数の構成要素を組み込む。本発明の実施形態による例示的な金属－マトリックスコンポジットとしては、Ａｌと、アルミナ、炭化ケイ素、グラファイトまたはカーボンナノチューブのうちの１種または複数とのコンポジットが挙げられる。このようなコンポジットでは、強度および／または剛性を高めるために、非Ａｌ構成要素は、粒子、繊維、ウイスカ、プレートレットなどとして、Ａｌマトリックス中に存在してもよい。
様々な実施形態では、アルミニウムは、１種または複数種のＳＯＦＣ構成要素中で銅と合金を形成していてもよいか、または銅により置き換えられてもよい。したがって、本明細書において、アルミニウムと言う場合、特に示さない限り、「アルミニウムおよび／または銅」を意味することが理解され得る。さらに、「アルミニウム」は、金属アルミニウム（および／または金属銅）を指し、アルミナなどのアルミニウム（および／または銅）を含むセラミック材料を含まないことが理解される。本発明の実施形態は、例えば、空気中でのアルミニウムの酸化による表面の不動態層の形態を除き、アルミナを含まないかもしれない（すなわち、本発明の実施形態は、少なくとも、表面から離れた物体のバルク中では、アルミナを含まない）。（アルミニウムを含有するコンポジットまたは金属－マトリックスコンポジットは、アルミナを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができるセラミック相をやはり含有してもよいことに留意されたい）。本明細書において、アルミニウムを含む物体は、主要成分として、アルミニウムを含有する（すなわち、他の金属または他の元素は、より大きな質量分率または体積分率で存在しない）。例えば、アルミニウム物体は、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％または少なくとも９９％のアルミニウムを含有してもよい。様々な実施形態では、銅は、ニッケルクラッド銅もしくはニッケルコーティング銅の形態にあってもよく、またはアルミニウムクラッド銅もしくはアルミニウムコーティング銅の形態でさえあってもよい。様々な実施形態では、アルミニウム（または純粋なアルミニウム）の１つの合金は、別のタイプのアルミニウム合金をクラッドしてもよい。
さらに、本明細書において利用される場合、「グラファイト」は、グラフェン、剥離グラファイト、フレーク状グラファイト、アモルファスグラファイト、結晶性グラファイト、熱分解グラファイト、高配向性熱分解グラファイト（ＨＰＯＧ）、熱分解カーボン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、グラフェン、多結晶性グラファイト、合成グラファイト、および／またはガラス様カーボン（例えば、ガラス状またはガラス質カーボン）を含む、他の非ダイヤモンド形態の炭素を含む。本明細書において、グラファイトを含む物体は、主要成分（すなわち、例えば、結合剤、細孔形成剤などとしてその中に存在する炭素を有するガスケットなどの物体とは対照的に、他の金属または他の元素は、より大きな質量分率または体積分率で存在しない）として、グラファイトを含有する。例えば、グラファイト物体は、少なくとも５０％、少なくとも６０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％または少なくとも９９％のグラファイトを含有することができる。本発明の実施形態による構造体を有するＳＯＦＣは、より低い温度（例えば、約４００℃～約８５０℃、約４００℃～約７００℃、または約４００℃～約５５０℃の範囲の温度）で動作するのが有益となり得る。本発明の様々な実施形態では、アルミニウム、銅および／またはグラファイトが、相互接続部、エンドプレートおよび／またはシールなどのＳＯＦＣ構成要素内に組み込まれ得る。
様々な実施形態では、アルミニウム、銅および／またはグラファイトを使用すると、ＳＯＦＣスタック内でのより優れた温度拡散、および同時に、ＳＯＦＣスタック内の有害な熱勾配の低下または消滅がもたらされる。これらの材料は、比較的高い熱伝導性（ステンレス鋼の場合、約１６～２５Ｗ／ｍ－Ｋであるのに比べて、アルミニウムの場合、約２３７Ｗ／ｍ－Ｋ、グラファイトの場合、約１２８～４００Ｗ／ｍ－Ｋ、および銅の場合、約３８５Ｗ／ｍ－Ｋ）を有しており、ＳＯＦＣスタック内でのこのような熱拡散が促進される。さらに、アルミニウムは、ステンレス鋼の体積比熱容量（約３７６０ｋＪ／ｍ３／Ｋ）に比べて、優れた体積比熱容量（約２４３０ｋＪ／ｍ３／Ｋ）を有しており、起動、負荷追従および燃料組成の変化などの条件に対するＳＯＦＣスタックの優れた熱的応答をもたらす。
様々な実施形態では、コーティングが、１つまたは複数のＳＯＦＣスタック構成要素をコーティングするために使用される。様々な実施形態では、コーティングは、ニッケル、銀、マンガンコバルト酸化物（ＭＣＯ）、アルミニウム、アルミニウム金属間化合物（例えば、ＴｉＡｌ、ＭｇＡｌ、ＦｅＡｌ、ＮｉＡｌ、ＮｉＡｌ３、Ｎｉ３Ａｌ、ＮｉＡｌ２、Ｎｉ２Ａｌ３など）、グラファイト、窒化物（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＮ、窒化タンタル、窒化タングステンなど）、炭化物（例えば、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＷＣなど）、および／または化成コーティング（例えば、イリダイトＮＣＰなどのクロメート化成プロセス、またはＣａ、Ｂａ、Ｚｎ、ＭｎもしくはＦｅに基づくものを含めた、ホスフェート化成コーティング）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。（当業者に公知の通り、化成コーティングとは、構成要素の表面に、それを別の物質に変換するコーティング材料による化学的または電気化学的プロセスが施される、コーティングのことである）。
様々な実施形態では、化成コーティングの構造は、基材の上部に２つまたはそれより多い層を含む、これらから本質的になるまたはこれらからなることができる。様々な実施形態では、第１の層は、第１の層の上部に存在する１つまたは複数の化成コーティング薄膜層を有する界面層である。様々な実施形態では、界面層は、基材材料中の元素と化成コーティング薄膜の１つもしくは複数の元素との混合物、または化成コーティング溶液中に存在する様々な化合物（例えば、フッ化物、塩化物、臭化物またはヨウ化物などのハロゲン化物；ホスフェートまたはリン化物；およびスルフェートまたはスルフィド）に由来する１種もしくは複数種の元素を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、追加の層、または界面層と外側化成コーティング薄膜層との間の層は、他の層の組成間の範囲にある段階的組成物を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、基材は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金またはステンレス鋼（例えば、オーステナイト系（３００シリーズ）またはフェライト系（４００シリーズ）の種類）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、界面薄膜に存在してもよい元素は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｆ、Ｐ、Ｓ、Ｂｒ、Ｉ、Ｋおよび／またはＣｌを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、酸素は、界面薄膜中にさらに存在する。様々な実施形態では、化成コーティング薄膜層はまた、遷移金属（例えば、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）および／または希土類（例えば、Ｃｅ、Ｌａ、ＮｄまたはＰｒ）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、化成コーティング薄膜層は、界面層よりもかなり厚い。様々な実施形態では、界面層の厚さは、約０．００１ミクロン～約０．０１ミクロンの間の範囲にある一方、化成コーティング薄膜層（複数可）の全厚さは、約０．０２５ミクロン～約１０ミクロンの間の範囲にある。様々な実施形態では、界面層の厚さは、約０．００２ミクロン～約０．００６ミクロンの間の範囲である一方、化成コーティング薄膜層（複数可）の全厚さは、約０．０５ミクロン～約５ミクロンの間の範囲にある。様々な実施形態では、界面層の厚さは、約０．００２ミクロン～約０．００６ミクロンの間の範囲にある一方、化成コーティング薄膜層（複数可）の全厚さは、約０．０７５ミクロン～約３ミクロンの間の範囲にある。
化学化成コーティングを堆積させるための市販で入手可能な様々なプロセスおよび化学溶液が存在する。イリダイトＮＣＰは、Ｚｒ、ＦおよびＷを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる最終薄膜を伴う、ジルコニウムおよびタングステンを含むフッ化物溶液である。Ｃｈｅｍｅｏｎ ＴＣＰ－ＨＦは、Ｃｒ、Ｋ、Ｎａ、Ｓ、Ｚｒ、ならびに少量のＰｒおよびＣａを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる最終薄膜を伴う、ジルコニウムを含む硫酸クロム（ＩＩＩ）（Ｃｒ２（ＳＯ４）３）溶液である。Ｈｅｎｋｅｌ Ａｌｏｄｉｎｅ ５２００は、Ｔｉ、Ｚｒ、ＫおよびＦを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる薄膜をもたらす、ヘキサフルオロジルコン酸カリウム（Ｋ２ＺｒＦ６）およびヘキサフルオロチタン酸（Ｈ２ＴｉＦ６）溶液である。
１つまたは複数のコーティングは、アルミニウム、銅またはグラファイトスタック構成要素（例えば、相互接続部、端子相互接続部および／またはエンドプレート）のうちの１つまたは複数の表面の全体または一部に堆積させることができる。コーティングはまた、アルミニウム、銅またはグラファイト以外の材料から作製されているスタック構成要素の１つまたは複数の表面の全体または一部に堆積させることができる。例えば、コーティングは、ステンレス鋼（例えば、３０４または３１６などの３００シリーズのステンレス鋼；４３０、４４０または４４１などの４００シリーズのステンレス鋼；インコネルまたはハステロイなどの高温ニッケル合金；およびＣｒｏｆｅｒ ＡＰＵ２２などのＳＯＦＣスタックに時として使用されるより特殊な材料）表面に堆積させることができる。様々な実施形態では、コーティングは、機械的接合および冶金学的（すなわち、クラッディング）による２種またはそれより多くの材料の接合、ならびに２種またはそれより多くの材料間でのその後の拡散および界面層の生成を伴う必要に応じた追加の加熱処理によって形成される。コーティングとは異なり、クラッディングは、広い範囲の可能な厚さも被覆する、非常に高密度な層をもたらすことができる。様々な実施形態では、クラッディングの厚さは、約１２５ミクロン～約５ｍｍの間で様々となり得る。様々な実施形態では、クラッディングの厚さは、約２５０ミクロン～約３ｍｍの間で様々となり得る。様々な実施形態では、クラッディングの厚さは、約３００ミクロン～約１ｍｍの間で様々となり得る。様々な実施形態では、クラッディングの外側層は、この部分の全厚さ（すなわち、コアおよびクラッド層の厚さを一緒にしたもの）の約２％～６０％である。様々な実施形態では、クラッディングの外側層は、この部分の全厚さ（すなわち、コアおよびクラッド層の厚さを一緒にしたもの）の約５％～５０％である。様々な実施形態では、クラッディングの外側層は、この部分の全厚さ（すなわち、コアおよびクラッド層の厚さを一緒にしたもの）の約１０％～３５％である。様々な実施形態では、クラッディングの外側層は、この部分の全厚さ（すなわち、コアおよびクラッド層の厚さを一緒にしたもの）の約２０％～３０％である。
非常に密度の高いクラッディングは、望ましくない化学種（例えば、酸素）の拡散がコア材料に到達するのを軽減または防止することができ、これは、例えば、コアの望ましくない酸化を回避する結果をもたらし得る。様々な実施形態では、クラッディング層は、約０％～約５％の開放および／または閉鎖多孔度を有することができる。様々な実施形態では、クラッディング層は、約０％～約３％の開放多孔度（すなわち、貫通多孔度）および／または閉鎖多孔度を有することができる。様々な実施形態では、クラッディング層は、約０％～約１％の開放多孔度および／または閉鎖多孔度を有することができる。様々な実施形態では、クラッディング層は、約０％～約０．５％の開放多孔度および／または閉鎖多孔度を有することができる。様々な実施形態では、クラッディング層は、約０％～約０．１％の開放多孔度および／または閉鎖多孔度を有することができる。
様々な実施形態では、クラッディングはまた、クラッディングが接合する層と同じ厚さを有することができる（すなわち、基材が存在しない）。様々な実施形態では、クラッディングは、コア層のいずれか一方の側にクラッディング層が存在する場合、クラッディングが接合する層よりも厚くなり得る。様々な実施形態では、クラッディングは、コア上にオーバーレイする（すなわち、コアの外側表面の全体または一部を被覆する）。様々な実施形態では、クラッディングは、コア上にインレイする（すなわち、コア全体または一部に埋め込まれる）。様々な実施形態では、クラッディングは、コアの縁部内および／またはこれに沿って存在する。様々な実施形態では、クラッディングは、オーバーレイクラッド、インレイクラッドまたは縁部クラッド層化のいくつかの組合せを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、クラッディングは、コア層の外側表面全体の被覆を含む、これから本質的になる、またはそれからなることができる。
様々な実施形態では、相互接続部またはエンドプレートなどのスタック構成要素は、少なくとも１つの追加の材料に接合した、アルミニウム、銅、チタンまたはニッケルのうちの１種または複数種の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、スタック構成要素は、アルミニウム、銅、チタンもしくはニッケルのうちの１種または複数種の層を有する、ステンレス鋼、高温ニッケル合金、銅、アルミニウム、ニッケルまたはグラファイト材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタック構成要素は、コア材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができるか、または基材材料は、コア材料または基材材料の複数の側に接合された、アルミニウム、銅、チタンまたはニッケルの層を有する。様々な実施形態では、スタック構成要素（例えば、相互接続部）は、構成要素の両側の表面（例えば、カソードおよびアノード側の両方の表面）にニッケルの層を有する、ステンレス鋼製コアまたは基材（例えば、４３０または４４１ステンレス鋼）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタック構成要素（例えば、相互接続部）は、構成要素の一方の側の表面（例えば、アノード側の表面）にニッケルの層、および構成要素の他方の側の表面（例えば、カソード側の表面）にアルミニウムの層を有する、ステンレス鋼製コアまたは基材（例えば、４３０または４４１ステンレス鋼）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタック構成要素（例えば、相互接続部）は、例えば、クラッドコアの１つまたは複数の外側層のどちらか一方または両方と接触している追加の１つまたは複数の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、スタック構成要素（例えば、相互接続部）は、構成要素の一方の側の表面（例えば、アノード側の表面）にニッケルの層、および構成要素の他方の側の表面（例えば、カソード側の表面）にアルミニウムの層を有する、ステンレス鋼製コアまたは基材（例えば、４３０または４４１ステンレス鋼）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができ、ここで、追加のコーティング（例えば、ＴｉＮなどの窒化物またはＳｉＣなどの炭化物）が、アルミニウム層の上部に存在する。様々な実施形態では、アルミニウムの１つまたは複数の合金（例えば、１ＸＸＸまたは６ＸＸＸシリーズからの合金）は、別のタイプのアルミニウム合金（例えば、２ＸＸＸシリーズからの合金）をクラッディングして、例えば、強度および腐食耐性の組合せ強化を得ることができる。
様々な実施形態では、シール／ガスケットを使用して、ＳＯＦＣスタック構成要素をシールする。（本明細書において、「シール」および「ガスケット」は、特に示さない限り、互換的に利用される）。様々な実施形態では、シールは、雲母、バーミキュライト、ガラス、ろう付け用合金、アスベスト、ポリアミド（例えば、アラミド）、タルク、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ）、ポリアミド－イミド（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ）、ポリシロキサン（例えば、シリコーン）、および／またはシルセスキオキサン（例えば、フェニルシルセスキオキサン）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。シール材料は、ＳＯＦＣスタック内部で単独型シールとして使用されてもよく、または２種もしくは複数のシール材料が、ハイブリッドシールとして一緒に利用されてもよい。例えば、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリアミド－イミドまたはシルセスキオキサンは、雲母またはバーミキュライト製ガスケットの全体または一部の表面にコーティングされてもよい。代替的に、２個の別のガスケットを互いの上部に単純に積層させて（それらの間に接着剤を使用して、または使用しないで）、ハイブリッドシールを形成させてもよい。様々な実施形態では、シールはまた、２種またはそれより多い材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる、コンポジットシールであってもよい。例えば、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリアミド－イミドまたはシルセスキオキサンは、雲母、タルクまたはバーミキュライトと一緒に混合されて、シールを形成することができる。様々な実施形態では、コンポジットシールは、少なくとも２０％、少なくとも３０％またはさらには少なくとも４０％のポリマー材料または他の炭素ベースの材料を含む。シールは、アルミニウム、銅もしくはグラファイトから作製されたスタック構成要素と共に、またはアルミニウム、銅もしくはグラファイトから作製されたスタック構成要素の間に、セラミック構成要素（例えば、セル）をシールするために使用されてもよい。このシールはまた、ステンレス鋼または他のスタック構成要素（例えば、３０４または３１６などの３００シリーズのステンレス鋼；４３０、４４０または４４１などの４００シリーズのステンレス鋼；インコネルまたはハステロイなどの高温ニッケル合金；およびＣｒｏｆｅｒ ＡＰＵ２２などのＳＯＦＣスタックに時として使用されるより特殊な材料）にセラミック構成要素（例えば、セル）をシールするために使用されてもよい。
本発明の実施形態によるＳＯＦＣデバイスはまた、従来のデバイスと比較した場合、優れた機械的特性を示すことができる。例えば、アルミニウムの比強度（約１１５ｋＮ－ｍ／ｋｇ）は、ステンレス鋼の比強度（約６３．１ｋＮ－ｍ／ｋｇ）よりも高く、アルミニウムはまた、ステンレス鋼などの材料よりも水素曝露によって脆くなる可能性はかなり低い。アルミニウムおよびグラファイトなどの本発明の実施形態によるＳＯＦＣ構成要素の材料はまた、ステンレス鋼または他の特殊な高温金属合金よりも少なくとも約３倍軽く、ＳＯＦＣスタックの重量を低下させて、機械的強度要件を緩和する。
特定のタイプの燃料電池（例えば、低温ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池（プロトン交換膜燃料電池としても公知）および固体酸燃料電池（ＳＡＦＣ））用の燃料電池スタックもまた、アルミニウムおよび／またはグラファイトスタック構成要素を利用することができる。しかし、これらのタイプの燃料電池はセラミックベースではなく、動作温度は、典型的なＰＥＭ燃料電池の場合は約１００℃、高温ＰＥＭ燃料電池の場合は約２００℃、ＳＡＦＣ技術の場合は約３００℃に限定される。ＳＯＦＣは、より高い温度で動作する（例えば、４００℃～９００℃、または３５０℃という低さでさえも理論的に可能である）。ＰＥＭ燃料電池は、ポリマー電解質を使用し、ＳＡＦＣは、固体酸電解質を使用し、この場合、固体酸は、塩と酸との化学的中間体である。本発明の様々な実施形態によるＳＯＦＣは、ＰＥＭ燃料電池などのヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋）伝導体およびＳＡＦＣなどのプロトン伝導体とは対照的に、酸素イオン伝導体である（しかし、以下で一層詳細に説明されている通り、本発明の実施形態によるいくつかのＳＯＦＣは、プロトン伝導性である）。ＰＥＭ燃料電池およびＳＡＦＣとは異なり、ＳＯＦＣおよび本発明の実施形態による他のデバイスは、セラミック電解質を利用する。
本明細書において利用される場合、「セラミック」は、主にイオン結合および共有結合で保持された金属、非金属またはメタロイド原子からなる無機化合物を含む固体材料である。これには、すべての金属および非金属元素固体の酸化物、窒化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物およびケイ酸塩が含まれる。セラミックは、１種または複数種の非金属元素固体の組合せ（例えば、ＳｉＣ）、または金属と非金属元素固体の間の組合せ（例えば、ＴｉＣ）とすることができる。対照的に、ＳＡＦＣは、通常、結晶性塩構造（例えば、Ｃｓ２ＳＯ４）に組み込まれた本質的に酸性のプロトン（例えば、Ｈ２ＳＯ４）である固体酸を特色とする。塩はイオン結合のみ有し、したがって、固体酸は、主に水素結合およびイオン結合を有する。さらに、水素は典型的なＳＡＦＣ材料（ＭａＨｂ（ＸＯ４）ｃの形態であり、Ｍは、一価または二価の陽イオンであり、ＸＯ４は、四面体のオキシ陰イオンである）の分子結晶構造の一部であり、オキシ陰イオン性基を連結して、３Ｄ構造（および、時には、二量体または鎖も形成する）を形成する、水素結合ネットワークを形成する。水素は、セラミックプロトン伝導性電解質の結晶構造の一部ではない。セラミックプロトン伝導体は、ペロブスカイトになる傾向がある。セラミックプロトン伝導性材料を使用するデバイスの動作中に、水素が、結晶構造に（例えば、格子間原子および／または空孔として）組み込まれることがあるが、結晶構造の一部ではない。したがって、本発明の実施形態は、プロトン伝導性セラミック電解質を組み込んだＳＯＦＣを含む。
アルミニウムおよびアルミニウム合金は、比較的低い溶融温度を有しており、電気抵抗性の酸化層を形成し、これにより、ＳＯＦＣの動作条件で、それぞれ構造安定性問題および非常に高い抵抗が生じることがある。大部分のＳＯＦＣは、高温（例えば、≧８００℃）で動作し、したがって、開発者／研究者は、通常、表面酸化とその結果生じる抵抗の増加を回避するため、コーティングされたステンレス鋼を利用する。Ａｌの熱膨張係数は、ステンレス鋼およびＳＯＦＣの熱膨張係数の約２倍である。熱の不適合により、ＳＯＦＣのひび割れまたはスタック漏出が起こる恐れがある。さらに、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣが、一部の例では、ＳＯＦＣスタック構成要素においてアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することができるものの、このような燃料電池の実際の上限実用動作温度（例えば、約３００℃）は、先進ＳＯＦＣの場合の下限動作温度（bottom-end operation temperature）（例えば、約４００℃）から十分に離れているので、単にＳＯＦＣスタックにアルミニウムまたは銅を使用した場合に起こり得るこのような問題は、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣの場合には、問題にならない（または、問題は同じである）。これらの理由のため、アルミニウムおよびアルミニウム合金ベースの構成要素は、ＳＯＦＣ、ＳＯＥＣ、ＳＯＭおよび関連デバイスにおいてこれまで使用されてこなかった。銅の場合の状況も似ている。
従来のＳＯＦＣは、ＳＯＦＣの動作温度が高い（通常、≧８００℃）ことが一部、理由のため、通常、ガラスおよび／またはセラミック製シールを使用する。通常、グラファイトは約５００℃を超える温度で酸化し、分解し始め、これが、グラファイトベースのスタック構成要素が、ＳＯＦＣ、ＳＯＥＣ、ＳＯＭおよび関連デバイスにおいてこれまで使用されていなかった理由の１つである。さらに、グラファイトの熱膨張係数（ＴＥＣ）は異方性であるが、グラファイトの厚さ方向のＴＥＣは、ＳＯＦＣまたは従来のステンレス鋼スタック構成要素のＴＥＣの約２～３倍になり得る。面内ＴＥＣは、通常、ＳＯＦＣまたは従来のステンレス鋼製スタック構成要素のＴＥＣの半分より小さい。特殊な核グレードのグラファイト構成要素は、一層等方性となるか、または半等方性となるように設計されており、ＳＯＦＣまたは従来のステンレス鋼製スタック構成要素のＴＥＣの約６０％未満となる、すべての方向でより均一なＴＥＣを有する。さらに、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣが、一部の例では、グラファイトを使用することができるものの、このような燃料電池の上限実用動作温度（例えば、約３００℃）は、先進ＳＯＦＣの場合の下限動作温度（例えば、約４００℃）から十分に離れているので、単にＳＯＦＣスタックにグラファイトを使用した場合に起こり得るこのような問題は、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣの場合に、問題にならない（または、問題は同じである）。
ポリマーベースのシールは、分解温度が比較的低く、比較的低い温度で酸化する恐れがあり、これは、シールの構造的完全性に悪影響を及ぼし得、スタックの漏出につながる恐れがある。大部分のポリマーの融点および分解温度は、ＳＯＦＣの最低動作温度範囲（例えば、≦３５０℃）を十分に下回る。典型的なＳＯＦＣは、８００℃超で動作するので、開発者および研究者は、ポリマーシールを使用しようとすることに動機付けされないと思われる。ＳＯＦＣ動作のより低い温度範囲（例えば、４００～５５０℃）においてさえも、とりわけ、従来のポリマーシールを使用した場合、酸化およびその後の漏出のリスクがあるため、研究者はポリマーシールを使用することに動機付けされないと思われる。
炭化物および窒化物コーティングは、高温で酸化する、およびまたは分解する傾向がある。さらに、多くの場合、炭化物および窒化物の導電率は、温度の上昇と共に低下する。最後に、温度が上昇すると、コーティングと基材（例えば、相互接続部）もしくはコーティングとＳＯＦＣセルが反応してＳＯＦＣ性能を低下させる、またはこれらが反応して、ＳＯＦＣスタック性能を低下させる、相互接続部表面に望ましくない（例えば、絶縁性）相またはスケールを生成するというリスクが増大する。典型的なＳＯＦＣは、８００℃を超えて動作するので、開発者および研究者は、材料間で酸化および他の望ましくない反応が起こるのを防止するために、追加の構造体または層を使用しないで、窒化物または炭化物のコーティングを使用しようとする動機付けがされないと思われる。さらに、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣが、一部の例では、炭化物および窒化物コーティングを使用することができるものの、このような燃料電池の上限実用動作温度（例えば、約３００℃）は、先進ＳＯＦＣの場合の下限動作温度（例えば、約４００℃）から十分に離れているので、単にＳＯＦＣに起こり得るこのような問題は、ＰＥＭＦＣまたはＳＡＦＣの場合に、問題にならない。アルミニウム金属間化合物および化成コーティングについても同じことを言うことができる。
本発明の実施形態によるＳＯＦＣは、固体セラミックおよび／または固体酸化物電解質を利用し、少なくとも４００℃の温度で動作することができる（本明細書において利用する場合、「セラミック電解質」は、「固体酸化物」を含む、これから本質的になる、またはこれからなる電解質を含むと理解される）。したがって、本発明の実施形態によるＳＯＦＣは、ポリマーベースのセルまたはポリマーベースのセル構成要素（例えば、ポリマー電解質）、液体加湿膜、液体電解質、固体酸電解質（例えば、固体酸燃料電池）、または溶融塩電解質（例えば、溶融炭酸塩燃料電池）を組み込まない（ＣｓＨ２ＰＯ４などの固体酸電解質は、本明細書において定義されている通り、ＳＯＦＣのセラミック電解質ではないことに留意されたい）。固体酸は、プロトン化されている「酸」プロトン（例えば、Ｈ２ＳＯ４）が結晶構造に組み込まれている化合物のクラスである（例えば、１／２Ｃｓ２ＳＯ４＋１／２Ｈ２ＳＯ４→ＣｓＨＳＯ４）。固体酸燃料電池の電解質は、通常、プロトン伝導性オキシ陰イオン塩であり、セラミックでもセラミック酸化物でもない。
本発明の様々な実施形態は、例えば、それらの全開示が参照により本明細書に組み込まれている、どちらも２０１７年３月１７日出願の米国特許出願第１５／４６１，７０８号および同第１５／４６１，７０９号（第’７０８号および第’７０９号出願）に開示されている通り、電解質とカソードとの間の界面抵抗を低下させるために、電解質とカソードとの間に薄い機能層（すなわち、カソード機能層）を組み込む。例えば、機能層は、ガドリニウムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）と混合したコバルト（Ｃｏ－ＧＤＣ、例えば、Ｃｏ３Ｏ４－Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５、またはコバルトをドープしたＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）、またはサマリウムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）と混合したコバルト（Ｃｏ－ＳＤＣ、例えば、Ｃｏ３Ｏ４－Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ１．９またはコバルトをドープしたＣｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ１．９）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができ、機能層は、固体電解質およびカソード材料に直接接触させて配設されてもよい。
本発明の実施形態はまた、電解質とアノードとの間に薄い機能層（すなわち、アノード機能層）を利用してもよく、この層によって、アノード支持層（ＡＳＬ）と電解質との間の化学的、機械的および／または電気化学的適合性の増強をもたらす、ならびに／あるいは電気触媒活性の増強をもたらす。アノード機能層は、ＡＳＬと異なる組成物（これは、等級分けされていることがある）、粒子サイズ、ねじれおよび／または幾何形状を有し得る。
ＳＯＦＣは、本発明の実施形態の記載における例示的なデバイスとして本明細書において利用されるが、本発明の実施形態はまた、他のタイプの固体状態の電気化学セルも包含することを理解すべきである。例えば、第２のタイプの固体状態の電気化学セルは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）として知られており、これは、逆方向に動作するＳＯＦＣに似ている。言い換えると、ＳＯＥＣは、ＳＯＦＣの逆反応を推進するための入力として電気を受け取り、この場合、水（および／または二酸化炭素）は、燃料（または水素）電極において水素（および／または一酸化炭素）に、および酸素電極において酸素に変換される。ＳＯＥＣにおける電解質がプロトン伝導体である場合、酸素電極は蒸気電極と呼ばれることもある。ＳＯＥＣは、電気エネルギーの化学エネルギーへの変換が関与する電解セルである一方、ＳＯＦＣは、化学エネルギーの電気エネルギーへの変換が関与するガルバニ電池である。ＳＯＦＣと同様に、ＳＯＥＣは、通常、５００℃～８００℃（または可能性として、約４００℃と低い）の間で動作し、固体酸化物（セラミック）電解質、燃料電極および酸素電極を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる層化構造である。例えば、電解ＳＯＥＣモードでは、燃料電極がカソードとなり、酸素電極がアノードとなる。ＳＯＦＣと同様に、ＳＯＥＣの最も一般的な電解質は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む高密度イオン伝導体である。他のいくつかの選択肢は、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ドープした酸化セリウム（ＩＶ）ベースの電解質または没食子酸ランタン材料である。最も一般的な燃料電極材料は、Ｎｉ－ＹＳＺサーメットである。サーメットは、金属－セラミックコンポジット材料である。ペロブスカイト型ランタンストロンチウムマンガン（ＬＳＭ）は、最も一般的な酸素－電極材料の１つであるが、他の材料も可能である。ＳＯＥＣは、ＳＯＦＣと全く同様に、平面または管状であってもよい。ＳＯＥＣ電解質はまた、酸素イオンではなくプロトンを伝導することができる。さらに、ＳＯＥＣは、ある種の場合、ＳＯＦＣと全く同じであり、ＳＯＦＣモードとＳＯＥＣモードの両方で使用することができる。これは、可逆性または再生燃料電池として知られている。
第３のタイプの固体状態の電気化学セルは、固体酸化物膜（ＳＯＭ）反応器または電気触媒反応器として知られている。反応器は、高温（通常、６００℃～１，０００℃）において、酸化物イオン（および／またはプロトン）を輸送することができる固体酸化物、気密セラミック電解質または膜によって分離された２つのチャンバーを有する。このような電気化学セルは、電解モードで動作し、投入原料化学品（例えば、ＣＨ４）を他の価値がより高い化学品（例えば、エチレン）に変換することができる、および／または反応は、膜のいずれかの側の圧力または濃度勾配によって推進され得る。各チャンバー内の触媒は、特定の生成物にとって他よりも一層有利な反応部位を提供する、および／または反応経路を生成することによって、この生成物への選択性を高めることができる。ＳＯＭ反応器はまた、メタンからシンガス（主に水素および一酸化炭素）が形成する部分酸化反応、エタンおよびエチレンを形成するメタンの酸化的カップリング（ＯＣＭ）、およびさらには空気からの高純度酸素の生成を推進するために使用されてきた。ＳＯＭ反応器は、ＳＯＦＣと全く同様に、平面または管状であり得る。
本発明の開示および実施形態は、「ＳＯＥＣ」、可逆性または再生ＳＯＦＣ、「ＳＯＭ」、電気触媒反応器または他の固体状態の電気化学セル、および関連デバイスを含めた、ＳＯＦＣ以外の固体酸化物電気化学セルデバイスに適用される。本明細書において、ＳＯＦＣを言う場合、特に示さない限り、「ＳＯＥＣ」、可逆性または再生ＳＯＦＣ、「ＳＯＭ」、電気触媒反応器、または他の固体状態の電気化学セル、および関連デバイスを含み、これらを包含すると理解することができる。様々なデバイスにおける様々な電極および電解質に使用される用語は、デバイスが、通常、動作する動作モード（例えば、ガルバニ対電解）に起因して、または動作中にデバイスの特定の側に流れるガス状副生物または反応剤に起因して異なることがある。アノードは、酸化が起こる場所である（つまり、電子が電極を離れる）。カソードは、還元が起こる場所である（つまり、電子が電極に入る）。電解動作モード（例えば、ＳＯＥＣを使用する場合など）では、アノードは、酸素電極（例えば、酸素源が流れるデバイスの側）として知られていることがある一方、カソードは、燃料電極または水素電極（例えば、「燃料」が流れるデバイスの側）として知られていることがある。ＳＯＥＣにおける電解質が、プロトン伝導体である場合、蒸気が酸素源となることが多いので、酸素電極は、蒸気電極と呼ばれることもある。本発明の実施形態による、様々なタイプのデバイスのための典型的なアノード、カソードおよび全体的な反応には、以下が含まれる：

ＳＯＦＣ
アノード：２Ｈ２＋２Ｏ２－→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－
カソード：Ｏ２＋４ｅ－→２Ｏ２－
全体：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ

ＰＣ－ＳＯＦＣ（プロトンが伝導する）
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ

ＳＯＥＣ
アノード：Ｏ２－→１／２Ｏ２＋２ｅ－（Ｏ２電極）
カソード：Ｈ２Ｏ＋２ｅ－→Ｈ２＋Ｏ２－（燃料またはＨ２電極）
全体：Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２

Ｐ－ＳＯＥＣ（プロトンが伝導する）
アノード：Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ－
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２
全体：Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２

ＣＯ２の電気化学的／電気触媒的還元（酸素イオン伝導体）
アノード：２Ｏ２－→Ｏ２＋４ｅ－
カソード：２ＣＯ２＋４ｅ－→２ＣＯ＋２Ｏ２－
全体：２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２
一態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、および上部エンドプレートと底部エンドプレートとの間に配設されている１つまたは複数の繰り返しユニットを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。各繰り返しユニットは、セル、固体、導電性相互接続プレートおよびシールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。相互接続プレートは、セルから電流を伝導する。シールは、相互接続プレートとセルとの間の、繰り返しユニットの少なくとも外縁に配設される。シールは、繰り返しユニットからのガス漏出を低減する。相互接続プレートおよびセルは、シールにおいて互いに電気絶縁されている。デバイスでは、（ｉ）相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、もしくはこれらからなる、（ｉｉ）シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、もしくはこれからなる、ならびに／または（ｉｉｉ）底部エンドプレートおよび／もしくは上部エンドプレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／もしくは銅を含む、これらから本質的になる、もしくはこれらからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。繰り返しユニットは、直列で電気的に接続され得る。シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムまたは銅を含まなくてもよい、これらから本質的にならなくてもよい、またはこれらからならなくてもよい。相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、グラファイトを含まなくてもよい、これから本質的にならなくてもよい、またはこれからならなくてもよい。シールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。底部エンドプレートおよび／または上部エンドプレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムまたは銅を含まなくてもよい、これらから本質的にならなくてもよい、またはこれらからならなくてもよい。相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、グラファイトを含まなくてもよい、これらから本質的にならなくてもよい、またはこれらからならなくてもよい。シールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
デバイスは、相互接続プレート、底部エンドプレートおよび／または上部エンドプレート上に配設されているコーティングを含んでもよい。コーティングは、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、相互接続プレートをセルに電気的に接続するための複数の突出した接触フィーチャを画定することができる。導電性コーティングまたはクラッディングを、接触フィーチャの少なくとも上部表面の上に配設してもよい。相互接続プレートは、それを通る燃料および／または酸素源の伝導のための１つまたは複数のフローチャネルを画定することができる。導電性の多孔質またはメッシュ状の集電体を、セルと相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設することができる。外部シールを繰り返しユニットの外縁の周囲に配設することができ、相互接続プレートおよび／またはシールを封入して、その酸化を低減することができる。デバイスは、電気絶縁性の第１の層および／または電気絶縁性の第２の層を含むことができる。第１の層は、シールと相互接続プレートとの間に配設することができる。第２の層は、シールとセルとの間に配設することができる。シールは、第１の層および第２の層を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の層および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の層および／または第２の層は、導電性であってもよい。デバイスは、シールの第１の表面に配設されている電気絶縁性の第１のコーティング、および／またはシールの第１の表面の反対側の第２の表面に配設されている電気絶縁性の第２のコーティングを含むことができる。１つまたは複数の繰り返しユニットは、上部エンドプレートおよび底部エンドプレートに電気的に接続され得る。１つまたは複数の繰り返しユニットは、上部エンドプレートおよび底部エンドプレートに電気的に接続されていなくてもよい。上部端子相互接続プレートは、上部エンドプレートと複数の繰り返しユニットとの間に配設することができる。上部端子相互接続プレートは、複数の繰り返しユニットに電気的に接続されていてもよい。底部端子相互接続プレートは、底部エンドプレートと複数の繰り返しユニットとの間に配設されていてもよい。底部端子相互接続プレートは、複数の繰り返しユニットに電気的に接続されていてもよい。相互接続プレートの周縁部は、それらの間にシールなしに、隣接する繰り返しユニットのセルに直接接触するように成形されていてもよい。
別の態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、および上部エンドプレートと底部エンドプレートとの間に配設されている、（ｉ）セル、（ｉｉ）固体の導電性の第１の相互接続プレート、（ｉｉｉ）固体の導電性の第２の相互接続プレート、（ｉｖ）第１のシールおよび（ｖ）第２のシールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる、固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。セルは、上部表面、および上部表面の反対側に底部表面を有する。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。第１の相互接続プレートは、セルの上部表面の上に配設されており、セルに電気的に接続されている。第２の相互接続プレートは、セルの底部表面の下に配置されており、セルに電気的に接続されている。第１のシールは、第１の相互接続プレートとセルとの間に、第１の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設される。第１の相互接続プレートおよびセルは、第１のシールにおいて互いに電気絶縁されている。第２のシールは、第２の相互接続プレートとセルとの間に、第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設される。第２の相互接続プレートおよびセルは、第２のシールにおいて互いに電気絶縁されている。デバイスにおいて、（ｉ）第１の相互接続部および／もしくは第２の相互接続部は、グラファイト、アルミニウムおよび／もしくは銅を含む、これらから本質的になる、もしくはこれらからなる、ならびに／または（ｉｉ）第１のシールおよび／もしくは第２のシールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、もしくはこれからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。スペーサーは、セルの周縁部の周囲、かつ第１のシールと第２のシールとの間に配設することができる。外部シールは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、第１のシールおよび／または第２のシールの外側周縁部の周囲に配設されてもよく、これを封入してもよい。導電性の多孔質またはメッシュ状の第１の集電体を、セルと第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設することができる。導電性の多孔質またはメッシュ状の第２の集電体を、セルと第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設することができる。デバイスは、第１のシールと第１の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、第１のシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層、第２のシールと第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第３の層、および／または第２のシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第４の層を含むことができる。第１のシールは、第１の層および第２の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の層および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第２のシールは、第３の層および第４の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第３および第４の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。デバイスは、セルの上部表面に面する第１の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第１のコーティング、および／またはセルの底部表面に面する第２の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第２のコーティングを含むことができる。
第１のシールおよび／または第２のシールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムまたは銅を含まなくてもよい、これらから本質的にならなくてもよい、またはこれらからならなくてもよい。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１のシールおよび／または第２のシールは、グラファイトを含まなくてもよく、これから本質的にならなくてもよく、またはこれからならなくてもよい。第１のシールおよび／または第２のシールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。コーティングは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、底部エンドプレート、および／または上部エンドプレート上に配設されていてもよい。コーティングは、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
さらに別の態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、上部エンドプレートと底部エンドプレートとの間に配設されている、（ｉ）セル、（ｉｉ）固体の導電性の第１の相互接続プレート、（ｉｉｉ）固体の導電性の第２の相互接続プレート、および（ｉｖ）第２の相互接続プレートとセルとの間に、第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されているシールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる、固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。セルは、上部表面、および上部表面の反対側に底部表面を有する。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。第１の相互接続プレートは、セルの上部表面の上に配設されており、セルに電気的に接続されている。第１の相互接続プレートの周縁部は、セルに直接的に機械的接触させて配設されている。第２の相互接続プレートは、セルの底部表面の下に配置されており、セルに電気的に接続されている。第２の相互接続プレートおよびセルは、シールにおいて互いに電気絶縁されている。デバイスでは、（ｉ）第１の相互接続部および／もしくは第２の相互接続部は、グラファイト、アルミニウムおよび／もしくは銅を含む、これらから本質的になる、もしくはこれらからなる、ならびに／または（ｉｉ）シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、もしくはこれからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。スペーサーは、セルの周縁部の周囲、かつ第１の相互接続プレートとシールとの間に配設することができる。デバイスは、第１の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第１の外部シール、および／または第２の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第２の外部シールを含むことができる。デバイスは、セルと第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／またはセルと第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体を含むことができる。デバイスは、シールと第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、および／またはシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層を含むことができる。シールは、第１の層および第２の層を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の層および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。デバイスは、セルの上部表面に面する第１の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第１のコーティング、および／またはセルの底部表面に面する第２の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第２のコーティングを含むことができる。
シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムまたは銅を含まなくてもよい、これらから本質的にならなくてもよい、またはこれらからならなくてもよい。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、グラファイトを含まなくてもよい、これから本質的にならなくてもよい、またはこれからならなくてもよい。シールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。コーティングは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、底部エンドプレート、および／または上部エンドプレート上に配設されていてもよい。コーティングは、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
別の態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、上部エンドプレートと底部エンドプレートとの間に配設されている１つまたは複数の繰り返しユニット、およびコーティングを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。各繰り返しユニットは、（ｉ）セル、（ｉｉ）セルから電流を伝導するための固体の導電性相互接続プレート、および（ｉｉｉ）繰り返しユニットからのガス漏出を低減するための、相互接続プレートとセルとの間に、繰り返しユニットの少なくとも外縁に配設されているシールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。相互接続プレートおよびセルは、シールにおいて互いに電気絶縁されている。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。コーティングは、相互接続プレート、底部エンドプレートおよび／または上部エンドプレート上に配設されている。コーティングは、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。相互接続プレートは、端子相互接続プレートを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。コーティングは、クラッディングを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。コーティングは、複数の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第１の層は、窒化物セラミックを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第２の層は、金属を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。金属は、アルミニウムを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。繰り返しユニットは、直列で電気的に接続され得る。シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。相互接続プレートは、相互接続プレートをセルに電気的に接続するための複数の突出した接触フィーチャを画定することができる。導電性コーティングまたはクラッディングを、接触フィーチャの少なくとも上部表面の上に配設することができる。相互接続プレートは、それを通る燃料および／または酸素源の伝導のための１つまたは複数のフローチャネルを画定することができる。導電性の多孔質またはメッシュ状の集電体を、セルと相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設することができる。
外部シールを繰り返しユニットの外縁の周囲に配設することができ、相互接続プレートおよび／またはシールを封入して、その酸化を低減することができる。デバイスは、シールと相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、および／またはシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層を含むことができる。シールは、第１の層および第２の層を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の層または第２の層は、導電性であってもよい。デバイスは、シールの第１の表面に配設されている電気絶縁性の第１のコーティング、および／またはシールの第１の表面の反対側の第２の表面に配設されている電気絶縁性の第２のコーティングを含むことができる。上部エンドプレートおよび／または底部エンドプレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。１つまたは複数の繰り返しユニットは、上部エンドプレートおよび底部エンドプレートに電気的に接続され得る。１つまたは複数の繰り返しユニットは、上部エンドプレートおよび底部エンドプレートに電気的に接続されていなくてもよい。デバイスは、上部エンドプレートと複数の繰り返しユニットとの間に配設されている上部端子相互接続プレートを含むことができる。上部端子相互接続プレートは、複数の繰り返しユニットに電気的に接続されていてもよい。デバイスは、底部エンドプレートと複数の繰り返しユニットとの間に配設されている底部端子相互接続プレートを含むことができる。底部端子相互接続プレートは、複数の繰り返しユニットに電気的に接続されていてもよい。相互接続プレートの周縁部は、それらの間にシールなしに、隣接する繰り返しユニットのセルに直接接触するように成形されていてもよい。
さらに別の態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、コーティング、ならびに上部と底部エンドプレートの間に配設されている、（ｉ）上部表面および上部表面の反対側に底部表面を有するセル、（ｉｉ）セルの上部表面の上に配設されており、セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレート、（ｉｉｉ）セルの底部表面の下に配設されており、セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート、（ｉｖ）第１の相互接続プレートとセルとの間に、第１の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている、第１のシール、および（ｖ）第２の相互接続プレートとセルとの間に、第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている、第２のシールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。第１の相互接続プレートおよびセルは、第１のシールにおいて互いに電気絶縁されている。第２の相互接続プレートおよびセルは、第２のシールにおいて互いに電気絶縁されている。コーティングは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、底部エンドプレート、および／または上部エンドプレート上に配設されている。コーティングは、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、端子相互接続プレートを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。コーティングは、クラッディングを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。コーティングは、複数の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第１の層は、窒化物セラミックを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第２の層は、金属を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。金属は、アルミニウムを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。スペーサーは、セルの周縁部の周囲、かつ第１のシールと第２のシールとの間に配設することができる。外部シールは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、第１のシールおよび／または第２のシールの外側周縁部の周囲に配設されてもよく、これを封入してもよい。デバイスは、セルと第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／またはセルと第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体を含むことができる。
デバイスは、（ｉ）第１のシールと第１の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、（ｉｉ）第１のシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層、（ｉｉｉ）第２のシールと第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第３の層、および／または（ｉｖ）第２のシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第４の層を含むことができる。第１のシールは、第１の層および第２の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の層および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第２のシールは、第３の層および第４の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第３および第４の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１のシールおよび／または第２のシールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１のシールおよび／または第２のシールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
別の態様では、本発明の実施形態は、底部エンドプレート、上部エンドプレート、コーティング、ならびに上部エンドプレートと底部エンドプレートの間に配設されている、（ｉ）上部表面および上部表面の反対側に底部表面を有するセル、（ｉｉ）セルの上部表面の上に配設されており、セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレート、（ｉｉｉ）セルの底部表面の下に配設されており、セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート、および（ｉｖ）第２の相互接続プレートとセルとの間に、第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている、シールを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる固体酸化物燃料電池デバイスを特色とする。セルは、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。第１の相互接続プレートの周縁部は、セルに直接的に機械的接触させて配設されている。第２の相互接続プレートおよびセルは、シールにおいて互いに電気絶縁されている。コーティングは、第１の相互接続プレート、第２の相互接続プレート、底部エンドプレート、および／または上部エンドプレート上に配設されている。コーティングは、グラファイト、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティング、および／またはアルミニウム金属間化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の実施形態は、様々な組合せのいずれかにおいて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、端子相互接続プレートとすることができる。コーティングは、クラッディングであってもよい。コーティングは、複数の層を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第１の層は、窒化物セラミックを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。層のうちの少なくとも第２の層は、金属を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。金属は、アルミニウムを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。スペーサーは、セルの周縁部の周囲、かつ第１の相互接続プレートとシールとの間に配設することができる。デバイスは、第１の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第１の外部シール、および／または第２の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第２の外部シールを含むことができる。デバイスは、セルと第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／またはセルと第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体を含むことができる。デバイスは、シールと第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、および／またはシールとセルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層を含むことができる。シールは、第１の層および第２の層を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の層および第２の層は、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。シールは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、ステンレス鋼および／またはニッケル基超合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。第１の相互接続プレートおよび／または第２の相互接続プレートは、グラファイト、アルミニウムおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シールは、ガラス、１種もしくは複数種のろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料、および／またはポリマー材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
これらおよび他の目的は、本明細書において開示されている本発明の利点および特色と共に、以下の記載、添付の図面および特許請求の範囲を参照することにより、一層明らかになろう。さらに、本明細書に記載されている様々な実施形態の特色は、相互に排他的なものではなく、様々に組み合わせておよび変更して存在し得ることが理解されるべきである。本明細書において使用する場合、「約」および「実質的に」という用語は、±１０％を意味し、一部の実施形態では、±５％を意味する。「から本質的になる」という用語は、本明細書において特に定義しない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもやはり、このような他の材料は、まとめてまたは別に、微量で存在することがある。例えば、１種または複数種の金属から本質的になる構造体は、その金属（またはそれらの金属）のみと、化学分析では検出することができるが機能には寄与しない意図しない不純物（これは、金属であってもよく、または非金属であってもよい）のみを一般に含む。
図面では、同じ参照文字は、一般に、異なる図全体で同じ部分を参照する。同様に、図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、代わりに、本発明の原理を例示するために一般に強調がなされている。以下の記載において、本発明の様々な実施形態は、以下の図面を参照して記載される。
図１は、本発明の様々な実施形態による、固体酸化物燃料電池の模式図である。 図２は、本発明の様々な実施形態による、固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの一部の模式図である。 図３Ａは、本発明の様々な実施形態による、エンドプレートを備える、固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの模式図である。 図３Ｂは、本発明の様々な実施形態による、図３Ａのデバイスのスタックの繰り返しユニットの分解図である。 図３Ｃおよび３Ｄは、本発明の様々な実施形態による、Ｕ形状およびＺ形状のマニホールドの流れ配置を概略的に図示する。 図３Ｃおよび３Ｄは、本発明の様々な実施形態による、Ｕ形状およびＺ形状のマニホールドの流れ配置を概略的に図示する。 図３Ｅは、本発明の様々な実施形態による、相互接続部が、例示的なＵ形状マニホールドの流れ配置におけるスタック内に配列されている際の相互接続部の分解図である。 図３Ｆは、本発明の様々な実施形態による、側板のマニホールドにより作製された外部流体連結部を備える、直接的なマニホールドを使用するスタックの分解図である。 図４Ａは、本発明の様々な実施形態による、セルおよび相互接続部がほぼ同じサイズである、スタックの繰り返しユニットの概略斜視図である。 図４Ｂは、本発明の様々な実施形態による、スタックの縁部の近位の線４Ｂ－４Ｂに沿った、図４Ａの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置と電気接触している。 図４Ｃは、本発明の様々な実施形態による、スタックの中間領域の近位の線４Ｃ－４Ｃに沿った、図４Ａの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置と電気接触している。 図４Ｄは、本発明の様々な実施形態による、スタックの縁部の近位の線４Ｂ－４Ｂに沿った、図４Ａの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置から電気隔離されている。 図４Ｅは、本発明の様々な実施形態による、スタックの中間領域の近位の線４Ｃ－４Ｃに沿った、図４Ａの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置から電気隔離されている。 図４Ｆは、セルが相互接続部よりも小さい、スタックの繰り返しユニットの概略斜視図である。 図４Ｇは、本発明の様々な実施形態による、スタックの縁部近位の線４Ｇ－４Ｇの線に沿った、図４Ｆの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図である（図４Ｇは、スタックのエンドプレートが、スタックの中央部により近い１つまたは複数の位置と電気接触しているか、またはこれらから電気隔離されている実施形態と同じであることに留意されたい）。 図４Ｈは、本発明の様々な実施形態による、スタックの中間領域の近位の線４Ｈ－４Ｈに沿った、図４Ｆの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置と電気接触している。 図４Ｉは、本発明の様々な実施形態による、スタックの中間領域の近位の線４Ｈ－４Ｈに沿った、図４Ｆの固体酸化物燃料電池スタックの概略断面図であり、この場合、スタックのエンドプレートは、スタックの中央部により近い、１つまたは複数の位置から電気隔離されており、セルは、相互接続部のコンタクトリブと直接電気接触している。 図５Ａ～５Ｅは、本発明の様々な実施形態による、固体酸化物燃料電池デバイスのシールの概略断面図である。 図６Ａ～６Ｃは、本発明の様々な実施形態による、外部シールを含むスタックの縁部の近位の固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの概略断面図である。 図７Ａは、本発明の様々な実施形態による、固体酸化物燃料電池デバイスの相互接続部の概略斜視図である。 図７Ｂは、線７Ｂ－７Ｂに沿った、図７Ａの相互接続部の概略断面図である。 図８Ａおよび８Ｂは、本発明の様々な実施形態による、絶縁層を有する固体酸化物燃料電池デバイスの構成要素の概略断面図である。 図９～１１は、本発明の様々な実施形態による、スタックの中央部の近位の固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの一部の概略断面図である。 図９～１１は、本発明の様々な実施形態による、スタックの中央部の近位の固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの一部の概略断面図である。 図９～１１は、本発明の様々な実施形態による、スタックの中央部の近位の固体酸化物燃料電池デバイスのスタックの一部の概略断面図である。 図１２は、２番目の試験例からの、フロースルー（ＦＴ）漏出の特徴付け設定を使用する、温度および背圧の関数としての、様々なガスケット材料に関する燃料漏出の程度を示すプロットである。 図１３は、３番目の試験例のグラファイト／バーミキュライト（アノード）製のハイブリッドシールの構造およびバーミキュライト（カソード）製シールの構造に関する、アノードからカソードへの、およびカソードからアノードへのクロスオーバー漏出の程度を示すプロットである。 図１４は、４番目の試験例の対称バーミキュライト（アノード）およびバーミキュライト（カソード）製シールの構造に関する、アノードからカソードへの、およびカソードからアノードへのクロスオーバー漏出の程度を示すプロットである。 図１５は、５番目の試験例の対称グラファイト（アノード）およびグラファイト（カソード）製シールの構造に関する、時間の関数としてのアノードからカソードへのクロスオーバー率を示すプロットである。 図１６は、５番目の試験例の対称グラファイト（アノード）およびグラファイト（カソード）製シールの構造に関する、時間の関数としてのカソードからアノードへのクロスオーバー率を示すプロットである。 図１７Ａ～１７Ｃは、６番目の試験例の非対称グラファイト（アノード）およびバーミキュライト（カソード）製シールの構造に関する、クロスオーバー漏出の結果を要約するプロットである。 図１８は、１２時間、５００℃に保持した試料に関する、時間の関数としてのＡＬ６０６１に対するＴｉＮの面積比抵抗のプロットである。 図１９Ａおよび１９Ｂは、８番目の試験に由来する５００℃での面積比抵抗（ＡＳＲ）の測定前後のステンレス鋼試験片表面のＴｉＮコーティングを図示する、ＳＥＭ顕微鏡写真である。 図２０は、１１番目の試験において、４７５℃～５５０℃の間で動作した、ＴｉＮコーティングしたアルミニウム製相互接続部により組み立てたＮｉ－サーメット／ＧＤＣ電解質ＳＯＦＣの場合の電流密度の関数としての、電圧および電力密度を示すプロットである。 図２１は、１１番目の試験において、５１５℃で動作し一定電流に保持した、ＴｉＮコーティングしたアルミニウム製相互接続部により組み立てたＮｉ－サーメットＳＯＦＣの場合の長期性能を示すプロットである。
詳細な説明
図１は、動作のＳＯＦＣセル１００の理論を例示するための、本発明の実施形態によるＳＯＦＣセル１００を概略的に図示している。示されている通り、ＳＯＦＣセル１００は、カソード１１０、固体電解質１２０およびアノード１３０を特色とする。示されている通り、アノード１３０は、アノード支持体（またはアノード支持層）１３５およびアノード機能層（ＡＦＬ）１４０を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。カソード１１０もまた、カソード層１１１およびカソード機能層（ＣＦＬ）１１２を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。ＳＯＦＣセル１００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。得られた酸素イオンは、カソード１１０から固体電解質１２０を介してアノード１３０に伝導される。アノード１３０において、酸素イオンは、燃料１６０（これは、通常、ガスである）と反応して、電気を発生する。示されている通り、発生した電気は、外部負荷１７０を介して流れ、カソード１１０に戻り、カソード１１０においてさらなるイオン化を支持することができる。この電気化学反応はまた、アノード１３０において、例えば、水および二酸化炭素などの副生物を生成することがある。燃料１６０は、例えば、水素ガス、および／または天然ガス、プロパン、ガソリン、ディーゼルなどの炭化水素燃料、あるいはバイオ燃料、または水素含有燃料（例えば、アンモニア、すなわちＮＨ３）、または一酸化炭素などの炭素含有燃料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、燃料１６０は、Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２およびＣＨ４（例えば、合成ガスまたはシンガス）の混合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。発電量を増加させるため、複数のＳＯＦＣセル１００が、以下に詳述されている通り、積層構造で一緒に連結されてもよい。図１は平面構造のセル１００を図示しているが、本発明の様々な実施形態では、ＳＯＦＣセルは、同心円筒構造またはその何らかの類似した変形形態で配列されていてもよい。さらに、図１は、正方形としてセル１００の断面を図示しているが、本発明の様々な実施形態では、平面セルは、異なる形状（例えば、矩形または円形）を有してもよい。同様に、円筒形セルは、様々な形状（例えば、円形の管、または丸みと平坦な表面の両方を有する長円形形状の多くを含む管）を有してもよい。例えば、酸素源１５０は、周りに管状電解質１２０およびアノード１３０が配設されている管状カソード１１０内を流れることができ、同時に、燃料１６０は、アノード１３０の外側の周りを流れることができる。代替的に、燃料１６０は、管状アノード１３０を流れることができ、この周りに管状電解質１２０およびカソード１１０が配設されている一方、酸素源１５０は、ＳＯＦＣ１００の外側の周りを流れる。
本発明の様々な実施形態では、カソード１１０は、例えば、以下の材料：ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ、例えば、Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３－δ）およびランタンカルシウムマンガナイト（ＬＣＭ、例えば、Ｌａ１－ｘＣａｘＭｎＯ３－δ）などのランタンマンガナイト；Ｌｎ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３－δ（Ｌｎ＝Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＹｂまたはＹ）などのマンガナイト；Ｌｎ１－ｘＳｒｘＣｏＯ３－δ（Ｌｎ＝Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍまたはＧｄ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ、例えば、Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏ３－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）およびストロンチウムセリウムコバルタイト（ＳＣＣ、例えば、Ｓｒ０．９Ｃｅ０．１ＣｏＯ３－δ）などのコバルタイト；ランタンフェライト（例えば、ＬａＦｅＯ３）、Ｓｒをドープしたランタンフェライト（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＦｅＯ３）、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）、プラセオジムストロンチウムコバルトフェライト（ＰＳＣＦ、例えば、Ｐｒ１－ｘＳｒｘＣｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－δ）およびバリウムストロンチウムコバルトフェライト（ＢＳＣＦ、例えば、Ｂａ０．５Ｓｒ０．５Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－δ）などのフェライト；鉄をドープしたニッケレート（ＬＮＦ、例えば、ＬａＦｅ１－ｘＮｉｘＯ３－δ）およびＳｒをドープしたＬＮＦ（ＬＳＮＦ）などのニッケレート；およびＬａ２ＢＯ４（Ｂ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ）などのＫ２ＮｉＦ４タイプの構造、Ｌａ２Ｎｉ１－ｘＣｏＯ４＋δなどのＬａ部位においてアルカリ（例えば、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａ）および希土類（例えば、ＮｄまたはＰｒ）のドープ、およびＮｉ部位において遷移金属（例えば、ＣｕまたはＣｏ）のドープを使用するカソード材料のうちの１種または複数を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。カソード材料は、純粋な電子伝導体とすることができるか、またはそれらは、電子伝導体が電子または正孔となり得る、イオン性電子混合伝導体（ＭＩＥＣ）とすることができる。
一般に、固体電解質１２０は、電流漏出および対応する電気損失を防止するため、その内部での電子伝導を最小化すると同時に、酸素イオンを伝導する高密度セラミック材料である。しかし、固体電解質１２０はまた、プロトン（すなわち、Ｈ＋イオン）または他のタイプのイオン（例えば、Ｎａ３Ｚｒ２Ｓｉ２ＰＯ１２またはＮＡＳＩＣＯＮなどのＮａ＋イオン伝導体）を伝導することができる。電解質１２０材料は純粋なイオン伝導体であってもよく、またはそれらはＭＩＥＣであってもよい。電解質は、様々な電解質材料の多層（例えば、２種の異なる酸素イオン伝導体層または酸素イオン伝導体層およびプロトン伝導体層）含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。固体電解質１２０の厚さは、例えば、約５００ｎｍ～約４０μｍ、または１μｍ～約４０μｍ、または５μｍ～約３０μｍ、またはさらには約１０μｍ～約３０μｍの範囲とすることができる。
本発明の様々な実施形態では、電解質１２０は、例えば、以下の酸素イオン伝導性材料：Ｙ、Ｓｃ、Ｃｅ、Ｃａ、ＭｇまたはＡｌなどの１種もしくは複数種のアルカリまたは希土類ドーパントにより安定化されているジルコニアなどのジルコニアベースの固体電解質（例えば、Ｚｒ１－ｘＹｘＯ２－ｘ／２およびＺｒ１－ｘＳｃｘＯ２－ｘ／２）；Ｙ、Ｙｂ、Ｓｃ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｎｄ、ＢａまたはＳｒなどの１種もしくは複数種のアルカリまたは希土類ドーパントをドープした酸化セリウム（ＩＶ）電解質（例えば、Ｃｅ１－ｘＭｘＯ２－δ、Ｍ＝ＧｄまたはＳｍ、ｘ＝０．１～０．２）；ランタンストロンチウムガリウムマグネシウムオキシドなどのＬａＧａＯ３ベースの電解質（ＬＳＧＭ、例えば、Ｌａ１－ｘＳｒｘＧａ１－ｙＭｇｙＯ３－δ）；酸化ビスマスベースの材料（例えば、Ｂｉ０．８Ｅｒ０．２Ｏ１．５、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｎｂ２ＧａＯ１１．５、Ｂｉ０．８８Ｄｙ０．０８Ｗ０．０４Ｏ１．５およびＢｉ２Ｖ０．９Ｃｕ０．１Ｏ５．５－δ）；ＬｎＢＯ３（Ｂ＝Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ）に基づくペロブスカイト；パイロクロアおよびフルオライトタイプの材料（Ｙ、Ｎｂ、Ｚｒ）Ｏ２－δ；Ｌａ２Ｍｏ２Ｏ９ベースの材料（ＬＡＭＯＸ、例えば、Ｌａ２Ｍｏ２Ｏ９、Ｌａ１．７Ｂｉ０．３Ｍｏ２Ｏ９およびＬａ２Ｍｏ１．７Ｗ０．３Ｏ９；Ｂａ２Ｉｎ２Ｏに由来するペロブスカイトおよびブラウンミラライト様相（例えば、Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ５）；アパタイトタイプの相であるＡ１０－ｘ（ＭＯ４）６Ｏ２－δ（式中、Ｍ＝ＳｉまたはＧｅであり、Ａは希土類およびアルカリ土類陽イオンに相当する（例えば、Ｌｎ１０Ｓｉ６Ｏ２７（式中、Ｌｎ＝Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＧｄまたはＤｙである））のうちの１種または複数を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の様々な実施形態では、電解質１２０は、例えば、以下のプロトン伝導性材料：１）Ｙ、Ｓｃ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｙｂなどのうちの１種もしくは複数をドープした（例えば、ＢａｘＣｅ０．９Ｙ０．１Ｏ３－δ（ＢＣＹ）、ＢａＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ３－δ（ＢＺＹ）またはＢａＣｅ０．７Ｚｒ０．１Ｙ０．２Ｏ３－δ（ＢＣＺＹ））；２）Ｙ、Ｓｃ、Ｎｄ、ＧｄおよびＹｂのうちの１種もしくは複数およびＦ、ＣｌまたはＢｒハロゲンのうちの１種をドープした（例えば、５ｍｏｌ％のＦをドープしたＢａＣｅ０．９０Ｇｄ０．１Ｏ３－δまたはＢＣＧＦ；および５ｍｏｌ％のＣｌをドープしたＢａＣｅ０．９０Ｇｄ０．１Ｏ３－δまたはＢＣＧＣｌ）；３）Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、ＦｅまたはＣｏなどの１種もしくは複数種の遷移金属およびＧａ、ＩｎまたはＳｎなどのポスト遷移金属をドープした（例えば、ＢａＣｏ０．４Ｆｅ０．４Ｚｒ０．２Ｏ３－δ（ＢＣＦＺ）、ＢａＣｏ０．４Ｆｅ０．４Ｚｒ０．１Ｙ０．１Ｏ３－δ（ＢＣＦＺＹ））；あるいは４）ＮｂまたはＴａなどのドナードーパントを共ドープした（例えば、Ｂａ１－ｘＮｄｘＣｅ１－ｙＮｄｙＯ３－（ｙ－ｘ）／２）、ＢａＣｅＯ３およびＢａＺｒＯ３および種類のもののうちの１種または複数を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の様々な実施形態では、固体電解質１２０は、例えば、サマリウムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＳＤＣ、例えば、Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ１．９）またはガドリニウムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＧＤＣ、例えば、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ１．９５）などの、様々にドープした酸化セリウム（ＩＶ）材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。こ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％の範囲のドーパント濃度を有することができる。様々な実施形態では、固体電解質１２０は、イットリアをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＹＤＣ、例えば、Ｙ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、ネオジウムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＮｄＤＣ、例えば、Ｎｄ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、プラセオジムをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＰｒＤＣ、例えば、Ｐｒ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）、および／またはランタンをドープした酸化セリウム（ＩＶ）（ＬａＤＣ、例えば、Ｌａ０．１Ｃｅ０．９Ｏ１．９５）などの１種または複数種のドープした酸化セリウム（ＩＶ）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。こ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％の範囲のドーパント濃度を有することができる。
カソード１１０は、１種または複数種のカソード材料および１種または複数種の電解質１２０材料のコンポジット材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。例えば、カソード１１０は、ＬＳＣＦとＧＤＣまたはＳＳＣとＧＤＣの混合物を、例えば、質量基準で約３：７～約７：３の比で含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。カソード１１０コンポジット材料は、イオン性伝導体と電子伝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の接近を促進するよう、および電解質１２０、空気およびカソード１１０が出合う電気化学的に活性な三相境界（ＴＰＢ）をもたらすよう多孔質であってもよい。例えば、カソード１１０は、約３０％～約６０％、または約３５％～約５５％、またはさらには約４０％～約３０％の範囲の多孔度を有することができる。様々な実施形態では、カソード１１０の厚さは、約０．５μｍ～約５００μｍ、または約５μｍ～約２５０μｍ、またはさらには約１０μｍ～約１００μｍとすることができる。
カソード層１１１と電解質１２０の間に、カソード機能層（ＣＦＬ）１１２が存在していてもよい。ＣＦＬ１１２は、カソード層１１１と電解質１２０との間の界面抵抗を低下するよう、および／またはＳＯＦＣの製造もしくは動作中に起こり得る、カソード層１１１と電解質１２０との間の望ましくない反応を防止するよう働くことができる。このようなＣＦＬ１１２は、一般に、かなり薄く、約１ｎｍ～約２０μｍの厚さとすることができる。ＣＦＬ１１２の厚さはまた、約５００ｎｍ～約１０μｍの間、またはさらには約１～約５μｍの間であってもよい。ＣＦＬ１１２は、カソード（例えば、ＬＳＣＦ）および／もしくは電解質層（例えば、ＧＤＣ）に関して本明細書に記載されている材料のいずれかの組合せ、またはこのような材料内の元素（例えば、コバルトまたは酸化コバルト）を特色とするそれほど複雑ではない化合物を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。ＣＦＬ１１２はまた、単一カソード層１１１または電解質１２０材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
カソード１１０と同様に、アノード１３０は、コンポジット材料であってもよく、好ましくは、電気化学反応を促進するため、多孔質の、イオンおよび電子（すなわち、電子および／または正孔）伝導体である。本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、単一相材料、または混合物としてコンポジット材料を、例えば、二相コンポジットの場合、質量基準で約３：７～約７：３の比で含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。様々な実施形態では、アノード１３０のいずれかの相またはすべての相が、ＭＩＥＣ材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、アノード１３０のいずれかの相またはすべての相が、純粋な電子伝導体またはイオン伝導体を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、サーメット材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなるコンポジットである。本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、例えば、１種または複数種の固体電解質１２０材料とのコンポジットとして一緒に混合した様々な遷移金属（例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗおよび／またはＦｅ）を含む、これから本質的になる、またはこれからなるサーメットである。例えば、コンポジットサーメットアノード１３０のセラミック構成要素は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。コンポジットサーメットアノード１３０中のＹＳＺは、例えば、約２～約２０ｍｏｌ％または約３～約１２ｍｏｌ％の範囲のドーパント濃度を有することができる。様々な実施形態では、ＹＳＺは、８ｍｏｌ％のＹ（８ＹＳＺ、例えば、（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８）および／または３ｍｏｌ％のＹ（３ＹＳＺ、例えば、（ＺｒＯ２）０．９７（Ｙ２Ｏ３）０．０３）を含む。本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、例えば、ＮｉおよびＹＳＺのコンポジット（Ｎｉ－ＹＳＺ）、またはＣｕおよびＹＳＺのコンポジット（Ｃｕ－ＹＳＺ）を含む、これから本質的になる、またはこれからなる。本発明の様々な他の実施形態では、コンポジットサーメットアノード１３０のセラミック構成要素は、例えば、ＧＤＣを含む、これから本質的になる、またはこれからなる。本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、例えば、ＮｉおよびＧＤＣのコンポジット（Ｎｉ－ＧＤＣ）、またはＣｕおよびＧＤＣのコンポジット（Ｃｕ－ＧＤＣ）を含む、これから本質的になる、またはこれからなる。アノード１３０サーメット中の遷移金属構成要素は、製造されたままのＳＯＦＣセル１００におけるセラミック（例えば、ＮｉＯなどの酸化物）として存在することができるが、還元環境（例えば、水素ガスを含むガス環境）中では、金属相（例えば、Ｎｉ金属）に変換される。
本発明の様々な実施形態では、アノード１３０のすべてまたは一部は、以下の導電性またはＭＩＥＣセラミック材料：ランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ、例えば、Ｌａ０．４Ｓｒ０．６ＴｉＯ３）、Ｆｅをドープしたカルシウムチタネート（例えば、ＣａＦｅｘＴｉ１－ｘＯ３－δ）、チタニアをドープしたＹＳＺ、ＳｃおよびＹをドープしたチタンジルコネート（例えば、Ｓｃ０．１５Ｙ０．０５Ｚｒ０．６２Ｔｉ０．１８Ｏ１．９）などのチタネートベースの酸化物；ランタンクロマイト（例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３）および（ＬａＡ）（ＣｒＢ）Ｏ３系（Ａ＝Ｃａ、ＳｒおよびＢ＝Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）；ストロンチウム、鉄、コバルトおよびモリブデンを含有するセラミック酸化物材料を含むセラミック酸化物（すなわち、ＳＦＣＭ、例えば、ＳｒＦｅ０．１Ｃｏ０．４５Ｍｏ０．４５Ｏ３、ＳｒＦｅ０．２Ｃｏ０．４Ｍｏ０．４Ｏ３、ＳｒＦｅ０．３４Ｃｏ０．３３Ｍｏ０．３３Ｏ３またはＳｒＦｅ０．５Ｃｏ０．２５Ｍｏ０．２５Ｏ３）、ＳｒＦｅＣｏ３Ｏｘ、ＳｒＣｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３およびＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３（ＬＳＣＦ）のうちの１種または複数を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。本発明の様々な実施形態では、導電性またはＭＩＥＣセラミック材料は、コンポジットアノード１３０として、１種または複数種の固体電解質１２０材料と混合される。
アノード１３０のすべてまたは一部は、ＳＦＣＭと酸化セリウム（ＩＶ）またはＧＤＣなどの別の材料との混合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。例えば、図１に示されている通り、アノード１３０は、アノード支持体１３５およびアノード機能層１４０から構成され得る。セル１００を支持し、ガス（例えば、燃料）が機能層１４０に接近することを可能にするアノード支持体１３５は、例えば、ＳＦＣＭと酸化セリウム（ＩＶ）との混合物を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。アノード１３０において電気触媒活性を促進するアノード機能層１４０は、例えば、ＳＦＣＭとＧＤＣとの混合物を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、アノード１３０は、ニッケル、酸化ニッケルおよび／またはイットリアを含まない。本発明の実施形態によれば、アノード１３０および／またはその一部（例えば、アノード支持体１３５および／またはアノード機能層１４０）は、「すべてがセラミック」であってもよく、すなわち、ニッケル、酸化ニッケル、およびセラミック相のネットワーク内に取り込まれていない他の金属を含まない。このような材料は、負荷追従、熱サイクルおよびレドックスサイクルの間、優れた性能および信頼性を示すことができる。
本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、サーメットまたはセラミック材料内のさらなる相として、１種または複数種のアルカリおよび希土類材料（例えば、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＣｅＯ２）の添加によりさらに修飾される。他の材料は、アノード１３０の表面を「修飾する」ことができ、浸潤溶液（例えば、硝酸ニッケルまたは硝酸セリウム）などの様々な技法とその後の焼成により堆積させることができる。表面「修飾」材料の他の堆積方法は、洗浄コーティング（例えば、コロイド溶液）および化学蒸着（ＣＶＤ）を含む。このような材料のアノードの表面（アノード内部の細孔および界面の表面を含む）への添加により、イオン伝導性および／または電気導電性を増強することができる、触媒活性および／または電気触媒活性を増強することができる、ならびに／あるいはある種の燃料組成物（例えば、天然ガス）の存在下で、硫黄毒またはコークス化などの望ましくない反応を抑制することができる。アノード１３０のための追加の浸潤材料は、例えば、白金族金属（例えば、ＰｔまたはＲｕ）、および／またはアノード１３０の材料（例えば、Ｎｉ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｐｒなど）の他の可能な組合せのいずれかからの構成体を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。
本発明の様々な実施形態では、アノード１３０は、アノード支持体（またはアノード支持層）１３５およびアノード機能層（ＡＦＬ）１４０を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。ＡＦＬは、ＡＳＬ中よりも微細な粒子を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができ、これによって、より多数の三相境界およびその結果の一層高い電気化学活性がもたらされる。ＡＦＬは、アノードと電解質との間の界面抵抗を低下させるよう、および／またはＳＯＦＣの製造もしくは動作中に起こり得る、アノード支持層１３５と電解質１２０との間の望ましくない反応を防止するよう働くことができる。このようなＡＦＬ１４０は、一般にかなり薄く、様々な実施形態では、ＡＦＬ１４０は、約１ｎｍ～約２０μｍの厚さとすることができる。様々な実施形態では、ＡＦＬ１４０の厚さは、約５００ｎｍ～約１０μｍの間、またはさらには約１～約５μｍの間とすることができる。ＡＦＬ１４０は、アノードおよび／もしくは電解質層（例えば、Ｎｉ－ＧＤＣ）の材料のいずれかの組合せ、またはこのような材料内の元素（例えば、コバルトまたは酸化コバルト）を特色とするそれほど複雑ではない化合物を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。アノード支持層（ＡＳＬ）１３５の厚さは、約１００μｍ～約２，０００μｍの厚さ、または約１５０μｍ～約１，０００μｍ、または約２００μｍ～約８００μｍ、またはさらには約３５０μｍ～約７００μｍの厚さとすることができる。
様々な実施形態では、セル１００は、電解質支持型である。図１を参照すると、電解質１２０は、電解質支持型セル１００の最も厚い部分である。アノード１３０およびカソード１１０は、電解質支持型であるセル１００中の電解質１２０よりもはるかに薄い。密度の高い電解質がセルの最も厚い部分となるので、このようなセルはより強くなる傾向があるが、他の利点の中でも、そのようなセルは、より大きな抵抗損失を有する傾向があり、したがって、電極支持型（例えば、アノード支持型）セルに比べると、性能がより低くなることが代償となる。電解質支持型セル１００の場合、電解質支持層の厚さは、約７５μｍ～約７５０μｍの厚さ、または約１２５μｍ～約５００μｍ、またはさらには約２００μｍ～約３５０μｍの厚さとすることができる。電解質支持型セル中の電解質支持層は、例えば、典型的な電解質が高密度である一方、アノードは多孔質であるため、アノード支持型セル中のアノード支持層よりも薄くなり得る。電解質支持型セル１００の場合、アノード１３０は、約５μｍ～約２００μｍ、または約１０μｍ～約１００μｍ、またはさらには約１５μｍ～約５０μｍの厚さを有することができる。電解質支持型セル１００の場合、カソード１１０は、約０．５μｍ～約５００μｍの厚さ、または約５μｍ～約２５０μｍ、またはさらには約１０μｍ～約１００μｍの厚さとなる厚さを有することができる。
様々な実施形態では、セル１００は、カソード支持型である。図１を参照すると、カソード１１０は、カソード支持型セル１００の最も厚い部分である。アノード１３０および電解質１２０は、カソード支持型であるセル１００中のカソード１１０よりもはるかに薄い。カソード支持型セルは、低分解を伴う長寿命を有することが示されているが、カソード支持型セルは、電解質支持型セルまたはアノード支持型セルよりも製造するのが難しい傾向があること、およびカソード支持型セルは、アノード支持型セルよりも低い性能を有する傾向があることが代償となる。カソード支持型セル１００の場合、カソード支持層の厚さは、約１２５μｍ～約１，０００μｍの厚さ、または約２５０μｍ～約８００μｍ、またはさらには約４００μｍ～約６００μｍの厚さとすることができる。カソード支持型セル１００の場合、アノード１３０は、約５μｍ～約２００μｍまたは約１０μｍ～約１００μｍまたはさらには約１５μｍ～約５０μｍの厚さを有することができる。カソード支持型セル１００の場合、電解質１１０は、例えば、約５００ｎｍ～約４０μｍ、または１μｍ～約４０μｍ、または５μｍ～約３０μｍまたはさらには約１０μｍ～約３０μｍの範囲の厚さを有することができる。
様々な実施形態では、セル１００は、金属支持型であるか、またはセラミック支持型でさえある。例えば、金属支持型セル１００は、金属支持体（例えば、４４１ステンレス鋼などの多孔質ステンレス鋼）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができ、金属支持体の表面に、より薄いアノード材料（例えば、Ｎｉ－ＹＳＺなどのサーメット）、電解質およびカソードが配設される。このようなセルのより薄い層は、高温時に支持体と他の層との間での望ましくない反応を回避するため、薄層堆積技法（例えば、スパッタリングまたは熱／プラズマスプレー技法）を使用して堆積されることが多い。セラミック支持型セルは、多孔質セラミック支持体（例えば、ＹＳＺまたはＧＤＣ足場）を含むことができ、多孔質セラミック支持体の表面に、一層薄いアノード材料（例えば、Ｎｉ－ＹＳＺなどのサーメット）、電解質およびカソードが配設される。多孔質セラミック支持体は、セルを支持している間、アノードとして機能することはない。多孔質セラミック支持体は、導電性セラミックとすることができるか、または導電性は、足場の全体または一部をコーティングする導電性材料（例えば、ニッケル）の浸潤により導入することができる。様々な実施形態では、相互接続部は、セル支持体として使用され、こうして、別の相互接続部は、ＳＯＦＣスタックに必要ではない。様々な実施形態では、多孔質金属支持型セル１００またはセラミック支持型セル１００は、相互接続部に接合される（例えば、ろう付けまたは溶接を使用する）。様々な実施形態では、金属、セラミックまたは相互接続部の支持体は、約１００μｍ～約５，０００μｍ、または約１５０μｍ～約１，０００μｍ、またはさらには約２００μｍ～約５００μｍの厚さを有することができる。
上記の通り、例えば、ＳＯＦＣの動作電圧を向上するため、複数のＳＯＦＣセルは、積層した直列接続構造で、ＳＯＦＣに利用され得る。図２は、このような直列接続したスタック構造の一部の模式図であり、ここでは、各セル１００は、固体の相互接続プレート（または「相互接続部」）２００によって隣接セル１００から隔離されている。本明細書における例は、平板相互接続部を実証しているが、この相互接続部はまた、複数の非平面セルの相互接続に適合するような他の形状（例えば、管状もしくは部分的に管状の形状、または凹形状、または管状セル表面に堆積された材料の均質なストリップ）に作製されてもよい。様々な実施形態では、相互接続部は、プレート、管または部分管を含めた、様々な形状を有することができる。様々な実施形態では、相互接続部（または相互接続部のろう付け材料）は、セルの表面に直接、堆積され、セルの形状、またはセルの一部の形状と一致することができる。
相互接続部２００は、電気的な（イオン的とは対照的）流れ（または、「電流」）２１０が、セル１００間で、および最終的に、ＳＯＦＣスタック自体から出て外部電気負荷に流れることが可能となるために、通常、導電性である。示される通り、相互接続部２００は、例えば、相互接続部２００を通過して様々な方法に延び得るリブおよびチャネルを備えて、酸素源１５０および燃料１６０の流れの分離および均一性を容易にするように成形されていてもよい。様々な実施形態では、リブおよびチャネルは、相互接続部２００において、杉綾模様または蛇紋石のパターンなどの様々な形状を画定することができる。このようなパターンは、相互接続部２００に沿って連続であってもよく、または不連続であってもよい。様々な実施形態では、パターンは、相互接続部２００の両側の表面で同じである。様々な実施形態では、相互接続部２００の一方の側の上のパターンは、相互接続部２００の他方の側のパターンとは異なる。様々な実施形態では、相互接続部２００は、ガス流を一部、方向付けるよう、ガスプレナムおよび／または流動場翼などの他のフィーチャを画定することさえすることができる。相互接続部２００のこのような他のフィーチャは、リブおよびチャネルに関して記載されているものと同じまたは類似の設計にあることができる。図２において、上部相互接続部２００の上にカソード１１０の一部、および底部相互接続部２００の下にアノード１３０の一部を含ませることによって示されている通り、本発明の実施形態によるＳＯＦＣは、相互接続部２００によって分離されている複数のセル１００を組み込むことができる。図２および図１は、カソード１１０、アノード１３０および電解質１２０を同じ長さおよび幅寸法を有するように示すが、セル１００における各層は、異なる長さおよび幅寸法を有してもよい。
図２は、交差流として知られている反応剤の流れ構造を示しており、この場合、酸素源１５０および燃料１６０は、互いに垂直な方向に流れる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタックは、酸素源１５０および燃料１６０が互いに平行に流れる、流れ配置を利用してもよく、またはやはりこれを利用する。例えば、ＳＯＦＣスタックは、並流構造（すなわち、同じ方向に平行な流路）または向流構造（すなわち、反対の方向に平行な流路）を使用してもよい。
様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタックにおけるセルは、例えば、様々な機械的および／または電気的設計規格を達成するため、直列および並列連結という様々な構造で接続される。例えば、ＳＯＦＣスタックは、２組の並列に接続されたセルの組を含むことができ、この場合、各組のセルは、スタックに対して、指定される定格出力レベルで、特定の電圧出力範囲を実現するために、複数（例えば、１０）の直列接続したセルを含む。様々な実施形態では、複数の異なるＳＯＦＣスタックが、依然として個別の機械アセンブリとして存在しながら、直列でまたは並列に電気的に接続されてもよい。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック内のある特定のセルは、機械アセンブリとして、ＳＯＦＣスタックの軸に沿って積層されていながらも、全体として電気隔離されたままである（すなわち、スタックのある特定の領域は、スタックの他の領域から電気隔離されている）。
様々な実施形態では、相互接続部２００は、ステンレス鋼（例えば、４４０、４４１または４３０ステンレス鋼などの４００シリーズのステンレス鋼、または３０４もしくは３１６ステンレス鋼などの３００シリーズのステンレス鋼、またはＣｒｏｆｅｒ ２２ ＡＰＵもしくはＣｒｏｆｅｒ ２２ Ｈなどの特殊ステンレス鋼）、ハステロイなどの高温のＮｉ基合金（例えば、Ｎｉと、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｍｎ、Ｖ、ＴｉもしくはＷのうちの１種または複数を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる合金）、インコネル（例えば、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｓ、ＰもしくはＢのうちの１種または複数をやはり含有する、Ｎｉ－Ｃｒベースの超合金）、またはモネル（例えば、Ｆｅ、Ｍｎ、ＣまたはＳｉのうちの１種または複数をやはり含有する、Ｎｉ－Ｃｕ合金）、グラファイト、アルミニウムもしくは銅などの１種または複数種の材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣにおける相互接続部２００のすべてが、同じ材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる一方、他の実施形態では、相互接続部２００の少なくとも２つは、異なる材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。様々な実施形態では、相互接続部２００は、１種または複数種のアルミニウム合金（例えば、６０６１、２０２４、３００３、７０７５または５０００シリーズのアルミニウム合金）、またはアルミニウムと、Ｓｉ、Ｃｕ、ＮｉまたはＦｅのうちの１種もしくは複数種との合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。様々な実施形態では、相互接続部２００の全厚さ（例えば、最大厚さ）は、例えば、約０．２ｍｍ～約３０ｍｍ、または０．２ｍｍ～１０ｍｍ、またはさらには０．５ｍｍ～４ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、相互接続部２００の最小ウェブ厚さ（すなわち、どの部分でも最小厚さ）は、約０．０２ｍｍ～約０．５ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、相互接続部２００の最小ウェブ厚さは、約０．０５ｍｍ～約０．３ｍｍまたはさらには約０．１ｍｍ～約０．２ｍｍの範囲とすることができる。相互接続部２００は、機械加工（例えば、ミル粉砕）、スタンプ、レーザー切断、化学エッチング、ハイドロフォーミング、ウォータージェット切断、キャスティング、プレス、射出成形などの、慣用的なプロセスまたはこれらのプロセスの組合せを利用して製造され得る。
図３Ａは、直列で電気的に接続されている複数のセル１００および相互接続部２００を特色とするＳＯＦＣ３００を概略的に図示している。したがって、図３Ｂに示されている通り、ＳＯＦＣ３００は、複数の「繰り返しユニット」３１０から部分的に構成される。本発明の実施形態によるＳＯＦＣは、ＳＯＦＣ３００スタックについて所望の電圧および出力に応じて、２つもしくはそれより多い、１０もしくはそれより多い、５０もしくはそれより多い、またはさらには１００もしくはそれより多い、繰り返しユニット３１０を特色とすることができる。相互接続プレートは、正方形プレートとして示されているが、セルの幾何形状または他の制約に適合するよう、任意の他の形状（例えば、円形、矩形または長円形）を有することができる。示されている通り、繰り返しユニット３１０は、セル１００、相互接続部２００、およびセル１００と隣接する相互接続部２００との間に配設されている１つまたは複数のシール（または「ガスケット」）３２０を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。シール３２０は、ＳＯＦＣ３００をシールし、外部漏出、および／もしくはＳＯＦＣ３００の異なる構成要素間でのクロスオーバー漏出を防止する、または最小限にする。例えば、シール３２０は、酸素源のための相互接続部チャネルと燃料のための相互接続部チャネルとの間のクロスオーバー漏出を実質的に防止することができる（例えば、図２を参照されたい）。シール３２０は、ＳＯＦＣ３００スタックの縁部の形状に実質的に一致するフレームとして概略的に図示されているが、様々な実施形態では、１つまたは複数のシールが、セル１００および／または相互接続部２００のより多くの領域を被覆することができ、それを通る複数の開口部または隙間を画定することができる。シール３２０は、キャスト法（例えば、スリップキャスト法またはテープキャスト法）、押出、３Ｄ印刷、スクリーン印刷、レーザー切断、ダイ切断、プレード切断、ウォータージェット切断、機械加工（例えば、ミル粉砕）などの慣用的なプロセスにより形成することができる。シール３２０は、単一工程で形成／成形されていてもよく（例えば、スクリーン印刷したシール）、または最初に形成されて、次に、成形（例えば、テープキャスト、次いでダイ切断）されてもよい。シール３２０はまた、所定の位置で形成／成形されてもよく（例えば、３Ｄ印刷）、または最初に形成／成形されて、次いで、ＳＯＦＣ３００スタックにおける構成要素の残りと組み立てられてもよい（例えば、事前切断したガスケットの使用）。適切な位置で形成／成形したシール３２０の追加の堆積技法には、スプレーコーティング、ならびに様々な物理的および化学的蒸着技法（例えば、スパッタリング、パルスレーザー堆積または溶媒蒸発）が含まれる。シール３２０はまた、ろう付け、溶接などを使用して構成要素を接合する結果として効果的に作製され得る。
本発明の様々な実施形態では、各繰り返しユニットは、セル１００の一方の側だけの表面に１つまたは複数のシール３２０があることを特色とすることができ、このようなシールは、セルのアノード１３０側またはカソード１１０側のどちらか一方に位置する。様々な実施形態では、各繰り返しユニットは、セル１００の両側に１つまたは複数のシール３２０があることを特色とすることができ、この場合、セルのカソード１１０側のシール３２０は、セルのアノード１３０のシール３２０と同じ幾何形状、量、構造を有しており、同じ材料からなる（すなわち、繰り返しユニットは、完全に対称なシール配置を有する）。様々な実施形態では、各繰り返しユニットは、セル１００の両側に１つまたは複数のシール３２０があることを特色とすることができ、この場合、セルのカソード１１０側のシール３２０は、セルのアノード１３０側のシール３２０とは異なる（すなわち、繰り返しユニットは、非対称なシール配置を有する）。様々な実施形態では、セル１００のそれぞれの側のシール３２０間の差異は、シール３２０の材料、幾何形状または量のうちの１つまたは複数の差異である。様々な実施形態では、セル１００のカソード１１０側のシール３２０の厚さは、セルのアノード１３０側のシール３２０の厚さとは異なる。
本発明の実施形態による例示的な対称なシール配置は、セルのアノード側およびカソード側の両方にバーミキュライト製シール、およびセルのアノード側とカソード側の両方にグラファイト製シールを含む（対称なシール配置は、例えば、シール自体に一様に適用されることとは対照的に、ガラスが１つまたは複数のシールの縁部に配設（例えば、印刷）されてもよいものを含むことに留意されたい）。本発明の実施形態による例示的な非対称なシール配置は、セルのアノード側にグラファイト製シール、およびセルのカソード側にバーミキュライト製シールを含む。
本発明の様々な実施形態では、シール３２０は、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。１つまたは複数の相互接続部２００が、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる実施形態では、１つまたは複数のシール３２０（例えば、そうでない場合、相互接続部２００と隣接するセル１００とを分離する１つまたは複数のシール３２０）が省略されてもよく、相互接続部２００はまた、ＳＯＦＣスタックでシールとして機能することができる。様々な実施形態では、シール３２０のうちの１つまたは複数は、雲母、バーミキュライト、ガラス、ろう付け用合金、アスベスト、ポリアミド（例えば、アラミド）、タルク、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ）、ポリアミド－イミド（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ）、ポリシロキサン（例えば、シリコーン）、および／またはシルセスキオキサン（例えば、フェニルシルセスキオキサン）などの１種または複数種の他の材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、ポリシロキサンシール３２０は、室温硬化型（ＲＴＶ）シリコーンである（例えば、Ｈａｒｔｆｏｒｄ（ＣＴ）のＰｅｒｍａｔｅｘから入手可能な銅ＲＴＶ）。様々な実施形態では、少なくとも１つのシール３２０は、１種または複数種のろう付け用合金（例えば、Ａｇ７０．５Ｃｕ２６．５Ｔｉ３およびＡｇ６４Ｃｕ３４．２Ｔｉ１．８を含む、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉによるろう付け部；ならびにＡｇ１００、Ａｇ７２Ｃｕ２８、Ａｇ７０Ｃｕ２０Ｚｎ１０およびＡｇ６０Ｃｕ２５Ｚｎ１５を含む銀ベースのろう付け部）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる。様々な実施形態では、少なくとも１つのシール３２０は、アルミニウムおよび／または銅（例えば、Ａｌ９４．７５Ｓｉ５．２５、Ａｌ９２．５Ｓｉ７．５、Ａｌ９０Ｓｉ１０およびＡｌ８６Ｓｉ１０Ｃｕ４を含む、Ａｌ－ＳｉおよびＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕによるろう付け部；ならびにＣｕ８５Ｓｎ８Ａｇ７、Ｃｕ７５．５Ａｇ１８Ｐ６．５およびＣｕ９２．８Ｐ７．２を含むＣｕベースのろう付け部）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる、ろう付け用合金を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることに留意されたい。これらの例となるろう付け用合金は、名目上の組成に関して記載されており、Ｌｕｃａｓ Ｍｉｌｈａｕｐｔ（例えば、ＳＩＬＶＡＬＯＹ）、Ｐｒｉｎｃｅ＆Ｉｚａｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ（例えば、ＢＡｌＳｉ）およびＳＡＸＯＮＩＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（例えば、ＢｒａｚｅＴｅｃ）を含む、様々な商標／製品名でいくつかの製造業者から入手可能である。ろう付け用合金は、ペースト、ホイル、ワイヤ、ストリップまたは粉末を含めた、様々な形態で利用することができる。各場合において必要ではないが、ある種の場合、フラックス（例えば、フッ素および／またはホウ素を含有する塩）をろう付け用合金と共に使用して、例えば、ろう付け操作中の酸化を防止する、およびぬれ改善することができる。様々な実施形態では、スパッタリングした層（例えば、ＴｉまたはＮｉ）、または金属（例えば、ＮｉまたはＡｇ）と混合したガラスの中間層が、ろう付け前にセルに堆積される。様々な実施形態では、シール３２０のガラスは、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、ＢａＯ、ＭｇＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＺｎＯおよび／もしくはＬｉ２Ｏを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、ガラス系は、Ａｌ２Ｏ３－ＢａＯ－Ｂ２Ｏ３－ＳｉＯ２－ＣａＯ、ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＳｒＯ－ＺｎＯ－Ｂ２Ｏ３－Ｌｉ２Ｏ、ＳｉＯ２－ＢａＯ－ＭｇＯ－Ｌａ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３もしくはＢａＯ－Ｂ２Ｏ３－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＺｎＯを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、ガラス組成物は、１～５５重量％のＳｉＯ２、０～５０重量％のＢ２Ｏ３、０～７０重量％のＢａＯ、０～１０重量％のＣａＯ、０～５０重量％のＡｌ２Ｏ３、０～１５重量％のＬａ２Ｏ３、０～３０重量％のＭｇＯ、０～３５重量％のＳｒＯ、０～３５重量％のＺｎＯおよび０～５重量％のＬｉ２Ｏを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣにおけるシール３２０のすべてが、同じ材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる一方、他の実施形態では、シール３２０の少なくとも２つは、異なる材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなる。様々な実施形態では、シール３２０の厚さは、例えば、約０．００５ｍｍ～約１５ｍｍの範囲にあることができる。様々な実施形態では、シール３２０の厚さは、約０．０１ｍｍ～約１０ｍｍ、または約０．０５ｍｍ～約５ｍｍ、またはさらには約０．０５ｍｍ～約２ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、繰り返しユニット（例えば、図３Ｂ）におけるシール３２０を構成する個々のガスケット層は、同じ厚さを有する。様々な実施形態では、繰り返しユニットにおけるシール３２０を構成する個々のガスケット層のうちの少なくとも２つは、異なる厚さを有する。
図３Ｂはまた、セル１００と相互接続部２００との間に配設されている１つまたは複数の集電体３３０を含んでいるものとして、繰り返しユニット３１０を図示している。本発明の様々な実施形態では、例えば、セル１００および／または相互接続部２００の表面の非平面性が、そうでない場合にそれらの間の電気接触を損なうか、または低減させ得る場合、集電体３３０は、セル１００と相互接続部２００との間の電気接触を容易にする、または改善することができる。集電体３３０はまた、例えば、ＳＯＦＣ３００の温度サイクル（および／または動作中のＳＯＦＣ３００の１つまたは複数の部分内での局所加熱）により、ＳＯＦＣ内部での熱膨張差が生じる場合、セル１００の機械的緩衝をもたらすことができる。様々な実施形態では、集電体３３０は、各セル１００の片側（例えば、アノード側）のみに存在してもよく、すなわち、各繰り返しユニット３１０は、単一の集電体３３０のみ含むことがあり、その結果、セル１００の表面の１つだけが、これにより、隣接する相互接続部から分離される。他の実施形態では、ＳＯＦＣ３００は、集電体３３０を含まない。図３Ｂに示される通り、集電体３３０は、メッシュ、穴あきシート、および発泡シート、ファイバーマット、フェルト、布、フォーム（例えば、発泡フォーム）または同様の構造の形態を有するか、またはこれらから少なくとも部分的に構成されることができ、したがって、多孔度、穴または他の開口部を特色とすることができる。集電体３３０は、ＳＯＦＣ３００内の機械的応力および／または非平面性に適合するよう、少なくとも部分的に可撓性、弾性、および／または弾力性があり得る。本発明の様々な実施形態では、集電体３３０のうちの１つもしくは複数、またはこれらの全部でさえも、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、集電体３３０は、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、金、白金などの金属を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、集電体３３０は、バルク集電体３３０の一部またはすべての表面に金属コーティングまたはセラミックコーティングを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。例えば、集電体３３０は、マンガン－コバルト酸化物（ＭＣＯ）によってコーティングされている４３０ステンレス鋼メッシュを含むことができ、これは、高温で導電性であり、ステンレス鋼の望ましくない酸化を防止し、Ｃｒ揮発性を低下させる。様々な実施形態では、集電体３３０は、Ｃａおよび遷移金属をドープしたイットリウムクロマイト、またはアルカリ土類金属をドープしたランタンクロマイトなどの、セラミック材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。
様々な実施形態では、１つまたは複数の集電体３３０は、ＳＯＦＣ３００の様々な構成要素、例えば、セル１００および／または相互接続部２００表面の薄膜または層として適用されてもよい。様々な実施形態では、集電体３３０の厚さは、約０．０００５ｍｍ～約１５ｍｍ、または約０．０００５ｍｍ～約５ｍｍ、または約０．００１ｍｍ～約２．５ｍｍ、または約０．００５ｍｍ～約１ｍｍ、またはさらには約０．０２ｍｍ～約０．７５ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、セル１００の一方の側または両側のセル１００にある集電体３３０は、１つより多い層から構成されている。様々な実施形態では、セル１００のそれぞれの側にある個々の集電体３３０は、同じ厚さを有する。様々な実施形態では、集電体３３０を構成する少なくとも２つの個々の集電体層は、異なる厚さを有する。
様々な実施形態では、セル１００のアノード１３０および／またはカソード１１０は、アノードまたはカソードの表面に配設されている電気接触層をさらに有してもよい。様々な実施形態では、例えば、アノード１３０は、アノードの外側層上で堆積したニッケルまたは銀などの金属の薄層を有することができる。様々な実施形態では、カソード１１０は、カソードの外側層上の銀などの金属またはＬＳＣなどのセラミックの薄層を有することができる。電気接触層は、電子を完全にまたは主に伝導し、電子がセル１００と相互接続部２００との間を移動するときに、アノードまたはカソードの外側表面においてシート抵抗を低下させるよう意図される。様々な実施形態では、アノード１３０および／またはカソード１１０の表面に配設されている電気接触層の厚さは、約０．００５ｍｍ～約５ｍｍ、または約０．０１ｍｍ～約３ｍｍ、またはさらには約０．０５ｍｍ～約１ｍｍの範囲とすることができる。電気接触は、これが接触している電極（すなわち、カソードまたはアノード）と同じ面積サイズであってもよく、またはこれより小さくてもよい。
図３Ａに示されている通り、ＳＯＦＣ３００はまた、繰り返しユニット３１０の上および下にエンドプレート３４０を組み込んでもよい。エンドプレート３４０は、様々な実施形態では、ＳＯＦＣ３００が、例えば、１つまたは複数のタイ－ロッド、クランプ（例えば、ねじ、バンド／ストラップ、またはトグルタイプのクランプ）または他の留め具を介して一緒にクランプまたは固定されるので、ＳＯＦＣ３００に機械的剛性をもたらし得る。
ＳＯＦＣスタック３００は、酸素供給１５０または燃料１６０がＳＯＦＣスタック３００に運ばれる手段、および排気ストリームがＳＯＦＣスタック３００から離れる方向に向かう手段を有する。様々な実施形態によれば、入口（供給）および出口（排気）ガスストリームがＳＯＦＣスタック３００内に向かう、およびＳＯＦＣスタック３００または複数のＳＯＦＣスタック３００を出入りする方法は、直接的なガス接続および／またはガス分配マニホールドの使用による。マニホールドは、より大きなガス流の導管をより小さなガス流の導管分岐部へと分割するか、またはマニホールドは、より小さなガス流の導管分岐部をより大きなガス流の導管へと一緒にするものである。様々な実施形態では、ガスマニホールドは、ＳＯＦＣスタック３００の内部（またはこれと一体化）（すなわち、スタック自体の一部）とすることができ、ガスを各繰り返しユニット３１０におよびここから向かわせる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、外部マニホールドを有しており、このマニホールドは、ＳＯＦＣスタック３００に流体接続する必要がある。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、内部マニホールドおよび外部マニホールドの両方を有する。様々な実施形態では、内部マニホールドおよび／または外部マニホールドは、アルミニウム、グラファイト、ステンレス鋼または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
様々な実施形態では、エンドプレート３４０の一方または両方がやはり、外部マニホールドの結合点として、およびＳＯＦＣスタック３００の内部マニホールドの一部として機能することができる。例えば、図３Ａに示されている通り、ＳＯＦＣスタック３００は、酸素供給１５０または燃料１６０をスタックに運び、排気ストリームをスタックから離れる方向に向かわせる、入口および出口流体接続部３５０を有する。ＳＯＦＣスタック３００の内部では、酸素供給１５０または燃料１６０は、的確な反応剤であるガスを各繰り返しユニット３１０のカソード１１０またはアノード１３０に送達する内部マニホールドを介して分配される。これらのガスは、異なる内部マニホールド３６０構造を使用して送達されてもよい。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、Ｕ形状の内部マニホールド３６０を有してもよく、この場合、ガスのすべてが、図３Ｃに示されている通り、スタックの一方の側を出入りする、または本質的に出入りする。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、Ｚ形状の内部マニホールド３６０を有してもよく、この場合、図３Ｄに示されている通り、スタックの一方の側に入るガスストリームは、スタックの他の側から出る、またはここから本質的に出る。図３Ｃおよび３Ｄは、向流構造を示しているが、内部マニホールドは代替の流路配置（例えば、並流および交差流）を使用することもできる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、蛇行形状の内部マニホールドなどの追加の内部マニホールド構造を有することができる。並流構造は、ＳＯＦＣスタック３００において、セル１００にかかる最も低い熱勾配をもたらす。向流および並流構造はどちらも、ＳＯＦＣスタック３００において、交差流構造よりもセル１００全体にはるかに低い熱勾配をもたらす。交差流構造は、アノード１３０とカソード１１０の流れストリームの分離がより大きいため、一層単純なシールおよびマニホールド配置をもたらす。ＳＯＦＣスタック３００においてより高い熱伝導率を有する材料（例えば、アルミニウム、グラファイトおよび銅）を使用することにより、セル１００全体の熱勾配が低下し得、比較的大きな熱勾配の典型的な下部側が起こることなく、一層単純なシール／マニホールド配置のための交差流構造の使用が可能となり得る。図３Ｅは、例示的なＳＯＦＣスタック３００構成要素（すなわち、エンドプレート３４０および相互接続部２００）の分解図における、内部マニホールド３６０および流体接続部３５０の追加の詳細を提示する。追加の内部マニホールド構造が可能である。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００の縁部に存在する入口内部マニホールド３６０ではなくむしろ、入口マニホールドがスタックの中央部に存在し、セル１００のすべての中心部の穴を通過し得る。このような配置での排気ストリームは、内部マニホールドを経由するのではなく、単にスタックの縁部を出ることができる。
内部マニホールド３６０よりはむしろ、ＳＯＦＣスタック３００は、異なるマニホールド手法を使用してもよい。図３Ｆは、繰り返しユニット３１０およびエンドプレート３４０を備えるＳＯＦＣスタック３００を示しているが、図３Ｃ～３Ｅ中とは異なり、エンドプレートになされる流体接続部は存在しない。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、側板３７０を利用して、入口および出口の流れをＳＯＦＣスタック３００に分配する外部マニホールド配置を使用する。側板３７０は、上部エンドプレート３４０から底部エンドプレート３４０までスタックの各隅で延びるスタックフレーム３８０にシールされる。側板３７０を有する外部マニホールド配置では、シール１００は、クロスオーバー漏出および外部漏出よりはむしろ、クロスオーバー漏出を防止するように配置されているので、セルおよび相互接続シール１００は、セルおよび／または相互接続部の全周の周囲をシールしない。図３Ｆは、ガスストリームが入口流体接続部３５０の導入口を介してＳＯＦＣスタック３００の１つの区分の繰り返しユニット３１０に入る蛇行流分布（交差流経路構造を有する）を示している。ガスストリームは、反対側の側板３７０に到達した後、方向を変えて、繰り返しユニット３１０の異なる区域に戻る。ガスストリームは、排気流体接続部３５０の導入口に到達するまで、蛇行流パターンで前後に進む。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、平行流路構造（例えば、並流または向流）で、側板３７０を備える外部マニホールド配置を使用する。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、Ｚ形状またはＵ形状のマニホールド構造における側板３７０を備える外部マニホールド配置を使用する。様々な実施形態では、スタックフレーム３８０および／またはスタック側板３７０は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタック側板３７０および／またはスタックフレーム３８０は、相互接続部２００に関して本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、側板３７０は、グラファイト、バーミキュライト、雲母および／または本明細書において詳述されている他のシール材料を使用して、スタックフレーム３７０および／またはエンドプレート３４０の側面にシールされ得る。
ＳＯＦＣスタック３００の入口および出口への流体接続部３５０は、多数の形態をとることができ、様々な接合方法のいずれかを使用して作製することができる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００の入口および出口への接続は、クランプされたフランジ（例えば、ナットおよびタイ－ロッドでクランプされている）および金属シール（例えば、銅）または他のシール（例えば、グラファイト、バーミキュライト、雲母、または本明細書において詳述されている他のシール材料）を使用して作製される。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００の入口および出口流体接続部３５０への接続部は、チューブ／パイプおよび様々なチューブ／パイプ管継手（例えば、フレアレス管継手）を使用して作製される。様々な実施形態では、入口および出口流体接続部３５０への接続は、チューブまたはパイプをＳＯＦＣスタック３００に直接溶接またはろう付けすることによって行われる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００への流体接続部３５０および／または前記流体接続部３５０への連結部（すなわち、チューブ／パイプおよびチューブ／パイプ管継手）は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、流体接続部３５０は、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、流体接続部３５０は、流体接続部の内側および／または外側にコーティングまたはクラッディング（例えば、ニッケルクラッディングまたはニッケルめっき）を有する。
様々な実施形態では、流体接続部３５０のすべてまたはいくつかへの接続は、単一本体（すなわち、複数の内部通路を有する１つの材料片）または複数の単一本体のヘッダーマニホールドから作製される。例えば、ＳＯＦＣベースの電力システムでは、複数のＳＯＦＣスタック３００を、外部ヘッダーマニホールドによって、単一の外部燃料改質装置（すなわち、例えば、天然ガス燃料からシンガスを生産するデバイス）および／または熱交換器に接続することができる。様々な実施形態では、燃料１６０ストリームの外部ヘッダーマニホールドからの分岐部は、各スタックの入口流体接続部３５０において、複数のＳＯＦＣスタック３００と連結している。様々な実施形態では、単一本体ヘッダーは、酸素源１５０および燃料１６０を供給する。様々な実施形態では、単一本体ヘッダーは、ＳＯＦＣスタック３００のカソードおよびアノードストリームのための排気導管を設けている。様々な実施形態では、単一本体ヘッダーは、入口を分けて、出口（排気）ストリームを合わせる。様々な実施形態では、外部ヘッダーマニホールドは、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、外部ヘッダーマニホールドは、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、外部ヘッダーマニホールドは、グラファイト、バーミキュライト、雲母、または本明細書において詳述されている他のシール材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができるシールを用いて、ＳＯＦＣスタック３００のエンドプレート３４０にシールされている。
様々な実施形態では、一方または両方のエンドプレート３４０は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、一方または両方のエンドプレート３４０は、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、エンドプレート３４０の全厚さは、例えば、約０．２ｍｍ～約３０ｍｍの範囲にあることができる。様々な実施形態では、エンドプレート３４０の全厚さは、約１ｍｍ～約２５ｍｍ、約５ｍｍ～約２０ｍｍ、またはさらには約１０ｍｍ～約１５ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、エンドプレート３４０の最小ウェブ厚さは、約０．１５ｍｍ～約０．５ｍｍ、または約０．２ｍｍ～約０．４ｍｍ、またはさらには約０．２ｍｍ～約０．３ｍｍとすることができる。エンドプレート３４０は、機械加工（例えば、ミル粉砕）、スタンプ、レーザー切断、化学エッチング、ハイドロフォーミング、ウォータージェット切断、キャスティング、プレス、射出成形などの慣用的なプロセスを利用して製造することができる。様々な実施形態では、１つまたは複数のエンドプレート３４０は、１つまたは複数の相互接続部２００と同じ厚さを有する。
様々な実施形態では、流体接続部３５０は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、流体接続部３５０の一方またはどちらも、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、側板３７０は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、側板３７０の一方またはどちらも、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタックフレーム３８０は、アルミニウム、グラファイトおよび／または銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、スタックフレーム３８０の一方またはどちらも、相互接続部２００について本明細書において詳述されている１種または複数種の材料（例えば、ステンレス鋼またはアルミニウム合金）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、１つまたは複数のエンドプレート３４０、側板３７０、相互接続部２００およびスタックフレーム３８０は、同じ材料を含む、これから本質的になる、もしくはこれからなることができるか、またはそれらの２つもしくはそれより多くが、異なる材料を含む、これから本質的になる、もしくはこれからなることができる。
様々な実施形態では、セルおよび相互接続部は、同じサイズ、またはほぼ同じサイズを有する。図４Ａは、ＳＯＦＣスタック３００の繰り返しユニット３１０に関する概略斜視図であり、この場合、セル１００および相互接続部２００は、ほぼ同じ面内寸法（例えば、長さおよび幅がほぼ同じ長さ）を有しており、相互接続部２００は、コンタクトリブ４１０と共に示されている。セル１００が、相互接続部２００とほぼ同じサイズである場合（図３Ｂにも示されている）、このセルは、図３Ｅに見られる相互接続部２００の内部マニホールド３６０に類似した、穴または他のスルーフィーチャ（through feature）を含んでもよい。相互接続部２００の流動場は、相互接続部およびセルの大部分または全体を覆ってもよい。様々な実施形態では、相互接続部２００の流動場は、シール３２０が存在する領域を除き、相互接続部全体を覆う。様々な実施形態では、流動場のサイズは、ＳＯＦＣ３００スタックにおいて、多孔質メッシュ、穴あきシート、および発泡シート、ファイバーマット、フェルト、布、フォーム（例えば、発泡フォーム）または同様の構造体などの、別の構成要素によって画定されており、したがって、多孔度、穴または他の開口部を特色とすることができる。様々な実施形態では、流動場のサイズは、集電体３３０によって画定される。
本明細書において、流動場とは、セルの入口から入口側まで、セル全体に；およびセルの出口側から出口まで流れを導いて分配させるために様々なフィーチャ（例えば、ベーン、リブ、チャネル、プレナム）を使用する領域を指す。プレナム（または、セルより前の領域）は、ガスがチャネルに入る前に、セル下のすべてのチャネル（または、同様のフィーチャ）にわたり可能な限り均一な流れを得るために主に存在する。したがって、この流動場とは、ガスが流れるこれらのフィーチャを備える領域のことである。非流動場領域には、スタックのマニホールド（個々の相互接続部の入口と出口）、外側シール面（すなわち、シール３２０とセル１００の間に作製されたシールでも、シール３２０がプレナムの上に偶然に存在する場合でもない）、およびガスの流れを伴わない任意の他のフィーチャ（例えば、存在する場合、電圧タブおよび電流タブ）が含まれる。
図４Ｂは、破線４Ｂ－４Ｂに沿った図４Ａの断面図であり、エンドプレート３４０がそれぞれ、繰り返しユニット３１０のセル１００と電気接触しているＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表す。このような実施形態では、ＳＯＦＣ３００によって発生する電力は、エンドプレート（複数可）３４０から、またはバスバーから、またはエンドプレート３４０と電気接触しているチューブまたは他の伝導体からさえも引くことができる。図４Ｂは、ＳＯＦＣ３００の縁部近傍の部分からの断面図と考えることができる（または、その側面図でもある）。したがって、エンドプレート３４０は、図４Ｂにおいてはシール３２０によってセル１００から分離されているように見えるが、エンドプレート３４０、およびこれに最も近いセル１００は、スタックの中央部により近い１つまたは複数の位置において電気接触している。本発明の様々な実施形態では、エンドプレート３４０の両方ではなく、エンドプレート３４０の１つだけが、セル１００と電気接触している。様々な実施形態では、少なくとも１つのセル１００は、少なくとも１つのエンドプレート３４０と電気接触しており、この場合、少なくとも１つのエンドプレート３４０は、セルと電気接触している側でパターン化されており（例えば、リブ、チャネルまたは他の流動場フィーチャ）、エンドプレート３４０の反対側は、実質的に平面となり得る。
図４Ｃは、破線４Ｃ－４Ｃに沿った図４Ａの断面図であり、ＳＯＦＣスタック３００の中間領域の近位のＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表しており、エンドプレート３４０がそれぞれ、セル１００と電気接触している。図４Ａは、概略斜視図において相互接続部２００とセル１００とを部分的に区別するため、この相互接続部における流動場フィーチャ（例えば、リブ）を示している。図４Ｃは、多孔質集電体３３０（例えば、メッシュ）を含む構造を強調するため、相互接続部２００（いずれのエンドプレート３４０にもない）上のリブフィーチャを示していない。しかし、図４Ｃはまた、流動場が、ＳＯＦＣ３００の少なくとも活性領域において、相互接続部２００またはエンドプレート３４０におけるパターン化されたフィーチャ（例えば、コンタクトリブ）ではなく、多孔質集電体３３０（例えば、１つまたは複数のメッシュ）だけによって画定されている実施形態の断面を表すことができる。集電体３３０は、セル１００の縁部に沿ったシール３２０の存在に適合するようセルより小さい。様々な実施形態では、セル１００のいずれかの縁部上のシール３２０の幅は、約０．５ｍｍ～約３０ｍｍ、または約１ｍｍ～約２０ｍｍ、またはさらには約５ｍｍ～約１５ｍｍと様々になり得る。図４Ｃは、シール３２０と集電体３３０との間の側面の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、シール３２０および集電体３３０の縁部は、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、シールと集電体との間に隙間が存在しなくてもよい）。
様々な実施形態では、一方または両方のエンドプレート３４０は、繰り返しユニット３１０のセル１００から電気隔離されている。電気隔離は、絶縁ガスケット、絶縁コーティングまたは他の絶縁材料の使用など、多数の異なる方法で達成することができる。このようなフィーチャはまた、タイ－ロッドまたはクランプ留め具がエンドプレート３４０の電気隔離を維持することを確実にするために利用することができる。図４Ｄは、破線４Ｂ－４Ｂに沿った図４Ａの断面図であり、エンドプレート３４０が、セル１００と電気接触していないＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表す。図４Ｄは、図４Ｂの様式において、ＳＯＦＣ３００の縁部近傍の部分からの断面図と考えることができる（または、その側面図でさえもある）。したがって、ＳＯＦＣスタックにおける層の構造は、スタックの中央部により近い１つまたは複数の位置で様々となり得る。示されている通り、ＳＯＦＣスタックの上部および底部におけるセル１００は、エンドプレート３４０と電気接触していない。むしろ、これらのセル１００は、端子相互接続部４００に電気的に接続されており、これは、全ＳＯＦＣスタックから電力を引き出すために利用することができる。様々な実施形態では、端子相互接続部４００は、アルミニウム、銅および／もしくはグラファイト、または相互接続部２００に関して本明細書において説明されている１種または複数種の材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、端子相互接続部４００は、相互接続部２００に類似してもよいが、セル１００と電気接触している側だけにパターン化されていてもよく（例えば、ガス流用のリブおよびチャネルを用いる；図２を参照されたい）、端子相互接続部４００の反対側は、実質的に平面となり得る。図４Ｅは、破線４Ｃ－４Ｃに沿った図４Ａの断面図であり、ＳＯＦＣスタック３００の中間領域の近位のＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表しており、エンドプレート３４０がそれぞれ、セル１００から電気隔離されている。図４Ｅは、多孔質集電体３３０（例えば、メッシュ）を含む構造を強調するため、相互接続部２００上のリブフィーチャを示していない。しかし、図４Ｅはまた、流動場が、ＳＯＦＣ３００の少なくとも活性領域において、相互接続部２００または端子相互接続部４００におけるパターン化されたフィーチャ（例えば、コンタクトリブ）ではなく、多孔質集電体３３０（例えば、１つまたは複数のメッシュ）だけによって画定されている実施形態の断面を表すことができる。
様々な実施形態では、セルおよび相互接続部は、同じサイズではない。図４Ｆは、セル１００の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）の少なくとも１つが相互接続部２００の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）より小さい、ＳＯＦＣスタック３００の繰り返しユニット３１０の概略斜視図である。図４Ｆは、概略斜視図における相互接続部２００とセル１００とを部分的に区別するため、相互接続部における流動場フィーチャ（例えば、リブ）を示している。セル１００が相互接続部よりも小さい場合、セルは、穴または他のスルーフィーチャを含む必要はないが、含んでもよい。さらに、セルが相互接続部２００よりも小さい場合、ＳＯＦＣスタック３００は、スペーサーを利用して、セル１００と重ならない相互接続部のある特定の領域にシール３２０を支持することができる。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、相互接続部２００、および端子相互接続部４００（存在する場合）、および／または一方もしくは両方のエンドプレート３４０の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）よりも小さい、セル１００の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）を有する。これは、例えば、図４Ｇに例示されており、これは、破線４Ｇ－４Ｇに沿った図４Ｆの断面であり、エンドプレート３４０がそれぞれ、繰り返しユニット３１０のセル１００と電気接触している、ＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表す。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、セル１００と重ならない相互接続部２００の領域にスペーサー４２０を含む。様々な実施形態では、スペーサー４２０は、相互接続部２００（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、グラファイトなど）、または相互接続部に関して本明細書に記載されているいずれか１種または複数種の材料と同じ材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、スペーサー４２０は、シール３２０、またはシールに関して本明細書に記載されているいずれか１種または複数種の材料と同じ材料を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、スペーサー４２０およびシール３２０は、単片の材料または単一本体（すなわち、単一構成要素に一体化されている）である。
図４Ｈは、破線４Ｈ－４Ｈに沿った図４Ｆの断面図であり、ＳＯＦＣスタック３００の中間領域の近位のＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表し、エンドプレート３４０がそれぞれ、セル１００と電気接触している。図４Ｆは、概略斜視図における相互接続部２００とセル１００とを部分的に区別するため、相互接続部における流動場フィーチャ（例えば、リブ）を示している。図４Ｈは、多孔質集電体３３０（例えば、メッシュ）を含む構造を強調するため、相互接続部２００上のリブフィーチャを示していない。しかし、図４Ｈはまた、流動場が、ＳＯＦＣ３００の少なくとも活性領域において、相互接続部２００におけるパターン化されているフィーチャ（例えば、コンタクトリブ）ではなく、多孔質集電体３３０（例えば、１つまたは複数のメッシュ）だけによって画定されている実施形態の断面を表すことができる。集電体３３０は、セル１００の縁部に沿ってシール３２０の存在に適合するよう、セルより小さい。シール３２０は、セル１００の縁部からスペーサー４２０まで延在する。図４Ｈは、スペーサー４２０の縁部の最後まで延在するシール３２０の外側縁部を示す。様々な実施形態では、シール３２０の外側縁部は、スペーサー４２０の縁部の最後まで延在する。様々な実施形態では、スペーサー４２０の外側縁部は、ＳＯＦＣスタック３００の所与の繰り返しユニット３１０のいずれに対しても、シール３２０の一方または両方を超えて延在する。様々な実施形態では、シール３２０の一方または両方の外側縁部は、スペーサー４２０を超えて延在する。図４Ｈは、シール３２０と集電体３３０との間の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、シール３２０および集電体３３０の縁部は、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、シールと集電体との間に隙間が存在しなくてもよい）。図４Ｈは、シール３２０と集電体３３０との間の側面の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、シール３２０および集電体３３０の縁部は、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、シールと集電体との間に隙間が存在しなくてもよい）。同様に、図４Ｈは、スペーサー４２０とセル１００との間の側面の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、スペーサー４２０およびセル１００の縁部は、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、スペーサーとセルとの間に隙間が存在しなくてもよい）。
様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、相互接続部２００および端子相互接続部４００（存在する場合）の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）よりも小さい、セル１００の面内寸法（例えば、長さおよび／または幅）を有しており、ならびに／あるいはエンドプレート３４０の一方もしくは両方が、繰り返しユニット３１０のセル１００から電気隔離されている。電気隔離は、絶縁ガスケット、絶縁コーティングまたは他の絶縁材料の使用など、多数の異なる方法で達成され得る。このようなフィーチャはまた、タイ－ロッドまたはクランプ留め具がエンドプレート３４０の電気隔離を維持することを確実にするために利用され得る。図４Ｉは、破線４Ｈ－４Ｈに沿った図４Ｆの断面図であり、ＳＯＦＣスタック３００の中間領域の近位のＳＯＦＣ３００の実施形態の断面概略図を表し、エンドプレート３４０がそれぞれ、セル１００から電気隔離されている。図４Ｈと異なり、図４Ｉにおける相互接続部２００および端子相互接続部４００は、リブ流れフィーチャを含むが、集電体３３０は含まない。図４Ｉは、シール３２０と集電体３３０との間の側面の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、シール３２０の縁部および相互接続部２００または端子相互接続部４００のリブフィーチャは、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、シールと集電体との間に隙間が存在しなくてもよい）。同様に、図４Ｉは、スペーサー４２０とセル１００との間の側面の隙間と共に示されているが、様々な実施形態では、スペーサー４２０およびセル１００の縁部は、互いに隣接していてもよく、またはほぼ隣接していてもよい（すなわち、スペーサーとセルとの間に隙間が存在しなくてもよい）。
本発明の様々な実施形態は、それぞれが２種またはそれより多くの異なる材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなるハイブリッドまたは多層シール３２０を利用することができる。このようなシール３２０は、金属材料をセラミック材料にシールするため、および／または２種の異なる金属もしくはセラミック材料を一緒にシールするために有利となり得る。このようなハイブリッドまたは多層シール３２０はまた、シール材料が導電性（例えば、グラファイト）である場合に有利となり得、こうして、ハイブリッドまたは多層構造に第２のシール材料を使用することにより、いくつかのスタック設計における電気的短絡を防止することができる。ハイブリッドまたは多層シール３２０はまた、シール材料が、例えば、酸化環境よりも還元環境において安定であり（またはその逆）、こうして、ハイブリッドシールが、少なくとも酸化環境（または少なくとも還元環境）において安定な別の材料との組合せによって第１の材料の使用を可能にする場合に有利となり得る。（本発明の様々な実施形態によれば、酸素の分圧が１０－１８ａｔｍ未満またはこれに等しい場合、ガス環境は「還元性」であり、酸素の分圧が１０－１８ａｔｍより大きい場合、ガス環境は「酸化性」である）。図５Ａは、層５００、５１０から構成されているハイブリッドシール３２０の側面図である。様々な実施形態では、層５００、５１０の少なくとも１つは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる。様々な実施形態では、層５００、５１０の一方は、導電性である一方、他方の層は、電気絶縁性である。（本明細書において利用される場合、「導電性」である構成要素または層は、少なくとも動作温度（例えば、約４００℃～約８００℃、またはさらに一層高い）において、少なくとも１０Ｓ／ｍ、または約１０Ｓ／ｍ～約１０６Ｓ／ｍの範囲、または約１０３～１０６Ｓ／ｍの範囲、またはさらに高い、最小導電率を有する。「電気絶縁」されている構成要素または層は、少なくとも動作温度において、少なくとも１０３オーム－ｍ、または約１０３オーム－ｍ～約１０６オーム－ｍの範囲、またはさらに一層高い最小抵抗率を有する）。
シール３２０（および／または層５００、５１０）がグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる様々な実施形態では、シール３２０、および／または層５００、５１０の一方または両方において使用されるグラファイト材料は、それぞれ、フレーク状グラファイト、アモルファスグラファイト、結晶性グラファイト、熱分解グラファイト、高配向性熱分解グラファイト（ＨＰＯＧ）、熱分解カーボン、カーボンブラック、活性炭、炭素繊維、グラフェン、多結晶性グラファイト、合成グラファイト、および／またはガラス様カーボン（例えば、ガラス状またはガラス質カーボン）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、層５００、５１０はそれぞれ、異なるタイプのグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。例えば、一方の層は酸化されたグラファイト（例えば、酸化雰囲気に曝露されたグラファイト）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる一方、他方の層は、還元されたグラファイト（例えば、還元雰囲気に曝露されたグラファイト）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。別の例において、一方の層はガラス状カーボン（すなわち、ガラス質グラファイト）を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる一方、他方の層は、フレーク状グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、層５００、５１０の１つは、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる一方、他方の層は、雲母、バーミキュライト、ガラス、ろう付け用合金、アスベスト、ポリアミド（例えば、アラミド）、タルク、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ）、ポリアミド－イミド（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ）、ポリシロキサン（例えば、シリコーンまたはＲＴＶシリコーン）、および／またはシルセスキオキサン（例えば、フェニルシルセスキオキサン）などの１種または複数種の他の材料を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、層５００、５１０は、層５００、５１０のいずれか一方を構成する炭素／グラファイトとは異なるタイプの炭素／グラファイトによりコーティングされ得る。様々な実施形態では、シール３２０におけるポリイミド、ポリアミド、ポリアミド－イミド、ポリシロキサンまたはシルセスキオキサンをベースとする材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約７５０℃の範囲である。様々な実施形態では、シール３２０におけるポリイミド、ポリアミド、ポリシロキサンまたはシルセスキオキサンをベースとする材料の適切な動作温度の帯域は、約３５０℃～約６５０℃の範囲にある。様々な実施形態では、シール３２０におけるポリイミド、ポリアミド、ポリアミド－イミド、ポリシロキサンまたはシルセスキオキサンをベースとする材料の適切な動作温度の帯域は、約４００℃～約５００℃の範囲にある。様々な実施形態では、還元環境における、シール３２０の場合のグラファイトベースの材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約１０００℃の範囲にある。様々な実施形態では、還元環境における、シール３２０におけるグラファイトベースの材料の適切な動作温度の帯域は、約３５０℃～約８５０℃の範囲にある。様々な実施形態では、酸化環境における、シール３２０のグラファイトベースの材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約７５０℃の範囲にある。様々な実施形態では、酸化環境における、シール３２０のグラファイトベースの材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約６５０℃の範囲にある。様々な実施形態では、酸化環境における、シール３２０におけるグラファイトベースの材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約５５０℃の範囲にある。様々な実施形態では、酸化環境または還元環境における、シール３２０における雲母、バーミキュライト、ガラス、ろう付け用合金、アスベストまたはタルク材料の適切な動作温度の帯域は、約３００℃～約１０００℃の範囲にある。
接着剤を利用して、層５００、５１０を一緒に接合するか、または３２０にシールしてもよい。このような接着剤の使用は、層５００と５１０との間に優れた界面シールを形成する、および／または単にスタック３００の組み立てプロセスの一助とするために有利となり得る。様々な実施形態では、接着剤は、層の一方または両方に適用される。様々な実施形態では、層５００、５１０は、接着剤が塗布された後に、積層される（例えば、カレンダー加工による積層化を使用）。様々な実施形態では、接着剤は、単一の構成要素または複数の構成要素を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、低いまたは高い熱伝導率で電気抵抗性となり得るか、またはそれらは、高い熱伝導率を伴って導電性となり得る。様々な実施形態では、接着剤は、有機化合物および／または無機化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、結合剤および／または反応性化合物を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、無機材料（例えば、石灰、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｚｒ、ＹＳＺ、および／または様々なタイプのセラミックセメント）を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、接着剤に使用されるセラミックセメントは、リン酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウム、および／またはケイ酸カルシウムを含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、有機材料（例えば、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリビニルブチラール、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴム、および／またはニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ））を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、グラファイトベースの接着剤（例えば、Ａｒｅｍｃｏ製のＣｅｒａｍａｂｏｎｄ ５５１－ＲＮおよびＣｅｒａｍａｂｏｎｄ ６６９）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、接着剤は、電気抵抗性接着剤を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができ、これはまた、熱抵抗性（例えば、Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ製のＲｅｓｂｏｎｄ ９１９）または熱伝導性（例えば、Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ製のＲｅｓｂｏｎｄ ９２０）のいずれかであってもよい。様々な実施形態では、接着剤は、導電性接着剤（例えば、Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ製のＤｕｒａｂｏｎｄ ９５０、９５２または９５４；またはＡｒｅｍｃｏ製のＣｏｒｒ－Ｐａｉｎｔ、例えばＣＰ３０ｘｘシリーズ）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。
図５Ｂおよび５Ｃに示されている通り、例えば、ＳＯＦＣスタックにおける異なる構成要素間での界面シールを強化するため、シール３２０（図５Ａに示されている均一シールまたはハイブリッド／多層シールのいずれか）をそのシール面の一方または両方にコーティングしてもよい。このようなコーティングは、例えば、シールがグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる、あるいはグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる１つまたは複数の層から構成される実施形態では、有利に利用することができる。例えば、シール３２０の一方または両方のシール面（例えば、上部表面および／または底部表面）は、例えば、ガラス、またはバーミキュライト、雲母、アスベスト、ポリシロキサン（例えば、ＲＴＶシリコーン）、ろう付け材料、ポリアミド（例えば、アラミド）、タルク、ポリイミド（例えば、Ｋａｐｔｏｎ）、ポリアミド－イミド（例えば、Ｔｏｒｌｏｎ）またはシルセスキオキサン（例えば、フェニルシルセスキオキサン）などの非ガラスシーラントを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる、コーティング５２０によりコーティングされていてもよい。様々な実施形態では、コーティング５２０は、例えば、ＳＯＦＣスタック内の電気的短絡を回避する一助とするため、電気絶縁性である。図５Ｄおよび５Ｅに示されている通り、シール３２０のシール面の一方または他方の一部だけコーティング５２０によりコーティングすることが有利なることがある。例えば、他の方法では適合性がない、または容易には一緒にシールされない（例えば、異なる材料から構成されている）ＳＯＦＣスタックの様々な部分をシールする場合、部分コーティング５２０を利用することができる。
本発明の様々な実施形態によるＳＯＦＣは、１つまたは複数のシール３２０に加えて、ＳＯＦＣスタックの１つまたは複数の外側表面（例えば、ＳＯＦＣスタックの層間ではなく、ＳＯＦＣスタック上またはその周囲に配設される）上にある、１つまたは複数の外部シールまたは「封止材」を特色とすることができる。このような外部シールは、酸化しやすい材料（例えば、グラファイト）を含む、これから本質的になる、またはこれからなる、ＳＯＦＣスタックの１つまたは複数の構成要素の周囲空気への曝露を防止するため（例えば、酸化を予防するため）、このような構成要素を封入するために有利となり得る。図６Ａおよび６Ｂは、外部シール６００の配置を例示する、ＳＯＦＣスタックの縁部分を通る概略断面図である（すなわち、図４Ａの様式で）。図６Ａおよび６Ｂの断面図は、ＳＯＦＣスタックのいずれかの側の外部シール６００を必然的に図示しているが、本発明の様々な実施形態では、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタックの周囲全体を包み込む。様々な実施形態では、外部シール６００は、ガラス、ポリシロキサン（例えば、ＲＴＶシリコーン）などの非ガラスシーラント、またはセラミックセメントを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。セラミックセメントは、リン酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カルシウム、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒまたはＹＳＺ（例えば、Ａｒｅｍｃｏ製のＣｅｒａｍａｂｏｎｄという商標名およびＣｏｔｒｏｎｉｃｓ製のＤｕｒａｐｏｔという商標名の様々な製品提供）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、外部シール６００は、電気絶縁性である。様々な実施形態では、外部シール６００は、伝導体の抵抗率と絶縁体の抵抗率との間の抵抗率を有する半導体である。図６Ａは、セル１００、シール３２０、および相互接続部２００の少なくとも一部を横切って延在する外部シール６００を図示する（図６Ａは、相互接続部２００の一部のみ覆う外部シール６００を図示しているが、本発明の実施形態は、１つまたは複数の相互接続部２００の側面全体が外部シール６００によって覆われている実施形態を含む）。図６Ｂは、外部シール６００が、シール３２０とセル１００の一部および相互接続部２００を横切って延在していると図示しており、すなわち、本質的に、シール３２０だけが、外部シール６００によって完全に封入されている。本発明の様々な実施形態では、相互接続部２００の一方または両方は、エンドプレート３４０および／または端子相互接続部４００によって置き換えられることができる。したがって、本発明の様々な実施形態では、１つまたは複数の外部シール６００を利用して、グラファイトを少なくとも一部、含む、これから本質的になる、またはこれからなる、ＳＯＦＣスタックの１つまたは複数の構成要素の側面を封入することができる。様々な実施形態では、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタック全体の外部表面の全体または実質的に全体を覆うことができる（例えば、図３Ａに示されているＳＯＦＣ３００）。様々な実施形態では、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタック全体の外側表面の約０．０１％～約１００％を覆う。様々な実施形態では、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタック全体の外側表面の約１５％～約７５％、さらには約２５％～約５０％を覆う。様々な実施形態では、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタック３００の層間に存在するが、シール３２０よりもスタックの中央部からさらに離れて配置され（例えば、図４Ｉの様式の図６Ｃ）、例えば、シール３２０を「封入する」。様々な実施形態では、外部シール６００はシール３２０と同じ厚さである。様々な実施形態では、外部シール６００の厚さは、約０．００１ｍｍ～約２０ｍｍ、約０．１ｍｍ～約１０ｍｍ、さらには約１ｍｍ～約５ｍｍの範囲である。
本発明の様々な実施形態では、相互接続部２００の１つまたは複数の部分は、特にＳＯＦＣの動作中に、高い導電率を維持するためにコーティングされる。図７Ａは、フローチャネル７１０によって分離された複数のコンタクトリブ７００を示す、相互接続部２００の流動場領域の概略斜視図である。様々な実施形態では、図２にも示されている通り、コンタクトリブ７００は、隣接するセル１００との電気接触を維持する一方、フローチャネル７１０は、これを通して、酸素源１５０および／または燃料１６０を流す。示されている通り、コンタクトリブ７００およびフローチャネル７１０は、導電性であるコーティング７２０によってコーティングされていてもよい（本明細書において利用される場合、「コーティング」は、堆積されたコーティングだけでなく、積層したクラッディングも指すと理解されるが、「クラッディング」は、クラッディングのみ含み、他のタイプのコーティングを含まない）。様々な実施形態では、コーティング７２０は、コンタクトリブ７００の酸化を遅らせる、または防止し、それによりその高い導電性を維持する。様々な実施形態では、流動場の他の部分（例えば、入口または出口プレナム）は、コーティング７２０によってコーティングされていてもよい。コーティング７２０は、相互接続部２００がアルミニウムを含む、これから本質的になる、またはこれからなる場合、特に有利となり得るが、コーティング７２０はまた、相互接続部２００に関して本明細書において詳述されている他の相互接続部の材料（例えば、ステンレス鋼または銅）と共に利用してもよい。様々な実施形態では、コーティング７２０は、例えば、窒化物層（例えば、ＴｉＮ、ＺｒＮ、窒化ニッケル、窒化タンタル、窒化タングステン、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化インジウム、窒化ガリウム、Ｚｎ３Ｎ２、Ｃｕ３Ｎ、窒化ホウ素、Ｓｉ３Ｎ４、Ｃ３Ｎ４など）、炭化物層（例えば、ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＷＣなど）、１種または複数種の金属（例えば、Ａｇおよび／またはＮｉ）、１種または複数種のアルミニウム金属間化合物（例えば、ＴｉＡｌ、ＭｇＡｌ、ＦｅＡｌまたはＮｉＡｌ）、グラファイト、および／またはマンガン－コバルトオキサイド（ＭＣＯ）などの導電性セラミック酸化物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。様々な実施形態では、窒化物は、窒素とＬｉ、Ｂａ、ＳｒまたはＣａのうちの１つ；およびＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｂ、ＳｎまたはＹのうちの１つ（例えば、ＣａＮｉＮまたはＳｒＮｉＮ）；または窒素；ＭｇまたはＺｎの１つ；およびＶ、Ｎｂ、ａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、ＳｂまたはＳｎのうちの１つ（例えば、Ｍｇ２Ｔａ２Ｎ３）；または窒素；ＮａまたはＫの１つ；およびＶ、Ｎｂ、ａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＭｎまたはＳｎのうちの１つ；または窒素；ＮｂまたはＴａの１つ；およびＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＳｉまたはＺｒのうちの１つ（例えば、Ｔａ４Ｎｉ２Ｎ）；または窒素；Ａｌ；およびＮｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＴｉまたはＣのうちの１つ（例えば、ＴｉＡｌＮまたはＴｉ２ＡｌＮ）；または窒素；Ｍｏ；およびＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉまたはＳｉのうちの１つ（例えば、Ｎｉ２Ｍｏ３Ｎ）を含む、三元系またはこれより高次の化合物である。様々な実施形態では、炭化物は、炭素と、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｎｂ、ＨｆまたはＴａのうちの１つ；およびＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓ、Ｐ、ＳｉまたはＺｎのうちの１つ（例えば、Ｔｉ３ＳｉＣ２）を含む、三元系またはこれより高次の化合物である。様々な実施形態では、コーティング７２０は、相互接続部２００の材料を組み込んだ、およびこれから部分的に形成された（例えば、化学的または電気化学的プロセスで）化成コーティングを含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。様々な実施形態では、コーティングは、それらの耐酸化性を増大させるか、またはそうでない場合、酸化の開始温度を向上させるために、イオン注入（例えば、ＴｉＮへのＡｌイオン注入）により処理されてもよい。
様々な実施形態では、コーティング７２０は、ニッケルを含む、これから本質的になる、またはこれからなる。例えば、グラファイト製の相互接続部２００は、ニッケルコーティング７２０を含んで、界面の導電性を改善することができる。ある種の場合、相互接続部の一方の側にこのようなＮｉコーティングを使用することができるが、ＳＯＦＣの動作温度において、抵抗性酸化ニッケルへのニッケルの酸化を回避するため、アノードに使用するのがより適切である。様々な実施形態では、相互接続部２００は、銅を酸化から保護するためのニッケルコーティング７２０を有してもよく、これは、酸化ニッケルコーティングが抵抗性になる場合でさえも、電気の多量の伝導に依然として使用することができる。このようなコーティングは、相互接続部のアノードまたはカソード側のどちらか一方に使用され得る。様々な実施形態では、相互接続部２００は、アルミニウム、銅またはステンレス鋼のコーティングを有してもよい。様々な実施形態では、アルミニウム製の相互接続部２００は、銅、ニッケルまたはステンレス鋼のコーティングを有する。様々な実施形態では、銅製の相互接続部２００は、アルミニウム、ニッケルまたはステンレス鋼のコーティングを有する。様々な実施形態では、ステンレス鋼製相互接続部２００は、銅、ニッケルまたはアルミニウムのコーティングを有する。様々な実施形態では、コーティングはクラッディングである。
図７Ｂは、破線７Ｂ－７Ｂに沿った図７Ａの断面である。示されている通り、本発明の様々な実施形態では、コーティング７２０は、コンタクトリブ７００の上部表面だけではなく、コンタクトリブ７００の側面およびフローチャネル７１０の底部表面もコーティングしてもよい（例えば、共形にコーティングする）。しかし、他の実施形態では、隣接する構成要素に接触するコンタクトリブリブ７００の上部表面だけがコーティング７２０によりコーティングされている一方、コンタクトリブ７００の側面および／またはフローチャネル７１０の底部表面はコーティングされていない。様々な実施形態では、コーティング７２０の厚さは、例えば、約０．０００１ｍｍ～約１０ｍｍの範囲であり得る。様々な実施形態では、コーティング７２０の厚さは、約０．０００５ｍｍ～約１ｍｍ、約０．００１ｍｍ～約０．７５ｍｍ、またはさらには約０．００５～約０．５ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、コーティング７２０は、例えば、物理蒸着、化学蒸着、スプレーコーティング、ディップコーティング、めっき、拡散浸透処理、拡散コーティング、化成コーティング、スクリーン印刷、グラビア印刷またはパッド印刷などの従来のプロセスにより形成されてもよい。様々な実施形態では、コーティング７２０は、クラッディングプロセスにより形成され、このプロセスは、例えば、様々な積層、押出、ろう付け、レーザー焼結（すなわち、レーザークラッディング）、またはさらには拡散接合工程を利用することができる。本発明の様々な実施形態では、相互接続部は、２つの異なる表面（例えば、上部表面および底部表面）上にコーティング７２０を有してもよく、２つのコーティング７２０が、異なる組成を有してもよい。さらに、一方の表面のコーティング７２０は、コンタクトリブ７００の上部だけをコーティングすることができる一方、他方の表面のコーティング７２０は、コンタクトリブ７００の上部だけでなく、コンタクトリブ７００の側面および／またはフローチャネル７１０の底部表面などの表面の他の部分もコーティングしてもよい。
本発明の様々な実施形態では、様々な構成要素またはその一部をＳＯＦＣスタック内の他の構成要素から電気的に隔離するのが有利となり得る。図８Ａおよび８Ｂは、構成要素８００が、１つまたは複数の表面に１つまたは複数の絶縁層８１０を組み込んだ構造の断面図を図示している。構成要素８００は、例えば、相互接続部２００、端子相互接続部４００、エンドプレート３４０またはシール３２０とすることができる。絶縁層８１０は、ＳＯＦＣスタック内の他の構成要素との界面における１つまたは複数の位置の構成要素８００上に存在することができ、この場合、構成要素８００と他の構成要素（複数可）との間の電気的絶縁が望ましい（例えば、ＳＯＦＣスタックの外側縁部において）。様々な実施形態では、絶縁層８１０は、例えば、ガラスおよび／またはセラミック層（例えば、窒化ケイ素などの窒化物、および／または酸化アルミニウムもしくは酸化マグネシウムなどの酸化物、または本明細書において列挙されている窒化物もしくは炭化物のいずれかなどの、この化合物への酸素の付加を伴うオキシ窒化物あるいはオキシ炭化物さえも）を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。構成要素８００がアルミニウムを含む、これから本質的になる、またはこれからなる実施形態では、絶縁層８１０の全体または一部は、酸化アルミニウム（例えば、自然酸化アルミニウム）を含む、これから本質的になる、またはこれからなることができる。例えば、相互接続部２００は、相互接続部の流動場領域の上に配設されているコーティング７２０を有することができる一方、相互接続部２００の残り（例えば、縁部）の部分は、酸素含有雰囲気中で熱処理されて、残りの部分の上に酸化アルミニウム絶縁層８１０を形成することができる。様々な実施形態では、絶縁層８１０の厚さは、例えば、約１０ｎｍ～約５ｍｍの範囲とすることができる。様々な実施形態では、絶縁層８１０は、例えば、物理蒸着、化学蒸着、スプレーコーティング、ディップコーティング、めっき、化成コーティング、スクリーン印刷、グラビア印刷またはパッド印刷などの従来のプロセスにより形成されてもよい。
シール３２０が、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる様々な実施形態では、シール３２０の少なくとも１つのシール表面（例えば、上部表面および／または底部表面）の全体または一部が、その上に絶縁層８１０を組み込んで、シール３２０を介する導電を阻止することができる。このように、本発明の実施形態によるＳＯＦＣ内のシール３２０および相互接続部２００のどちらも、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれらからなることができる。シール３２０が、金属（例えば、アルミニウムまたは銅）または導電性セラミックを含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる様々な実施形態では、シール３２０の少なくとも１つのシール表面（例えば、上部表面および／または底部表面）の全体または一部が、その上に絶縁層８１０を組み込んで、シール３２０を介する導電を阻止することができる。
本発明の実施形態は、ＳＯＦＣスタック内の相互接続部２００および／またはシール３２０の様々な異なる構造を特色とする。図９は、繰り返しユニット３１０および隣接する相互接続部２００の断面概略図であり、それらの構造を示す。図４Ａ～４Ｈの断面図とは対照的に、図９は、ＳＯＦＣスタックの中央部付近で、フローチャネルおよび相互接続リブに垂直に（図７Ａにおける破線７Ｂ－７Ｂの様式で）切り取ったＳＯＦＣ３００の断面図であり、ＳＯＦＣ層構造の様々な詳細を明らかにしている。示される通り、セル１００は、２つの相互接続部２００の間に配設されてこれらと電気接触しており、集電体３３０およびコーティング７２０は、セル１００のいずれかいずれかの側の電気接続を容易にする。様々な実施形態では、セル１００のいずれかの側の集電体３３０は、同じ組成を有してもよいか、またはそれらは、異なる組成を有してもよい。同様に、セルのいずれかの側の集電体３３０に接触させるコーティング７２０（すなわち、各相互接続部２００のいずれかの側のコーティング７２０）は、同じ組成を有してもよいか、またはそれらは、異なる組成を有してもよい。
ＳＯＦＣスタックの外縁により近い、層５００、５１０を有するハイブリッドシール３２０もまた、セル１００の各側と隣接する相互接続部２００との間に配設される。示されている通り、各ハイブリッドシール３２０の両側は、その表面に配設されている絶縁層８１０を有することができる。様々な実施形態では、ハイブリッドシール３２０の表面の１つだけ（すなわち、層５００、５１０のうちの１つだけ）が、表面上に配設されている絶縁層８１０を有してもよいか、または、ハイブリッドシール３２０（またはその一部、例えば、層５００および／または層５１０）が電気的に絶縁性である実施形態では特に、絶縁層８１０のすべてが省略されてもよい。外部シール６００は、封入および酸化の防止（または取り巻く雰囲気への他の有害な曝露）のために、図９に示されているアセンブリの周囲に配設することができる。外部シール６００は、相互接続部２００またはハイブリッドシール３２０の全体または一部がグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる本発明の実施形態では、特に有利となり得る。図９はまた、セル１００のいずれかの側での２つのハイブリッドシール３２０の間に配設されているスペーサー９００を図示している。様々な実施形態では、スペーサー９００は、セル１００とほぼ同じ厚さを有しており、セル１００が相互接続部２００および／またはシール３２０と同じ横方向の距離だけ延在しない実施形態では、ハイブリッドスペーサー３２０間の隙間を占め、これにより、ＳＯＦＣスタックに機械的強度および安定性を与える。スペーサー９００は、特性および／または構造のいずれを有してもよく、および／またはスペーサー４２０に関して本明細書に詳述されている材料のいずれから構成されてもよい。様々な実施形態では、スペーサー９００は、個別の構成要素よりはむしろ、シール３２０の一方または両方の延在部とすることができる。様々な実施形態では、スペーサー９００は、相互接続部２００またはシール３２０について本明細書に詳述されている材料のいずれかから選択される組成を有する。様々な実施形態では、スペーサー９００は電気絶縁性であるが、他の実施形態（特に、図９に示されている通り、絶縁層８１０が存在する実施形態）では、スペーサー９００は導電性となり得る。
図１０は、本発明の実施形態による、スタックの中央部の近位にある、ＳＯＦＣスタックの一部の別の断面概略図を図示している。図１０に図示されている実施形態では、相互接続部２００は、その外周において、少なくとも相互接続部２００の１つの表面にシールを設けるよう（すなわち、シール３２０と同様に機能するよう）に成形されている。示されている通り、相互接続部２００の１つの表面は、それ自体が、セル１００（および存在する場合、必要に応じたスペーサー９００）に直接的に機械的接触している一方、シール３２０（様々な実施形態では、ハイブリッドシール３２０であってもよい）が、セル１００と他の相互接続部２００の反対側の表面との間に配設されている。示されている通り、絶縁層８１０は、シール３２０の１つまたは複数（例えば、上部および／または底部）の表面に存在してもよい。やはり示されている通り、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタックの周囲に配設されて、少なくとも各相互接続部２００を封入し、この配置は、相互接続部２００がグラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる実施形態では、特に有利となり得る。様々な実施形態では、相互接続部２００は、相互接続部２００の上部表面および底部表面の両方へのシールとして機能するように成形されていてもよく、すなわち、相互接続部２００の上部表面の外周は、セル１００と直接接触するように成形されていてもよく、こうして、セル１００は、セル１００の反対側の相互接続部２００によってその外周で直接接触している。しかし、様々な実施形態では、シール３２０は、一層機械的に柔軟性または可撓性があり、温度変化している間にスタックの様々な構成要素が膨張または収縮した場合でさえ、スタックのシールを維持するので、別個のシール３２０の使用は、幅広い条件下で、例えば、起動中などの様々な温度レジメン下で、ＳＯＦＣスタックを容易にシールすることができる。
図１０に示されている通り、外部シール６００は、ＳＯＦＣスタックの１つまたは複数の層の全体または一部、例えばシール３２０および／またはスペーサー９００を覆うことも、封入することもないかもしれない。しかし、様々な実施形態では、このようないずれの層も、グラファイトを含む、これから本質的になる、またはこれからなる場合、外部シール６００は、その酸化を低減または防止するために、このような層を覆い、封入することができる。
図１１は、図１０と同様であるが、必要に応じた集電体３３０を含まない本発明の実施形態を図示している断面概略図である。むしろ、示されている通り、セル１００自体は、例えば、必要に応じたコーティング７２０（すなわち、様々な実施形態では、コーティング７２０は、相互接続部２００表面に存在しなくてもよく、これは、依然として、セル１００に直接的に機械的接触することができる）を介して、相互接続部２００と直接的な機械的（および電気）接触させて配設されている。
様々な実施形態では、相互接続された支持型セルは、アルミニウム、グラファイトまたは銅を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなる、相互接続部の上部に配設されている。様々な実施形態では、相互接続支持型セルの相互接続部は、十分に高密度である（すなわち、有意な（例えば、＞１％）開放多孔度を欠く）。様々な実施形態では、相互接続支持型セルの相互接続部の一部は、多孔質である（すなわち、開放多孔度を有する）。様々な実施形態では、相互接続支持型セルの相互接続部の一方の側（すなわち、アノード側またはカソード側）は多孔質である。様々な実施形態では、相互接続支持型セルの相互接続部の両側が、多孔質である。様々な実施形態では、相互接続部の多孔質部分の範囲は、相互接続部の全厚さの約１０％～約８０％である。様々な実施形態では、相互接続部の多孔質部分の範囲は、相互接続部の全厚さの約１５％～約６０％である。様々な実施形態では、相互接続部の多孔質部分の範囲は、相互接続部の全厚さの約２０％～約５０％である。
様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、長期使用（例えば、１０年間または２０年間などの複数年間）するよう設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、長期使用（例えば、複数年間）するよう設計されておらず、むしろ短期間使用向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、５年未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、３年未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、１２か月未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、６か月未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、１か月未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。様々な実施形態では、ＳＯＦＣスタック３００は、１週間未満またはこれに等しい有用寿命向けに設計されている。
様々な異なる材料、コーティングおよび構造を利用し、高温で、ＳＯＦＣスタック構成要素（ガスケットおよび相互接続部）の性能を独立して、および一体化したＳＯＦＣスタックを用いて評価した。ガスケットを含む１番目の試験では、様々なガスケット材料のよどみ流（ｓｔａｇｎａｎｔ ｆｌｏｗ：ＳＦ）タイプ構造でスクリーニングし、バルクおよび界面漏出経路を測定した。この装置は、各フランジに溶接したステンレス鋼製チューブを備えた２つのステンレス鋼製フランジを特色とした。ＳＦ構造では、ガスケット材料のディスクを両フランジ間に置き、ねじ付きタイ－ロッド、ナットおよびスプリングワッシャを使用して圧縮した。ガスケットディスクの非圧縮中央部は、様々なガスケット材料の中央部を通るバルク漏出経路の評価を可能にする本質的に膜とした。多孔性支持体を使用して、高いガス背圧下で、ガスケットの中央区域が破裂しないようにした。
様々なガス環境下（不活性、還元性および酸化性）、およびこの装置の上流側の背圧レギュレータ（ＢＰＲ）で維持した０．５ｐｓｉｇの背圧において、試験具をクラムシェル型炉中、３５０℃と６５０℃との間の様々な温度に加熱した。単一サイクルは、１００℃ずつの段階で約１００℃から３５０℃まで、および最終的には６５０℃までの傾斜からなった。各温度の設定点を、約４時間、維持した。最後の段階の後、炉を約１００℃まで冷却して戻し、このプロセスを繰り返した。漏出測定値を各段階で連続的に収集した。このプロセスは、５０時間にわたり、合計で３回のサイクルを繰り返した。試験具への流れはすべて、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）を介してコンピュータ制御し、高精度のデジタル体積流量計を使用して検証した。膜の一方の側に水素を流した一方、その反対側にヘリウム掃引ガスを流した。ガスクロマトグラフィーを使用して掃引ガスの水素をモニタリングし、ガスケットからのバルク漏出量を定量した。化学種の収支を行い、界面での漏出率およびバルク漏出率を定量した。
バーミキュライトおよびグラファイトのガスケット材料は、様々な動作温度およびガスケットの締付け圧（すなわち、低圧、中圧および高圧）において検討した。タルクベースのガスケットも評価したが、多孔性支持体が存在するにもかかわらず、比較的弱いタルクガスケットが、ＳＦ構造の非圧縮領域において機械的強度の問題を受けたので、十分に追及することはしなかった。タルクベースのガスケットは、破裂を防止するため好ましくは強化すべきである。
異なる温度に関して、各材料およびガスケット締付け応力の組合せについて燃料の漏出割合を比較した。いずれの場合も、グラファイト製ガスケットの漏出率は、この装置に注入された水素の１％未満であった。中程度のおよび高い締付け応力の場合、バーミキュライト製ガスケットは、１％未満の漏出率を有した。しかし、低い締付け応力の場合、バーミキュライト製ガスケットは、３５０℃～５５０℃の場合、１．５％～２％の間の漏出率を示した。６５０℃では、漏出率は約７％と高かった。各材料の大部分の場合において、温度の上昇に伴って漏出率がわずかに低下するという一般的な傾向があり、これは、より高い温度ではフランジがガスケット材料に対してさらに膨張するにつれて、界面での漏出が低下することに関連した。グラファイト製ガスケットの場合、１００℃～６５０℃の間の様々な温度での複数の熱サイクルは、シーリング性能にほとんど影響を及ぼさなかった。１つの場合では、グラファイト製ガスケットに１６０時間にわたって合計１０サイクルを行い、漏出率にほとんどまたはまったく変化が示されなかった。一方、バーミキュライト製ガスケットの性能は、より大きな緩和の程度を示し、一部の場合、熱サイクル中に変化したように見えた。表１は、低いおよび高い締付け応力でのグラファイトおよびバーミキュライトのガスケット材料に対して、約４５０℃でＳＦ構造の測定から導かれた、総漏出率（漏出した投入ストリームの百分率）の要約を提示している。予想通り、高い締付け応力の試料は、低い締付け応力の試料よりも低い漏出率を有した。グラファイト製ガスケットは、バーミキュライト製ガスケットよりも総合的にはるかに優れた性能を発揮した（低い応力のバーミキュライト試料の場合、径がより小さいタイ－ロッドを、低い応力のグラファイト試料と同じトルク値になるまで絞めつけ、これによって、わずかに異なる締付け応力をもたらしたことに留意されたい）。
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バーミキュライトは、［（ＡｌＳｉ）４Ｏ１０］・（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏという繰り返し単位を有する、含水ケイ酸塩物質である。事後分析を行った際に、水素と接触しているバーミキュライトの領域は一貫して目視によれば黒くなり、水素の存在下、高温ではこの材料が還元されたことを示している。材料の還元により、バーミキュライト製シールの多孔度が変化し、高温での漏出がこのように大きくなった可能性があるか、または、バーミキュライト製シールの体積変化が、最終的なシール圧に影響を及ぼした可能性がある。さらに、バーミキュライトの層内に捕捉された水は、６００℃以上の高温で放出される。これにより、ガスケットの層の膨張、開口および／または破裂が引き起こされる恐れがある。一方、グラファイトは、還元可能な化学種を有しておらず、水による同じ問題を受けないため、還元環境による悪影響を受けない。しかし、純粋なグラファイトは、約４５５℃から空気中で酸化を受け始め得るが、約５５０℃を超えるまで認識できる程度には起こらない。例えば、温度を最大で約５００℃まで変えながら、ガスクロマトグラフィーを使用して排気物組成をモニタリングすると同時に、複数のグラファイト製シールを用いてシールしたステンレス鋼製熱交換器アセンブリに空気を流した。熱交換器の平均温度が、４６０℃よりも高く、アセンブリの部分（potion）が、５００℃と同じ程度に熱い場合でさえも、測定したＣＯ２濃度は、周囲空気中の現在の平均ＣＯ２濃度（すなわち、約４１８ｐｐｍ）とほぼ等しく、この温度では３．５日間にわたり、ほとんど変化しなかった。特別な酸化防止剤を添加することにより、バルクグラファイトの酸化速度を大幅に低下させることができ、こうして、７００℃より高い温度の空気への長時間のガスケットの薄い縁部の曝露が可能となる。
本発明の様々な実施形態によれば、酸化防止剤は、ホウ素およびリン含有添加剤を含む、これらから本質的になる、またはこれからなることができる。ホウ素含有添加剤には、ホウ酸、炭化ホウ素、ホウ素粉末およびホウ酸塩が含まれる。リン含有添加剤には、トリブチルホスフェート、リン酸エステル、有機リン酸などの有機リン化合物、またはリン酸、五酸化リン、または中性もしくは酸性のリン酸塩などの無機リン化合物が含まれる。酸化防止剤はまた、ホウ素およびリンの酸化物、ならびにホウ酸およびリン酸の金属塩、ならびにそれらの混合物を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。酸化防止剤はまた、例えば、リン酸アンモニウム、リン酸アルミニウム、リン酸亜鉛またはホウ酸を含む、これらから本質的になる、またはこれらからなることができる。
したがって、１番目の試験は、グラファイトが、スタック用の非常に有効なガスケット材料となり得ることを示し、少なくともＳＦ試験の構造では、６５０℃という高い温度でガス漏出を最小化する際に、バーミキュライト材料よりも優れていることが示された。グラファイト材料はまた、多くの熱サイクル後に漏出の最小変化という特徴を伴う、むしろロバストであることが示された。
ガスケットを含む２番目の試験では、グラファイトおよびバーミキュライトのガスケット材料を、燃料電池のスタックにおける流れ状態を一層厳密に表すフロースルー（ＦＴ）構造で評価した。スタックのある特定の領域（例えば、スタックのマニホールドから各相互接続部の流動場への移行部）では、はるかに高い背圧が発生することがある。より高い背圧の影響を適切に測定するため、各シールの界面での漏出の程度をＦＴ構造で測定した。ガスケットシートを中央部に穴を有するディスクへと裁断し、１番目のガスケット試験のＳＦ構造において使用したものと同じ２つのフランジ間で高い締付け応力（つまり、約１６．５ＭＰａ）で圧縮した。ＦＴ構造では、ＢＰＲはフランジ付きアセンブリの下流に存在した。ＦＴ構造の場合、測定された排出流を既知の（較正後の）入口流から単純に減算すると、界面での漏出率が得られた。ＢＰＲを使用して、フランジアセンブリの入口と出口との間の差圧を、様々な温度（２５℃、２００℃、３５０℃、５００℃および６５０℃）で、約０．５ｐｓｉから約５．５ｐｓｉまで変化させた。
グラファイト製ガスケットとバーミキュライトのガスケット材料との間の差異は、３５０℃および５００℃で同様であったが、バーミキュライト製ガスケットは、一貫してより大きな漏出を示した。２００℃および約１ｐｓｉ未満では、燃料漏出は、どちらの材料も１％未満であるが、５００℃では、バーミキュライトは、わずか０．５ｐｓｉで１％をわずかに超える漏出を示す。低い背圧（すなわち、約０．５ｐｓｉ～約１．５ｐｓｉ）では、ＦＴ構造の試験から導かれた界面での漏出率は、ＳＦ構造の試験から求まった漏出率に類似した。
図１２は、１ｐｓｉ、３ｐｓｉおよび４．５ｐｓｉの背圧に対する温度（２５℃、２００℃、３５０℃、５００℃、６５０℃）の関数としてのＦＴ構造の測定から求めた燃料漏出の程度を示す。６５０℃での追加データは、グラファイト製ガスケットについてのみ収集した。試験したすべての温度にわたり、バーミキュライト製ガスケットは、各背圧においてグラファイト製ガスケットよりも漏出は多かった。さらに、グラファイト製ガスケットは、バーミキュライトよりも背圧の変化に対する感度が低いように思われる。１ｐｓｉの背圧の場合、および低温では、グラファイト製ガスケットおよびバーミキュライト製ガスケットは、類似した界面での燃料漏出率を有する。しかし、約３５０℃を超える温度では、バーミキュライト製ガスケットの界面での漏出率は、グラファイト製ガスケットの界面での漏出率に比べて上昇する。図１２の強調表示された部分に示されている通り、２００℃および３５０℃の間では、すべての背圧におけるバーミキュライト製ガスケットのデータは、両方のガスケット材料に対し、下向きの傾き傾向での不連続性が観察されたことを示している。この漏出率の増加は、バーミキュライトの還元の結果と考えられ、これは、水素の存在下で色も変化する。空気中で試験した場合、バーミキュライトに関すると、色の変化も漏出率の上昇も観察されない。
バーミキュライト製シールの漏出率は、還元性の燃料環境に導入されると増加するように思われるが、性能は経時的に安定している。グラファイトも、還元条件で非常に良好に機能し、やはり安定していた。したがって、グラファイトのガスケット材料は、非常に良好な燃料漏出特性を有することが示され、評価した温度および背圧のすべてに対して、バーミキュライトよりも優れていた。
ガスケットを含む３番目の試験では、グラファイト／バーミキュライト（アノード）製のハイブリッドシールの構造およびバーミキュライト（カソード）シール構造を、実際のステンレス鋼スタックのハードウェアを備える単一の繰り返しユニットにおいて試験した。グラファイト／バーミキュライト製シールは、グラファイト層およびバーミキュライト層を組み合わせたものであった。高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）シートを、動作スタックに使用した１０ｃｍ×１０ｃｍのＳＯＦＣと総合的に同じ幾何形状を有する代理セルとして使用した。これにより、セルの平坦度／縁部のシール特性に変化がないことを確実にした。ガスケットをクロスオーバー漏出率および安定性を評価するために使用したガスクロマトグラフィーを備える標準スタック試験装置で評価した。アノード流出物（大部分がヘリウム）中のＮ２およびＯ２の割合をＧＣでモニタリングした一方、カソード流出物（大部分が空気）では、ヘリウムの割合を測定した。このような試験に対するアノードおよびカソードの掃引ガスの流量は、どちらも１００ｓｃｃｍとし、これは、このサイズのセルの場合の繰り返しユニットあたりの典型的な空気および燃料流量よりも少ない。これらの試験条件を選択し、ＧＣを用いて良好な分割を得た（すなわち、漏出量が全流量の一層大きな比率となるよう、比較的少ない流量を入口に使用した）。カソードとアノードとの間の圧力差は、予想される動作条件と同様であった（＜０．１ｐｓｉｄ）。
３番目の試験に関するガスケット構造は、以下の構成要素の配置を有した（「ＩＣ」は、流動場を有する相互接続部（または、エンドプレート）を表す）：アノードＩＣ／グラファイト｜バーミキュライト／（ガラス）Ａｌ２Ｏ３代理セル／バーミキュライト／カソードＩＣ。
いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でスタックアセンブリ全体をクランプした。漏出試験は、アノード入口の流量を１００ｓｃｃｍのヘリウムに設定した一方、カソード入口を１００ｓｃｃｍの空気に設定し、約６５０℃で行った。アノード排気物中のＣＯのごくわずかな変化が検出された。さらに、試験後の分析により、周囲空気に曝露したグラファイト製ガスケットの縁部でさえ、グラファイトは、目立つ酸化を何ら受けなかったように見えたことが明らかになった。図１３で分かる通り、アノードからカソードへのヘリウムのクロスオーバーは、５０時間にわたり比較的一定に留まる。２５時間頃に始まるカソードからアノードへのＮ２のクロスオーバーの増大は、ハイブリッドシール構造が経時的にわずかに変化したことを示している。さらに、Ｎ２クロスオーバーは、試験の開始時でさえもヘリウムのアノードからカソードへのクロスオーバーより大きいので、漏出経路は、ヘリウムのような小さなガス種に対して優先的ではないように思われる。これらの観察は、グラファイト製ガスケットを含めた、様々なガスケット材料に対して起こることが知られているガスケットのクリープという一般に観察される現象の結果である可能性が高い。経時的にガスケットが弛緩し、この場合、これは、カソードストリームからアノードストリームへのＮ２クロスオーバーの増大をもたらしたと考えられる。ガスケットのクリープは、わずかに増加したシール圧の使用またはスプリングワッシャの使用によるなどの機械的改善によって管理することができる。
したがって、３番目の試験のグラファイト／バーミキュライト（アノード）製ハイブリッドシールの構造およびバーミキュライト（カソード）シール構造は、非常に良好なアノードからカソードへのクロスオーバー漏出性能、および許容されるカソードからアノードへのクロスオーバー漏出性能を有することが示され、これらの性能は、スタック設計によりさらに改善され得る。さらに、このシール構造では、グラファイト／バーミキュライト製のハイブリッドガスケット内のバーミキュライトは、アノードを電気絶縁し、一層高い温度において酸化からグラファイトを保護する。
ガスケットを含む４番目の試験では、対称的なバーミキュライト（アノード）とバーミキュライト（カソード）のシール構造を検討した。高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）シートを、動作スタックにおいて使用した１０ｃｍ×１０ｃｍのＳＯＦＣと全体として同じ幾何形状を有する代理セルとして使用した。３番目の試験に使用したものと同じ試験具を使用して、以下の配置：アノードＩＣ／バーミキュライト／（ガラス）Ａｌ２Ｏ３代理セル／バーミキュライト／カソードＩＣを有する対称バーミキュライト製シール構造を試験した。
いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でスタックアセンブリ全体をクランプした。漏出試験は、アノード入口の流量を１００ｓｃｃｍのヘリウムに設定した一方、カソード入口を１００ｓｃｃｍの空気に設定し、約６５０℃で行った。図１４に示される通り、カソードからアノードへのクロスオーバー（すなわち、アノード排気物中で測定されたＮ２）は、最初には、３番目の試験（図１３）のグラファイト／バーミキュライトのハイブリッド構造と類似した値を有するが、時間が経過するにつれて増加しない。アノードからカソードへのヘリウムのクロスオーバー（すなわち、カソードの排気物中で測定されたヘリウム）は、４番目の試験の対称バーミキュライト製シール構造の場合、比較的高かった。
使用したグラファイトが標準材料であり、特別な酸化防止性添加剤が何ら存在しないことを考慮し、３番目の試験のグラファイト／バーミキュライトのハイブリッド構造をかなり過酷な環境で試験した（つまり、酸化が進んでいるはずである）。アノードコンパートメントにおける水素が１ＬＰＭと高いことさえある一層適切な流量の場合のこれらの結果を推定すると、３番目の試験のグラファイト／バーミキュライト製ハイブリッドシールの構造は、わずか約０．５％となる等価な燃料クロスオーバーを有する一方、４番目の試験の対称バーミキュライト構造は、約１％となる等価な燃料クロスオーバーを有する。バーミキュライトは、経時的にクリープしないが、この材料は、無機ガスケットからＣＯ２およびＨ２Ｏの損失を受け、６００℃を超えると、再結晶化を受ける。これらの２つの現象は、３番目の試験のグラファイト／バーミキュライトのハイブリッド構造においてグラファイトで観察されたクリープ挙動をほとんど抑制しているように思われる。２番目の試験のＦＴ構造の実験から、少なくとも還元環境（例えば、水素）に曝露された場合、グラファイトは、バーミキュライトと比較して、優れたシール特性を有することが観察された。バーミキュライトは、Ｈ２と反応するが、ヘリウムとは反応しないことが示された。
したがって、４番目の試験からの結果は、このシール構造をスタックに使用することができることを示唆する。しかし、図１３および図１４に示されているデータの比較により、３番目の試験からのグラファイト／バーミキュライト製ハイブリッドシールの構造は、４番目の試験からの対称バーミキュライト（アノード）およびバーミキュライト（カソード）シール構造と比較すると、燃料クロスオーバーが約５０％低下していることが示されている。さらに、スタック設計に大きな変更を加えることなく、グラファイトにおけるガスケットクリープを克服するための安定性の改善が可能である。
ガスケットを含む５番目の試験では、対称グラファイト（アノード）およびグラファイト（カソード）のシール構造を検討した。高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）シートを、動作スタックにおいて使用した１０ｃｍ×１０ｃｍのＳＯＦＣと全体として同じ幾何形状を有する代理セルとして使用した。３番目および４番目の試験に使用したものと同じ試験具を使用して、以下の配置：アノードＩＣ／グラファイト／Ａｌ２Ｏ３代理セル／グラファイト／カソードＩＣを有する対称グラファイト製シール構造を試験した。
３番目および４番目の試験とは異なり、５番目の試験の対称グラファイト製シール構造はガラスを使用しなかった。いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でスタックアセンブリ全体をクランプした。図１５は、アノード入口において１００ｓｃｃｍのヘリウム、およびカソード入口において１００ｓｃｃｍの空気を流した場合の、５００℃でのアノードからカソードへのクロスオーバー漏出結果を表す。図１６は、時間の関数としてのカソードからアノードへのクロスオーバー率を表す。クロスオーバー漏出率は、それぞれ、０．３％未満である。特に、５番目の試験の対称グラファイト製シール構造ではガラスが使用されておらず、グラファイトがカソード側で空気に直接曝露されているので、これは非常に目覚ましい結果である。
試験中のグラファイトの酸化の程度を評価するため、ＣＯ２の排気ガス中濃度を測定した。しかし、空気排気物中のＣＯ２の変化は、ＣＯ２の測定不確かさが１０ｐｐｍ未満で判定不能であり、このことは、グラファイト製ガスケットが無視できる程度の酸化しか受けなかったことを示している。より低い温度での空気中でのグラファイト分解がないため、アノードとカソードの両方のシールにグラファイトを使用することが可能である。
グラファイト製ガスケット構造の長期安定性を、５００℃で約２．５週間、評価し、シールは、漏出率に大きな変化なく非常に安定であった。これを同じ構造を用いる別の試験において繰り返し、同様の結果が得られた。対称グラファイト製シール構造もまた、５５０℃において良好に機能した。試験後の分析により、アノードガスケットおよびカソードガスケットの両方の外観は、５５０℃という高温への曝露および５００℃での長期曝露の後に変化しなかったように見えることが明らかになった。したがって、発生した漏出率のわずかな変化は、ガスケットのクリープに起因するように思われ、これは、追加のスプリングワッシャを使用して補償し、ガスケットの締付け応力をさらに一定に保持することができる。
５番目の試験からの結果は、グラファイトベースのガスケットをスタックのアノードシールとカソードシールの両方に、より低い動作温度（例えば、約５５０℃未満）で同時に使用することができることを示している。対称グラファイト構造は、５００℃で２．５週間、非常に安定であった。酸化防止性添加剤を含むグラファイト材料は、７００℃という高温まで、アノードおよびカソードのシールとして使用することができる。５番目の試験における構造は、ガラスを何ら利用していないが、アノード側およびカソード側の両方で使用されるグラファイト製ガスケットの場合、優れた結果となる可能性があり得る。さらに、グラファイトは、比較的、軟質であり、シール表面に適合するが、この構造の場合のアノード側および／またはカソード側にガラスを追加すると、一層高い温度で動作した場合、５番目の試験に使用した理想的なＡｌ２Ｏ３代理セルほど平面になることができない、実際のＳＯＦＣをシールするのに有益となり得る。
ガスケットを含む６番目の試験では、非対称グラファイト（アノード）製およびバーミキュライト（カソード）製シール構造を、以下の構成要素の配置：アノードＩＣ／グラファイト／Ａｌ２Ｏ３代理セル（ガラス）／バーミキュライト／カソードＩＣを用いて検討した。
高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）シートを、動作スタックにおいて使用した１０ｃｍ×１０ｃｍのＳＯＦＣと全体として同じ幾何形状を有する代理セルとして使用した。３番目および４番目の試験と同様に、６番目の試験の非対称グラファイト（アノード）製およびバーミキュライト（カソード）製のシール構造は、ガラスがＡｌ２Ｏ３代理セルのカソード側にあることを除いて、ガラスを使用した。３番目、４番目および５番目の試験で使用したものと同じ試験具を使用して、ヘリウムトレーサーを使用しない、より現実的な動作条件（５００ｓｃｃｍのＨ２、１５００ｓｃｃｍの空気）を用いる、このような非対称シール構造を試験した。６番目の試験のガスケット構造を６５０℃で評価した。いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でスタックアセンブリ全体をクランプした。
ガスクロマトグラフィーを使用して、アノード排気ストリーム中のＮ２およびＣＯ２を測定した。カソードのストリーム中のＨ２Ｏの量は、排気ストリームの実際の温度に合わせて調整した相対湿度センサーを使用して測定した。図１７Ａは、アノード排気物中で測定したＮ２は、恐らくは、３番目の試験のグラファイト／バーミキュライト製ハイブリッドシールの構造を用いた場合に観察されたものと同じガスケットのクリープ現象のために、経時的に増加したことを示している。アノード排気物中のＣＯ２の対応する増加もまた観察される（図１７Ｂ）が、ＣＯ２の量は、アノードにおけるＮ２クロスオーバーに対するカソードのストリームの比例した量と正確に一致する。例えば、アノード排気物中に、１０時間時に測定されたＮ２濃度は２％であり、ＣＯ２濃度は１０ｐｐｍである。カソード空気から生じると予想されるＣＯ２は、（（２％のＮ２）／（７９％のＮ２））×（４００ｐｐｍのＣＯ２）であり、これは、１０．１ｐｐｍのＣＯ２に等しい。さらなるＣＯ２が何らないことは、グラファイト製ガスケットが６５０℃でさえも分解しないという追加の証拠を提示する。６番目の試験の非対称グラファイト（アノード）およびバーミキュライト（カソード）製シールの構造では、アノードにグラファイトのみが存在し（つまり、ガラスがない）ことを考慮すると、ヘリウムではなくＨ２が使用されているので、上記のことは、特に目覚ましい結果である。３番目、４番目および５番目のガスケット構造の試験とは異なり、６５０℃において、カソードに漏出したいずれのＨ２も、酸素と直ちに反応して蒸気を形成するので、カソード排気物中のＨ２Ｏを測定して、アノードからカソードへのクロスオーバーを決定した。図１７Ｃに示す通り、カソードの排気物中のＨ２Ｏの増加が観察され、これは、Ｎ２クロスオーバーの傾向と一致する。６番目の試験のシール構造における漏出の性質は、他のものよりも対称的であるように見える（つまり、アノードからカソードへの漏出とカソードからアノードへの漏出が同様である）が、大きさは小さい。排気物中に２％～６．５％のＮ２が存在することは、カソードからアノードへのクロスオーバー率がわずか０．７％～２．２％であることに相当し、カソード排気物中の０．１％～０．２％のＨ２Ｏは、０．３％～０．６％のアノードからカソードへのクロスオーバーに相当する。
６番目の試験は、非対称グラファイト（アノード）製およびバーミキュライト（カソード）製シールの構造が、少なくとも最大で６５０℃までのＳＯＦＣ動作条件において、首尾よく使用することができることを示している。グラファイト製ガスケットの明らかな分解はなく、スタック繰り返しユニットのアノード側およびカソード側の両方において、シール全体が非常に良好である。グラファイトは、６５０℃未満の不活性環境または還元環境中では、損傷を受けない。これらの温度における同様の試験により、高濃度の蒸気でさえも、グラファイトが分解を受けないことがやはり確認された（例えば、全ＳＯＦＣ電力システムにおいて予期される通り、蒸気改質装置からのＨ２Ｏが＞４０体積％となる）。
アルミニウムスタック構成要素を含む７番目の試験では、スタックのような構造および関連するＳＯＦＣ動作条件でのその機械的完全性を評価するために、様々なアルミニウム合金を評価した。表２は、ＳＯＦＣスタックにおいて使用について評価した、様々な合金に関する融点データの要約を提示している。融点は、おおよその固相線から液相線までの温度範囲として示されている。鍛造合金は、主要な合金元素に基づいて様々な分類に分けられる。１ＸＸＸシリーズのアルミニウム合金（例えば、ＡＬ１１００）は、約９９重量％～約９９．９９重量％の間のアルミニウム濃度を有しており、かなり良好な耐食性を有する。６ＸＸＸシリーズのアルミニウム（例えば、ＡＬ６０６１）は、主にケイ素およびマグネシウムと合金にされており、約９５．７重量％～約９８．９重量％のアルミニウム濃度を有する。２ＸＸＸシリーズのアルミニウム（例えば、ＡＬ２０２４）は、主に銅と合金にされており、約９２．５重量％～約９６．７重量％の間のアルミニウム濃度を有する。７ＸＸＸシリーズ（例えば、ＡＬ７０７５）は、約８５．７重量％～約９９重量％のアルミニウム濃度を有しており、亜鉛と主に合金にされている。３ＸＸＸ、４ＸＸＸ、５ＸＸＸおよび８ＸＸＸシリーズのアルミニウムは、７番目の試験では試験しなかった。３ＸＸＸシリーズのアルミニウム（例えば、ＡＬ３００３）は、マンガンと主に合金にされており、約９７．８重量％～約９９．８重量％の範囲のアルミニウム濃度を有する。４ＸＸＸシリーズは、ケイ素と主に合金にされており、約８５重量％～約９８．３重量％の間のアルミニウムを含有する。５ＸＸＸシリーズは、マグネシウムと主に合金にされており、約９３．５重量％～約９９．３重量％の範囲のアルミニウム濃度を有する。８ＸＸＸシリーズは、約８７．５重量％～約９９．３重量％のアルミニウムを有しており、他の分類のシリーズに適合しない、様々な元素の混合物と合金にされている（例えば、リチウム、バナジウム、ゲルマニウム、ケイ素、マンガン、チタン、ジルコニウムおよび／または銅と一緒にした主に鉄）。鋳造アルミニウム合金は、＃ｘｘ．ｘという形式のわずかに異なる命名法を使用しており、この場合、＃は１～８までの数字であり、これは、鍛造合金としての分類と同じ意味を有することに留意されたい（例えば、１ｘｘ．ｘは、１ＸＸＸシリーズと同じである）。
Figure 2022553873000003
各合金を、０．０６３インチまたは０．０３９インチのどちらか一方の厚さとなり、以下の構造：４３０ＳＳエンドプレート／４３０ＳＳ相互接続部／アルミニウム合金／４３０ＳＳ相互接続部／４３０ＳＳエンドプレートに配置された、５インチ×３インチまたは３インチ×３インチのアルミニウム片を使用して評価した。
これらの試験において使用した４３０ＳＳ相互接続部は、流動場フィーチャ（すなわち、リブおよびチャネル）を有したが、試験前には、アセンブリの中央部のアルミニウム合金は、平坦であるか、または本質的に平坦であり、滑らかな表面仕上げを有した。約１ＭＰａの負荷でステンレス鋼製のタイ－ロッドおよびナットを使用して、このアセンブリをクランプした。各アルミニウム材料の第１の試料を４００℃で評価した。同じ材料の第２の試料もまた、５００℃で評価した。
このアセンブリを温度制御した窯に載せて、一定温度で１００時間、保持した。各アルミニウム板の寸法は、高温への曝露前後に測定し、次に、２枚のステンレス鋼製エンドプレートの間にアルミニウム板をクランプすることによって、この板またはシートに均一な応力を適用した。アルミニウム板またはシートの一方の側に、アルミニウムにかかる最悪の場合の応力集中部分を示す、流動場を備えるステンレス鋼製相互接続部が存在する。バルク変形は存在しなかったが、アルミニウム合金は、ステンレス鋼製相互接続部のリブと列をなす、いくつかの小さな表面のへこみがあることを示した。一部のアルミニウム合金は、他の合金よりも大きなくぼみがあることを示した。非接触光学表面形状測定装置（Ｋｅｙｅｎｃｅ ＶＲ－３２００）を使用して、表面の変形の程度を定量した。例えば、５００℃で試験した後のＡＬ６０６１の表面変形の平均深さは、わずか３０ミクロンであった一方、ＡＬ１１００の場合の変形深さは、６０ミクロンであった。このような変形は、ＳＯＦＣの動作の場合、長期間使用する場合でさえも重要ではない。すべてのアルミニウム合金は、アルミニウムスタックでの使用に十分であると考えられるが、ＡＬ６０６１は、試験したものの間で最もロバストな材料であるように思われる。さらに、高純度の合金および高純粋なアルミニウム材料は、一層高い融点を有するが、これらの材料は、一部の場合、表面の変形を防止または最小限にするというコーティングの恩恵を受けるであろう。純度がそれほど高くないアルミニウム合金（例えば、ＡＬ６０６１、ＡＬ２０２４またはＡＬ７０７５）は、このようなコーティングの恩恵を受けることがあるか、または受けることがない。耐酸化性に関すると、５００℃で１００時間、試験した様々な合金の間で、視覚的な差異があった。試験した合金のうち、ＡＬ１１００の表面は比較的光沢が依然として残っていた一方、ＡＬ６０６１、ＡＬ２０２４およびＡＬ７０７５は、外観がくすんでいた。ＡＬ６０６１の表面は、同様の外観を有する、ＡＬ２０２４およびＡＬ７０７５ほどくすんでいなかった。使用される材料の中で、これらの低純度から中純度のアルミニウム合金（約９０重量％～９９重量％のアルミニウムを含む合金）は、７番目の試験で試験した温度の場合、表面変形と融点との間に、最良の妥協点をもたらすように思われる。試験したそれらの合金の中で、約９５重量％～９９重量％のアルミニウムを含むものは、酸化に対して最良の固有の耐性をもたらすように思われる。不純物のより多い合金は、不純物のより少ない合金よりも強い傾向がある。総合的な性能を改善するために、低不純物アルミニウムを、低濃度アルミニウムを有するコアに積層する、クラッドするまたはコーティングすることによって、不純物がより多い合金の固有の耐酸化性を改善することができる。
アルミニウムスタック構成要素を含む８番目の試験では、６０６１アルミニウムおよび４００シリーズのステンレス鋼製相互接続部基材片への様々なコーティングを、様々な温度での安定性について評価した。検討した材料には、窒化チタン（ＴｉＮ）、銀（Ａｇ）、マンガンコバルタイト（（Ｍｎ，Ｃｏ）Ｏ４またはＭＣＯ）、および非クロメートプロセス化成コーティング（イリダイトＮＣＰ）が含まれる。銀ペーストおよび筆を使用してステンレス鋼片に、Ａｇコーティングを堆積させて、次いで、≧６５０℃でアニーリングした。銀ペーストは、Ａｇフレークおよび有機ペーストビヒクル（溶媒および結合剤）から作製した。ＭＣＯコーティングは、スラリースプレーコーティングプロセスを使用してステンレス鋼片に堆積し、この場合、スラリーは、ＭＣＯ粉末、溶媒および結合剤から構成された。このコーティングは、最初に空気中で、次に３％Ｈ２および９７％Ｎ２の混合物中、約８００℃でアニーリングした。化学溶液浴中への試験片の出現（emersion）によって、イリダイトＮＣＰをアルミニウム片に堆積させた。４００シリーズのステンレス鋼および６０６１アルミニウム片の両方の表面に、ＰＶＤプロセスを使用してＴｉＮコーティングを堆積させた。
各片を、白金集電体を備えたアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）具に上記片をクランプした試験装置において、個別に評価した。これらの片を、高温の窯中、滞留空気だけに曝露させた。金または銀のワイヤを一方の端（熱区域中）で白金集電体に接続し、ワイヤのもう一方の端部を、４点抵抗測定用の高解像度マルチメーターに接続した。図１８は、空気中、５００℃で１２時間、保持したＡＬ６０６１上のＴｉＮの面積比抵抗（ＡＳＲ）を示している。このＡＳＲ値は、かなり安定しており、ＴｉＮおよびＡＬ６０６１の合わせたＡＳＲを表す。見かけ上のＡＳＲは、５００℃において約５０ｍΩ－ｃｍ２である。４００℃で試験したＴｉＮコーティングアルミニウムのＡＳＲは、５００℃において試験した試料のＡＳＲよりもわずかに低かった（すなわち、名目上で約２０ｍΩ－ｃｍ２）。ＴｉＮの５００℃における平均ＡＳＲを表３中の他のコーティングと比較する。
Figure 2022553873000004
ＴｉＮコーティングの堆積したままおよび試験後のＳＥＭ画像が、それぞれ図１９Ａおよび図１９Ｂに示されている。ＳＥＭの試料調製は、理想未満であり、堆積したままの試料の薄膜の一部にいくらかの損傷が存在したことに留意されたい。ＴｉＮコーティングは、約２ミクロンの厚さであり、基材の表面に良好に適合した。高温への曝露後、すべてのＴｉＮ薄膜が受けた色の変化がわずかであったにもかかわらず、試験後の薄膜は、堆積させたままの薄膜と比べて、ほとんど変化しなかったように見える。ＴｉＮは、約５００℃～５５０℃超で酸化し始めることが知られているが、これは、ＳＯＦＣおよび関連デバイスにおいて使用する場合、その性能に影響を及ぼすようには思われない。さらに、ＴｉＮ薄膜へのイオン注入（例えば、Ａｌイオン注入）により、ＴｉＮの酸化の開始温度を≧７００℃まで向上することができることも示されている。銀ペーストのコーティングのＳＥＭ画像は、薄膜の厚さが約１５～２０ミクロンを有する、閉鎖および開放多孔度の両方を示した。ＭＣＯコーティングのＳＥＭ画像は、約７ミクロンの厚さを示した。
８番目の試験の結果は、一部のコーティングがＳＯＦＣ用途に対して他のものよりも優れた特性を有することを実証している。ＴｉＮコーティングは、高温において、アルミニウム合金およびステンレス鋼の両方に良好な電気コーティングを実現することが示された。ステンレス鋼（≧６５０℃でアニーリング）表面のＡｇコーティングは、非常に良好な電気性能を有した。アルミニウム表面のイリダイトＮＣＰコーティングもやはり、十分な電気性能を有した。ステンレス鋼表面のＭＣＯコーティングは、余りにも抵抗が高すぎるので、５００℃でのＳＯＦＣスタックには有用ではない可能性が高い。
９番目の試験では、ステンレス鋼製相互接続部を使用したスタックで、３つの５ｃｍ×５ｃｍのＮｉ－サーメットセルを試験した。ステンレス鋼製相互接続部は、４００シリーズのステンレス鋼から作製し、様々な流動場フィーチャ（すなわち、リブおよびチャネル）を有した。銀コーティングは、銀の粉末および有機ペーストビヒクル（溶媒および結合剤）から作製されたペーストを使用し、ブラシで塗布した。銀コーティングを各ステンレス鋼製相互接続部表面の流動場およびバスバーおよび電圧プローブタブの接続部に塗布して乾燥し、その後、≧６５０℃でアニーリングした。各５ｃｍ×５ｃｍセルは、Ｎｉ－サーメットアノード、ＧＤＣ電解質およびＬＳＣＦ－ＧＤＣカソードを特色とした。３番目の試験の構造と同様の対称バーミキュライト製ガスケット配置を使用したが、セルのアノード側およびカソード側の両方にガラスを使用した。スタックアセンブリ全体を、ステンレス鋼製エンドプレートと共に、いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドとナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でクランプした。空気および燃料の予熱コイルを備えるガス入口および出口マニホールドをＳＯＦＣスタックに接続した。電流接続はステンレス鋼製バスバーを介して行った。電圧プローブの測定は、別のワイヤを用いて行った。アセンブリをコンピュータ制御窯に載せた。ガス入口は、コンピュータ制御したＭＦＣに接続した一方、排気出口には通気孔を設けた。クロスオーバー漏出を評価するため、ガスクロマトグラフィーを使用した。スタックは、加湿水素をアノードストリームの燃料源として、およびカソードストリームのためにコンプレッサ空気を使用して、６５０℃～５００℃の間で動作させた。Ｎｉ－サーメットアノード中の酸化ニッケルは、６５０℃で還元した。電気的物性評価は、適切な電子負荷およびインピーダンスアナライザーハードウェアを使用して実施した。
ステンレス鋼製相互接続部を備えたスタックのためのシール品質は優れており、燃料（アノード）排気ストリーム中で検出されたＮ２はわずか約０．３％であり、これは本質的に、カソードからアノードへのクロスオーバーが０．１％未満となる。ＳＯＦＣスタックにおける３つのセルはそれぞれ、各試験条件において、ほぼ同じ性能を有した。６５０℃において、および外部負荷電流がゼロの場合、セルは、約０．８３Ｖの開回路電位（ＯＣＰ）、および０．２Ω－ｃｍ２となる合計ＡＳＲ（すなわち、セル、相互接続部および集電体）を有した。５５０℃におけるＯＣＰとＡＳＲは、それぞれ、０．８９Ｖおよび１．００Ω－ｃｍ２であった。５００℃では、ＯＣＰは０．９０Ｖであり、ＡＳＲは、２．１１Ω－ｃｍ２であった。動作電圧０．７５Ｖにおけるセルの電力密度は、５５０℃において０．１２Ｗ／ｃｍ２であり、５００℃において０．０６Ｗ／ｃｍ２であった。動作電圧が０．６０Ｖの場合、電力密度は、５５０℃では０．１８Ｗ／ｃｍ２であり、５００℃では０．０９Ｗ／ｃｍ２であった。これらの結果は、銀コーティングされたステンレス鋼製相互接続部が、これらの動作温度において、ＳＯＦＣスタック動作の実行可能な組合せとなることを示している。
アルミニウムスタック構成要素を含む１０番目の試験では、銀でコーティングしたアルミニウム製相互接続部および５ｃｍ×５ｃｍのセルを使用して、単一セルスタックを組み立てた。アルミニウム製相互接続部は、６０６１アルミニウムから作製し、９番目の試験のステンレス鋼製相互接続部と同じ幾何形状を有する様々な流動場フィーチャ（例えば、リブおよびチャネル）を有した。電流接続はステンレス鋼製バスバーを介して行った。電圧プローブの測定は、別のワイヤを用いて行った。銀コーティングは、銀のフレークおよび有機ペーストビヒクル（溶媒および結合剤）から作製したペーストを使用し、ブラシで塗布した。銀コーティングを、各アルミニウム製相互接続部表面の流動場およびバスバーおよび電圧プローブ接続部に塗布した。アルミニウム表面の銀コーティングは、約５００℃でアニーリングした一方、ステンレス鋼製バスバー表面の銀コーティングは、≧６５０℃でアニーリングした。５ｃｍ×５ｃｍのセルは、Ｎｉ－サーメットアノード、ＧＤＣ電解質およびＬＳＣＦ－ＧＤＣカソードを有した。対称バーミキュライト製ガスケット配置を使用した。シール構造は、３番目の試験で使用したものと類似したが、セルのアノード表面にガラスの代わりに、セルのカソード側にＲＴＶシリコーンシーラントを使用した。スタックアセンブリ全体は、ステンレス鋼製エンドプレートと共に、いくつかのステンレス製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でクランプした。空気および燃料の予熱コイルを備えるガス入口および出口マニホールドをスタックエンドプレートに接続した。電流バスバーおよび電圧ワイヤを接続した後、アセンブリ全体をコンピュータ制御窯に載せた。ガス入口は、コンピュータ制御したＭＦＣに接続したが、排気出口には通気孔を設けた。クロスオーバー漏出を評価するため、ガスクロマトグラフィーを使用した。電気的物性評価は、適切な電子負荷およびインピーダンスアナライザーハードウェアを使用して実施した。
１０番目の試験におけるスタックアセンブリは、約５００℃もの高さでのみ動作した。セルが４７５℃において水素中で還元された後、ＧＣ測定は、カソードからアノードへのクロスオーバーがわずか約０．５％であることを示した。１０番目の試験におけるシール品質は、９番目の試験において観察されたクロスオーバー漏出ほど低くはないが、依然として非常に良好であると考えられ、還元性ガスの雰囲気であるため、セルのアノード側でＲＴＶシールを使用した場合、改善され得る。不運なことに、１０番目の試験の銀コーティングアルミニウム製相互接続部は、異常な程度に低いＯＣＰおよび高いＡＳＲ値（例えば、５００℃において、約０．４ＶのＯＣＰおよび＞７Ω－ｃｍ２）をもたらした。
しかし、ブラシ処理をした銀コーティングは、良好に機能せず、ＡＳＲが高く、ＯＣＰが低い理由であると断定した。９番目の試験からの銀コーティングは、≧６５０℃においてアニーリングを使用したため、かなり良好に接着されたが、アルミニウムコーティングは、約５００℃でアニーリングだけを行った。一層低いアニーリング温度を使用すると、コーティングとアルミニウム製相互接続部との間の接着は不良で、それらの間の高い界面接触抵抗をもたらした。これによって、大きな電圧降下をもたらし、異常な程にＯＣＰが低くなり、ＡＳＲが非常に高くなった。銀がアルミニウムに良好に接着することができる場合（例えば、電気めっきなどの異なるプロセスを使用した場合）、結果はより良いものになると期待される。したがって、１０番目の試験は、アルミニウムへの不適切な接着を伴う銀コーティングは、ＳＯＦＣスタックでの使用には適していないことを実証した。上記の通り、ＳＯＦＣスタックでは、十分に接着された（例えば、≧６５０℃でアニーリングする）銀コーティングが、本発明者らにとっては適切である。
比較的高温であるにもかかわらず、バーミキュライト製ガスケットを備えるＲＴＶを使用すると、良好なシールをもたらした。実際、別の例では、同じシール構造により、カソードからアノードへのクロスオーバーが０．１％未満のシールがもたらされた。ＲＴＶシリコーンとセラミックとの間、またはＲＴＶシリコーンと金属との間の結合は、ＳＯＦＣの動作条件に長期間、曝露した後でさえもかなり強力である。試験後の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像により、ＲＴＶシリコーンはガラス様シールを形成したことが明らかになった。ＲＴＶシリコーンが、５００℃においてこのような良好なシールを形成したことは、すべての主要供給業者が、ＲＴＶシリコーンが３５０～４００℃の最高温度範囲であると指定しているので、予想外の結果であった。したがって、１０番目の試験はまた、ＲＴＶシリコーンを使用すると、ＳＯＦＣ用の高品質シールを得ることができることも実証した。
窒化チタン（ＴｉＮ）コーティングを有するアルミニウム製相互接続部を含む１１番目の試験では、ＴｉＮコーティングしたアルミニウム製相互接続部および５ｃｍ×５ｃｍのセルを使用し、単一セルスタックを組み立てた。アルミニウム製相互接続部は、６０６１アルミニウムから構成されており、９番目の試験におけるステンレス鋼製相互接続部および１０番目の試験に由来する銀コーティングしたアルミニウム製相互接続部と同じ幾何形状を有する様々な流動場フィーチャ（例えば、リブおよびチャネル）を有した。導電性ＴｉＮコーティングを流動場活性領域（つまり、スタック繰り返しユニット内のセルとほぼ重なる領域）に堆積した。ＴｉＮコーティングをアルミニウム製相互接続部のバスバーおよび電圧プローブタブにも堆積させた。
ＴｉＮコーティングは、物理蒸着（ＰＶＤ）を使用して堆積させた。シャドウマスクを使用して、相互接続部のある特定の領域を選択的にコーティングした。得られた薄膜は金色であった。相互接続部のＴｉＮコーティングは、見かけ上２ミクロンの厚さであった。
５ｃｍ×５ｃｍのセルは、Ｎｉ－サーメットアノード、ＧＤＣ電解質およびＬＳＣＦ－ＧＤＣカソードを有した。対称バーミキュライト製ガスケット配置を使用した。シール構造は、３番目および１０番目の試験で使用したものと類似したが、セルのアノード表面のガラスまたはセルのカソード表面のＲＴＶシリコーンの代わりに、バーミキュライトの他に、他のシーラントは使用しなかった。アセンブリとしてのスタック全体は、ステンレス鋼製エンドプレートと共に、いくつかのステンレス鋼製タイ－ロッドおよびナットを使用し、ガスケットに約０．３ＭＰａ未満の締付け応力でクランプした。空気および燃料の予熱コイルを備えるガス入口および出口マニホールドをスタックエンドプレートに接続した。電流接続は、ステンレス鋼製バスバーを介して行われ、これは、≧６５０℃でアニーリングした銀コーティングを有した。電圧プローブの測定は、別のワイヤを用いて行った。アセンブリをコンピュータ制御窯に載せた。ガス入口は、コンピュータ制御したＭＦＣに接続した一方、排気出口には通気孔を設けた。Ｎｉ－サーメットアノードの酸化ニッケルは、４７５℃で還元した。クロスオーバー漏出を評価するため、ガスクロマトグラフィーを使用した。電気的物性評価は、適切な電子負荷およびインピーダンスアナライザーハードウェアを使用して実施した。
アノード排気物のＧＣ測定は、０．８％未満のＮ２を示し、これは、０．３％未満のカソードからアノードへのクロスオーバーに等しい。これは、１０回目の試験からの結果を含め、他のアルミニウム製相互接続部の試験におけるシール結果に非常に類似している。セルの電気特性は、約４７５℃、５００℃、５１５℃、５３０℃および５５０℃で測定した。
図２０は、４７５℃～５５０℃の間の電流密度（Ａ／ｃｍ２）の関数として測定した電圧および電力密度の物性評価を示す。４７５℃および５１５℃におけるＯＣＰは、０．８８Ｖであり、温度が５５０℃まで上昇すると、０．８７Ｖへとわずかに低下した。５１５℃でのＡＳＲは１．２４Ω－ｃｍ２である一方、５５０℃では、ＡＳＲは０．７４Ω－ｃｍ２であった。これにより、５１５℃および５５０℃において、それぞれ０．１５Ｗ／ｃｍ２および０．２４Ｗ／ｃｍ２の最大電力密度（ＭＰＤ）がもたらされた。５５０℃および０．７５Ｖの動作電圧において、１１番目の試験のセルは、０．１２Ａ／ｃｍ２において０．０９Ｗ／ｃｍ２を発生した。
１１番目の試験でのＴｉＮコーティングしたアルミニウム製相互接続部を備えるＮｉ－サーメットセル（４７５℃で還元）の性能は、９番目の試験でのＡｇコーティングしたステンレス製相互接続部を備えたＮｉ－サーメットセル（６５０℃で還元）とよく匹敵する。表４は、これらの２つの試験に関する、ＯＣＰ、ＡＳＲおよび電力密度（ＰＤ）の結果を要約している。５００℃および５５０℃の両方において、１１番目の試験からのセルは、９番目の試験からのセルよりも約２０ｍＶ低いＯＣＰを有した。１１番目の試験におけるセルのＯＣＰがわずかに低いことは、その試験に使用したセルの電解質にピンホールがあるためと考えられる。これらの結果は、アルミニウムスタック構成要素が、ＳＯＦＣの動作に適切に機能したことを含め、複数の理由のため重要である。さらに、Ｎｉ－サーメットＳＯＦＣのアノードが、より低い温度（例えば、約６００℃未満）で還元された場合、還元速度が遅くなると、それほど最適ではないアノード微細構造体が生じる恐れがある。過去の微細構造分析により、Ｎｉ－サーメットセルをより低い温度で還元した場合のニッケルの濡れ問題により、電気的接続性が不良となることがあることが示されており、これは、セルの大きな電圧降下、およびしたがって低いＯＣＰをもたらし得か、または単にＡＳＲが高くなり得る。しかし、１１番目の試験からの性能は許容された。
Figure 2022553873000005
９番目の試験からの単一セルスタックのＯＣＰは、１１番目の試験からの単一セルスタックよりも、約３％高かっただけであるが、後者の単一セルスタックは、５００℃および５５０℃の両方において、前者の単一セルスタックよりも約２５％、低いＡＳＲを有した。これにより、両方の動作温度において、同様の電力密度特性をもたらす。しかし、０．７５Ｖでは、９番目の試験からの単一セルスタックのＯＣＰが高いほど、１１番目の試験からの単一セルスタックよりもわずかに高い電力密度がもたらされ、より低い温度での動作では、それらの間のギャップが近づく。より高い電流密度では、９番目および１１番目の試験からの単一セルスタックもやはり、同様の電力密度を示した。しかし、１１番目の試験からの単一セルスタックは、９番目の試験からの単一セルスタックと比較して、ＡＳＲがより低いため、動作電圧０．６Ｖでは高い電力密度を有した。９番目の試験からの単一セルスタックは、ＭＰＤまで物性評価されていないが、５００℃におけるその試験に対して記録された最高電力密度は、０．２Ａ／ｃｍ２および動作電圧０．５２Ｖにおいて０．１Ｗ／ｃｍ２となった。１１番目の試験からの単一セルスタックは、０．２Ａ／ｃｍ２および０．５５Ｖにおいて、０．１１Ｗ／ｃｍを発生した。１１番目の試験からの単一セルスタックのＭＰＤは、５００℃において０．１２Ｗ／ｃｍ２であった。
１１番目の試験からのセルスタックの最初の約１２０時間の動作には、４７５℃～５５０℃の間での、アノードの還元、セルのコンディショニング工程およびその後の物性評価（例えば、電流－電圧、一過性応答およびクロスオーバー漏出測定）が含まれた。最初の物性評価後、セルスタックを０．２１Ａ／ｃｍ２の定電流で、５１５℃で３００時間（すなわち、約１２０時間～４２０時間）保持した。図２１において分かる通り、定電流動作条件下での電圧は、この期間にわたり、それほど変化しなかった。試験までの約３００時間時に、電流は短時間にゼロアンペアまで低下し、これは、この期間の間、ＯＣＰもやはり変化しなかったことを示す。さらに、ＧＣベースの漏出率測定により、１１番目の試験の定電流部分全体の間、カソードからアノードへのクロスオーバー漏出率に本質的に変化がなかったことが示される。
１１番目の試験が一旦、完了し、スタックが冷却されると、室温での圧力減衰試験は、１１番目の試験の前に行った同様の測定の結果と本質的に同じ結果を有する。これらの結果により、シールの完全性が確認される。スタックを分解した後、構成要素の視覚的な異常に関して検査し、アルミニウム製相互接続部での＞４００時間の試験期間中の５５０℃という高温での試験および総合的な高温曝露の影響を判定した。相互接続部に変形または他の問題の兆候はなかった。
マルチメーターを使用して、１１番目の試験に使用したアルミニウム製相互接続部の様々な領域の試験後の室温での抵抗を比較した。電気抵抗は、相互接続部の活性領域（つまり、繰り返しユニット内のセルとほぼ重なる領域）におけるＴｉＮコーティングから、バスバーと電気接続が行われる相互接続部の領域のＴｉＮコーティングまで測定した。電気抵抗もまた、同じ距離にわたるが、アルミニウム製相互接続部の非コーティング領域で測定した。コーティング領域の室温での抵抗は、測定がアノード側の相互接続部で行われたかカソード側の相互接続部で行われたかに関係なく、１１番目の試験前の室温での抵抗と同様であった。試験前に、非コーティング領域およびコーティング領域は、同様の室温での抵抗を有した。しかし、１１番目の試験後、非コーティング領域の抵抗は、コーティング領域よりも１０３～１０６倍も大きな抵抗であった。非コーティング領域が酸化され、絶縁性の自然酸化物（すなわち、Ａｌ２Ｏ３）薄膜が形成される。抵抗値が低いアルミニウムの非コーティング領域のある特定の領域が存在したが、測定された抵抗は相互接続部のコーティング領域よりも依然として高かった。これらの領域は、ガスケットが相互接続部と接触している領域と一致したので、ガスケットが、酸化速度を局所的に低下させ、試験中のより激しい酸化からアルミニウムを本質的に保護した可能性がある。
１１番目の試験からの結果により、アルミニウム構成要素（例えば、アルミニウム製相互接続部）は、少なくとも５５０℃という高温において、４００時間にわたり、ステンレス鋼製構成要素に匹敵する性能で、スタックに首尾よく使用できることが示された。これらの結果は、アルミニウムの熱膨張係数がＳＯＦＣの約２倍であるにもかかわらず（すなわち、アルミニウムの場合の約２０ｐｐｍ／℃に対し、ＳＯＦＣの場合の約１２ｐｐｍ／℃）、このようなアルミニウム構成要素をセラミック製ＳＯＦＣに使用することができることを示している。ＴｉＮコーティングは、１１番目の試験の試験条件の場合の、酸化環境および還元環境の両方において、十分に高い導電性および耐久性を有する。アルミニウム製相互接続部の非コーティング領域に形成される自然酸化物は、電気絶縁性である。一部のスタック設計では、これなどの絶縁層は、スタック内での電気的短絡の形成を防止するのに有利なことがある。相互接続部の所望の部分をＴｉＮなどの導電層によりコーティングした後、例えば、相互接続部を高温で酸化環境に曝露した後により、自然酸化物を形成することができる。自然酸化物は、スタックの組み立て前に、または１１番目の試験において行ったようにインシチュで形成することができる。この方法での自然酸化物絶縁層の形成は、絶縁材料の追加コーティングを使用するよりも有利となり得る。
アルミニウムスタックの機械的、熱機械的および熱的性能に及ぼす予測される影響を評価するため、アルミニウムスタック構成要素の使用のモデル化を含む１２番目の試験において。カスタムマルチフィジックスモデルを使用して、アルミニウムスタック構成要素がセラミックセルの接触圧に及ぼす影響およびスタックの組み立て後のアルミニウム構成要素の室温での変形を予測／シミュレートした。マルチフィジックスモデルを、動作中のスタック内の熱勾配に及ぼすアルミニウムスタック構成要素の影響を評価するためにも使用した。マルチフィジックスモデルは、現実的な構成要素の幾何形状を使用した。単純なスプレッドシートモデルを使用して、様々な動作温度の動作時におけるアルミニウム構成要素のスタックとステンレス鋼製構成要素のスタックの合計熱膨張を計算した。別のスプレッドシートモデルを使用して、アルミニウムとステンレス鋼製スタック構成要素間の熱応答の差異を評価した。モデルは、目的の材料の熱物理データ、およびスタック構成要素に関する関連幾何形状（実際または簡略化）を利用した。
マルチフィジックスモデルは、スタックの機械的完全性に及ぼすアルミニウムスタック材料の影響を評価するためのものであった。スタックの組み立て中に受けた条件を再現するために適切な境界条件を使用して、マルチセルスタックの組み立てを室温で検討した。組み立て後のスタック内の局所ひずみテンソル分布を、アルミニウム製およびステンレス鋼製スタック構成要素について比較した。セラミックセルへの接触圧は、両方の材料に対して同様であり、許容範囲内（すなわち、０．０２ＭＰａ未満）であったが、アルミニウム製相互接続部を使用した場合、セルへの接触圧はわずかに高い。さらに、モデルシミュレーションにより、スタックの組み立て中に、アルミニウム構成要素もステンレス鋼製構成要素も変形しないはずであることが予想される。
スタックは、多数の異なる材料から構成され、様々な形状およびサイズを有することができる、多数の構成要素を含む。スタックが、高温に加熱されると、スタック内部の様々な構成要素が、互いに異なって挙動し得る。例えば、スタック構成要素の熱膨張の差異により、部品が変形する、またはセラミック製セルもしくはシール材料の破損さえ引き起こす恐れのある、過度の熱応力が発生し得る。スプレッドシートモデルを使用して、ステンレス鋼製相互接続部対アルミニウムまたは銅から作製された相互接続部の熱膨張の差異による、スタック内部の機械的応力分布を比較した。アルミニウムの熱膨張係数（ＴＥＣ）は、合金および温度範囲に応じて、約１９μｍ／ｍ／℃～２４μｍ／ｍ／℃の範囲である。４００シリーズのステンレス鋼のＴＥＣは、１０μｍ／ｍ／℃～１３μｍ／ｍ／℃の程度である一方、３００シリーズのステンレス鋼の場合、ＴＥＣは、約１４μｍ／ｍ／℃～１８μｍ／ｍ／℃の間である。銅の場合、ＴＥＣは約１７μｍ／ｍ／℃である一方、銅合金のＴＥＣは、１６μｍ／ｍ／℃～２２μｍ／ｍ／℃の間で様々となり得る。
ステンレス鋼製構成要素を備えるスタックは、十分にロバストであることが周知であり、例えば、７５０℃という高温でさえ受けるＴＥＣの不一致に起因する熱応力に対処することができる。アルミニウムは、４００シリーズのステンレス鋼よりもはるかに高い熱膨張を有する（例えば、約２倍の高さ）が、アルミニウムベースのスタックの動作枠は低く、上限動作温度は、恐らく約６５０℃以下である。予期される動作温度の範囲（すなわち、約４００℃～約６００℃）で発生する熱膨張は、既知の許容される膨張の約８８％～約１３０％の間である。さらに、１１番目の試験は、アルミニウムスタックが少なくとも５５０℃まで良好に動作することを示した。したがって、このモデルは、アルミニウムの熱膨張係数（ＣＴＥ）がはるかに高いにもかかわらず、４００シリーズのステンレス鋼から作製された構成要素と比較すると、動作温度範囲を考慮した場合、ＴＥＣの不一致に起因するスタックの機械的応力は、大幅に増加しないことを予測する。
マルチフィジックスモデルを使用して、スタック内部の温度勾配に関して、アルミニウム製相互接続部に何ら利点があるかどうかを検討した。アルミニウムの熱伝導率は、ステンレス鋼の約４．５倍高い。さらに、銅は、アルミニウムの２倍の熱伝導率を有する（すなわち、ステンレス鋼の熱伝導率の約９倍高い）。２つの異なるタイプのシミュレーションを実行し、アルミニウムと銅がセルおよびスタック全体の温度分布にどのように影響を及ぼすかを判定した。第１のタイプのシミュレーションは、入口から出口までの単一の繰り返しユニット全体の温度分布の差異を試験した。第２のタイプのシミュレーションは、スタック全体の温度均一性の変化（すなわち、温度が、スタックの底部から上部へどのように変わるか）に焦点を当てた。
第１のタイプの熱勾配シミュレーションを、４５０℃および６５０℃の動作温度において、４００シリーズのステンレス鋼、アルミニウムおよび銅の材料に対して実行した。この試験からの結果は、アルミニウムおよび銅の両方について、温度均一性が大幅に改善されたことを示している。温度が低下すると、所与の材料に対して発生する温度勾配がわずかに低下する。いずれにせよ、試験材料の任意の２つの間の熱均一性の差異は、動作温度の各々においてかなり一定した（すなわち、温度による熱均一性の変化は、材料間で一貫した）。このシミュレーションは、４５０℃におけるアルミニウム製相互接続部の繰り返しユニットに対する２点間の最大温度差が、ステンレス鋼製相互接続部の場合よりも約５０％小さいと予測する。銅の場合、最大温度差は、ステンレス鋼の場合よりも約６５％、小さい。このような改善は、セル内部の熱応力の低下を含めた、様々な理由のため重要であり、これにより、セルスタックが一層ロバストになる。
第２のタイプの熱勾配シミュレーションは、アルミニウムおよびステンレス鋼製スタック構成要素の両方に対して、６５０℃および５５０℃で実行した。各繰り返しユニットに関する最大温度差は、相互接続部材料に関わらず、より低い動作温度においてより一様になる（つまり、より類似する）。しかし、アルミニウム材料は、依然として、両方の温度においてスタック全体でかなり一層一様な熱プロファイルを実現する。６５０℃では、アルミニウムスタック構成要素を使用すると、ステンレス鋼製構成要素を使用した場合と比較して、スタック全体の熱均一性が約４１％改善する。５５０℃では、アルミニウムスタック構成要素により、スタック全体の温度均一性の約７２％の改善が実現する。スタックの上部および下部が比較的低温であるほど、高温の中間区域がさらなる電力の発生を制限する可能性が低くなるため、スタック全体の熱均一性のこのような改善により、スタック内部でさらなる電力を発生させることが可能となる。優れた熱均一性により、スタック内部の極端な温度を冷却するためにそれほど過度な空気を必要としないので、システムの送風機に関連する寄生損失も減少する（すなわち、システム効率が向上し、資本設備コストが削減される）。
特定の用途に応じて、急速に加熱または冷却するスタックが望ましいことがある。スタックの熱応答は、スタック構成要素の質量、材料の熱容量および温度変化の大きさに依存する。スプレッドシートモデルを使用して、ステンレス鋼、アルミニウムおよび銅の材料の熱応答を比較した。アルミニウムの熱伝導率および熱容量は、ステンレス鋼よりも、それぞれ約４．５倍および約１．９倍、高い。一方、銅の場合、熱伝導率はステンレス鋼の場合よりも約９倍高いが、熱容量は実際には、ステンレス鋼の場合よりも約１９％低い。同じサイズであるが、異なる材料から作製されたスタック構成要素（例えば、エンドプレートおよび相互接続部）を想定すると、アルミニウムスタックは、考慮されるアルミニウムの合金またはステンレス鋼に応じて、ステンレス鋼よりも３０％～４０％速い熱応答を有する。銅は、ステンレス鋼より７％～１４％速い熱応答を有する。
１３番目の試験では、２種の異なる接着剤を使用して、図５Ａのように、バーミキュライト製ガスケットとグラファイト製ガスケットをハイブリッドガスケットとして互いに接合した。セラミック接着剤（すなわち、Ｃｏｒｒ－Ｐａｉｎｔ ３０ＸＸ）の湿式コーティングをバーミキュライト製シートのガスケットの一方の側とグラファイト製シートのガスケットの一方の側に塗布した。接着剤を塗布した後、２種のガスケット材料の接着剤を互いに接触させて置いた。次に、層が互いに接着するまで、手作業によって軽く圧力をかけたか、または一軸プレスにおいてより高い圧力を印加した。一軸プレスでプレスした接着剤を含む試料を、１ＭＰａで圧縮した。対照として、グラファイト製ガスケットおよびバーミキュライト製ガスケットを、接着剤を使用せずに一軸プレスで、１ＭＰａで圧縮した。接着剤を使用していないハイブリッドガスケット（１ＭＰａに圧縮）における２つの層は、加熱処理前でさえも互いに接着しなかった。接着剤を含まないハイブリッドガスケットを５ＭＰａに圧縮した場合にも、同じ結果が起こった。接着剤を使用しないハイブリッドガスケットは、層が互いに接着する前に、２６ＭＰａの圧縮を必要とした。各構造の２つの試料を調製し、空気中、２４時間、６５０℃まで加熱した。接着剤のないハイブリッドガスケットの場合、１つの試料（２６ＭＰａに圧縮した試料）だけに加熱処理を施した。
加熱処理後、接着剤を使用した、手作業によって軽く圧縮した２つの試料のうちの１つは、部分的に剥離した。これらの試料のうちの第２のものは完全に付着したままであった。接着剤を使用した、１ＭＰａで圧縮したハイブリッドガスケットの試料はどちらも、加熱処理後、剥離の兆候が何らなしに、完全に無傷であった。接着剤なしで、２６ＭＰａに圧縮したハイブリッドガスケットは、加熱処理後に完全に剥離した。したがって、１３番目の試験は、接着剤が、固体酸化物燃料電池スタックに使用することができる、ハイブリッドガスケットにおいて層を接着する一助となり得ることを示した。
本明細書において使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、このような用語および表現の使用において、示されて説明される特徴またはその一部の均等物を除外することを意図するものではない。さらに、本発明のある特定の実施形態を説明したので、本明細書において開示されている概念を組み込んだ他の実施形態が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく使用されることができることが当業者には明白であろう。したがって、記載された実施形態は、すべての点において、単なる例示であり、限定的ではないと見なされるべきである。

Claims (113)

  1. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、複数の繰り返しユニットであって、各々が、以下：
    燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、セル、
    前記セルから電流を伝導するための固体の導電性の相互接続プレート、および
    前記繰り返しユニットからのガス漏出を低減するための、前記相互接続プレートと前記セルとの間に、前記繰り返しユニットの少なくとも外縁に配設されているシールであり、前記相互接続プレートおよび前記セルが、前記シールにおいて互いに電気絶縁されている、前記シール
    を備える、前記繰り返しユニット
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイスであって、
    （ｉ）前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムもしくは銅のうちの少なくとも１種を含む、（ｉｉ）前記シールが、グラファイトを含む、および／または（ｉｉｉ）前記底部エンドプレートもしくは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムもしくは銅のうちの少なくとも１種を含む、
    前記固体酸化物燃料電池デバイス。
  2. 前記繰り返しユニットが、直列で電気的に接続されている、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記シールがグラファイトを含む、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅から構成されていない、請求項３に記載のデバイス。
  5. 前記相互接続プレートが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項３に記載のデバイス。
  7. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記シールがグラファイトから構成されていない、請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記シールが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項８に記載のデバイス。
  10. 前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅から構成されていない、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 前記相互接続プレートが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項１１に記載のデバイス。
  13. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１０に記載のデバイス。
  14. 前記シールがグラファイトから構成されていない、請求項１０に記載のデバイス。
  15. 前記シールが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項１４に記載のデバイス。
  16. 前記シールがグラファイトを含む、請求項１０に記載のデバイス。
  17. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１６に記載のデバイス。
  18. 前記相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングをさらに備え、前記コーティングが、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、請求項１に記載のデバイス。
  19. 前記相互接続プレートが、前記相互接続プレートを前記セルに電気的に接続するための複数の突出した接触フィーチャを画定する、請求項１に記載のデバイス。
  20. 前記接触フィーチャの少なくとも上部表面の上に配設されている導電性コーティングまたはクラッディングをさらに備える、請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記相互接続プレートが、それを通る前記燃料および／または前記酸素源の伝導のための１つまたは複数のフローチャネルを画定する、請求項１に記載のデバイス。
  22. 前記セルと前記相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質またはメッシュ状の集電体をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
  23. 前記繰り返しユニットの前記外縁の周囲に配設されており、前記相互接続プレートまたは前記シールのうちの少なくとも１つを封入して、その酸化を低減する外部シールをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
  24. 前記シールと前記相互接続プレートとの間に配設されている、電気絶縁性の第１の層、および／または
    前記シールと前記セルとの間に配設されている、電気絶縁性の第２の層
    をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
  25. 前記シールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
  26. 前記第１の層または前記第２の層が導電性である、請求項２５に記載のデバイス。
  27. 前記シールの第１の表面に配設されている電気絶縁性の第１のコーティング、および／または
    前記シールの、前記第１の表面の反対側の第２の表面に配設されている電気絶縁性の第２のコーティング
    をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
  28. 前記複数の繰り返しユニットが、前記上部エンドプレートおよび前記底部エンドプレートに電気的に接続されている、請求項１に記載のデバイス。
  29. 前記複数の繰り返しユニットが、前記上部エンドプレートおよび前記底部エンドプレートに電気的に接続されていない、請求項１に記載のデバイス。
  30. （ｉ）前記上部エンドプレートと前記複数の繰り返しユニットとの間に配設されており、（ｉｉ）前記複数の繰り返しユニットに電気的に接続されている、上部端子相互接続プレート、および
    （ｉ）前記底部エンドプレートと前記複数の繰り返しユニットとの間に配設されており、（ｉｉ）前記複数の繰り返しユニットに電気的に接続されている、底部端子相互接続プレート
    をさらに備える、請求項２９に記載のデバイス。
  31. 前記相互接続プレートの周縁部が、それらの間にシールなしに、隣接する繰り返しユニットの前記セルに直接接触するように成形されている、請求項１に記載のデバイス。
  32. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、ならびに
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、
    上部表面および前記上部表面の反対側の底部表面を有するセルであって、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、前記セル、
    前記セルの前記上部表面の上に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレート、
    前記セルの前記底部表面の下に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート、
    前記第１の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第１の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている第１のシールであり、前記第１の相互接続プレートおよび前記セルが、前記第１のシールにおいて互いに電気絶縁されている、前記第１のシール、および
    前記第２の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている第２のシールであり、前記第２の相互接続プレートおよび前記セルが、前記第２のシールにおいて互いに電気絶縁されている、前記第２のシール
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイスであって、
    （ｉ）前記第１の相互接続部もしくは前記第２の相互接続部のうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムもしくは銅のうちの少なくとも１種を含む、および／または（ｉｉ）前記第１のシールもしくは前記第２のシールのうちの少なくとも１つが、グラファイトを含む、
    前記固体酸化物燃料電池デバイス。
  33. 前記セルの周縁部の周囲、かつ前記第１のシールと前記第２のシールとの間に配設されているスペーサーをさらに備える、請求項３２に記載のデバイス。
  34. 前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する外部シールをさらに備える、請求項３２に記載のデバイス。
  35. 前記セルと前記第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／または
    前記セルと前記第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体
    をさらに備える、請求項３２に記載のデバイス。
  36. 前記第１のシールと前記第１の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、
    前記第１のシールと前記セルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層、
    前記第２のシールと前記第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第３の層、および／または
    前記第２のシールと前記セルとの間に配設されている電気絶縁性の第４の層
    をさらに備える、請求項３２に記載のデバイス。
  37. 前記第１のシールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、ならびに／または
    前記第２のシールが第３の層および第４の層を含み、前記第３の層および前記第４の層が異なる材料を含む
    請求項３２に記載のデバイス。
  38. 前記セルの前記上部表面に面する前記第１の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第１のコーティング、および／または
    前記セルの前記底部表面に面する前記第２の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第２のコーティング
    をさらに備える、請求項３２に記載のデバイス。
  39. 前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つがグラファイトを含む、請求項３２に記載のデバイス。
  40. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅から構成されていない、請求項３９に記載のデバイス。
  41. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項４０に記載のデバイス。
  42. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項３９に記載のデバイス。
  43. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項３２に記載のデバイス。
  44. 前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つが、グラファイトから構成されていない、請求項４３に記載のデバイス。
  45. 前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項４４に記載のデバイス。
  46. 前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングをさらに備え、前記コーティングが、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、請求項３２に記載のデバイス。
  47. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、ならびに
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、
    上部表面および前記上部表面の反対側の底部表面を有するセルであって、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、前記セル、
    前記セルの前記上部表面の上に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレートであって、前記第１の相互接続プレートの周縁部が、前記セルに直接的に機械的接触させて配設されている、前記固体の導電性の第１の相互接続プレート、
    前記セルの前記底部表面の下に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート、および
    前記第２の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されているシールであり、前記第２の相互接続プレートおよび前記セルが、前記シールにおいて互いに電気絶縁されている、前記シール
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイスであって、
    （ｉ）前記第１の相互接続部もしくは前記第２の相互接続部のうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムもしくは銅のうちの少なくとも１種を含む、および／または（ｉｉ）前記シールが、グラファイトを含む、
    前記固体酸化物燃料電池デバイス。
  48. 前記セルの周縁部の周囲、かつ前記第１の相互接続プレートと前記シールとの間に配設されているスペーサーをさらに備える、請求項４７に記載のデバイス。
  49. 前記第１の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第１の外部シール、および／または
    前記第２の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第２の外部シール
    をさらに備える、請求項４７に記載のデバイス。
  50. 前記セルと前記第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／または
    前記セルと前記第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体
    をさらに備える、請求項４７に記載のデバイス。
  51. 前記シールと前記第２の相互接続プレートとの間に配設されている、電気絶縁性の第１の層、および／または
    前記シールと前記セルとの間に配設されている、電気絶縁性の第２の層
    をさらに備える、請求項４７に記載のデバイス。
  52. 前記シールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、請求項４７に記載のデバイス。
  53. 前記セルの前記上部表面に面する前記第１の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第１のコーティング、および／または
    前記セルの前記底部表面に面する前記第２の相互接続プレートの表面に配設されている導電性の第２のコーティング
    をさらに備える、請求項４７に記載のデバイス。
  54. 前記シールがグラファイトを含む、請求項４７に記載のデバイス。
  55. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅から構成されていない、請求項５４に記載のデバイス。
  56. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項５５に記載のデバイス。
  57. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項５４に記載のデバイス。
  58. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項４７に記載のデバイス。
  59. 前記シールがグラファイトから構成されていない、請求項５８に記載のデバイス。
  60. 前記シールが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項５９に記載のデバイス。
  61. 前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングをさらに備え、前記コーティングが、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、請求項４７に記載のデバイス。
  62. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、複数の繰り返しユニットであって、各々が、以下：
    燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、セル、
    前記セルから電流を伝導するための固体の導電性の相互接続プレート、および
    前記繰り返しユニットからのガス漏出を低減するための、前記相互接続プレートと前記セルとの間に、前記繰り返しユニットの少なくとも外縁に配設されているシールであり、前記相互接続プレートおよび前記セルが、前記シールにおいて互いに電気絶縁されている、前記シール
    を備える、前記繰り返しユニット、ならびに
    前記相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングであって、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、前記コーティング
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイス。
  63. 前記相互接続プレートが端子相互接続プレートである、請求項６２に記載のデバイス。
  64. 前記コーティングがクラッディングである、請求項６２に記載のデバイス。
  65. 前記コーティングが、複数の層を含み、前記層のうちの少なくとも第１の層が窒化物セラミックを含み、前記層のうちの少なくとも第２の層が金属を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  66. 前記金属がアルミニウムを含む、請求項６５に記載のデバイス。
  67. 前記繰り返しユニットが直列で電気的に接続されている、請求項６２に記載のデバイス。
  68. 前記シールがグラファイトを含む、請求項６２に記載のデバイス。
  69. 前記相互接続プレートが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  70. 前記相互接続プレートが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  71. 前記シールが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  72. 前記相互接続プレートが、前記相互接続プレートを前記セルに電気的に接続するための複数の突出した接触フィーチャを画定する、請求項６２に記載のデバイス。
  73. 前記接触フィーチャの少なくとも上部表面の上に配設されている導電性コーティングまたはクラッディングをさらに備える、請求項７２に記載のデバイス。
  74. 前記相互接続プレートが、それを通る前記燃料および／または前記酸素源の伝導のための１つまたは複数のフローチャネルを画定する、請求項６２に記載のデバイス。
  75. 前記セルと前記相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質またはメッシュ状の集電体をさらに備える、請求項６２に記載のデバイス。
  76. 前記繰り返しユニットの前記外縁の周囲に配設されており、前記相互接続プレートまたは前記シールのうちの少なくとも１つを封入して、その酸化を低減する外部シールをさらに備える、請求項６２に記載のデバイス。
  77. 前記シールと前記相互接続プレートとの間に配設されている、電気絶縁性の第１の層、および／または
    前記シールと前記セルとの間に配設されている、電気絶縁性の第２の層
    をさらに備える、請求項６２に記載のデバイス。
  78. 前記シールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  79. 前記第１の層または前記第２の層が導電性である、請求項７８に記載のデバイス。
  80. 前記シールの第１の表面に配設されている電気絶縁性の第１のコーティング、および／または
    前記シールの、前記第１の表面の反対側の第２の表面に配設されている電気絶縁性の第２のコーティング
    をさらに備える、請求項６２に記載のデバイス。
  81. 前記上部エンドプレートまたは前記底部エンドプレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項６２に記載のデバイス。
  82. 前記複数の繰り返しユニットが、前記上部エンドプレートおよび前記底部エンドプレートに電気的に接続されている、請求項６２に記載のデバイス。
  83. 前記複数の繰り返しユニットが、前記上部エンドプレートおよび前記底部エンドプレートに電気的に接続されていない、請求項６２に記載のデバイス。
  84. （ｉ）前記上部エンドプレートと前記複数の繰り返しユニットとの間に配設されており、（ｉｉ）前記複数の繰り返しユニットに電気的に接続されている、上部端子相互接続プレート、および
    （ｉ）前記底部エンドプレートと前記複数の繰り返しユニットとの間に配設されており、（ｉｉ）前記複数の繰り返しユニットに電気的に接続されている、底部端子相互接続プレート
    をさらに備える、請求項８３に記載のデバイス。
  85. 前記相互接続プレートの周縁部が、それらの間にシールなしに、隣接する繰り返しユニットの前記セルに直接接触するように成形されている、請求項６２に記載のデバイス。
  86. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、
    上部表面および前記上部表面の反対側の底部表面を有するセルであって、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、前記セル
    前記セルの前記上部表面の上に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレート
    前記セルの前記底部表面の下に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート
    前記第１の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第１の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている第１のシールであって、前記第１の相互接続プレートおよび前記セルが、前記第１のシールにおいて互いに電気絶縁されている、前記第１のシール、および
    前記第２の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されている第２のシールであって、前記第２の相互接続プレートおよび前記セルが、前記第２のシールにおいて互いに電気絶縁されている、前記第２のシール、ならびに
    前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングであって、グラファイト、銅、アルミニウム、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、前記コーティング
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイス。
  87. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、端子相互接続プレートである、請求項８６に記載のデバイス。
  88. 前記コーティングがクラッディングである、請求項８６に記載のデバイス。
  89. 前記コーティングが、複数の層を含み、前記層のうちの少なくとも第１の層が窒化物セラミックを含み、前記層のうちの少なくとも第２の層が金属を含む、請求項８６に記載のデバイス。
  90. 前記金属がアルミニウムを含む、請求項８９に記載のデバイス。
  91. 前記セルの周縁部の周囲、かつ前記第１のシールと前記第２のシールとの間に配設されているスペーサーをさらに備える、請求項８６に記載のデバイス。
  92. 前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する外部シールをさらに備える、請求項８６に記載のデバイス。
  93. 前記セルと前記第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／または
    前記セルと前記第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体
    をさらに備える、請求項８６に記載のデバイス。
  94. 前記第１のシールと前記第１の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第１の層、
    前記第１のシールと前記セルとの間に配設されている電気絶縁性の第２の層、
    前記第２のシールと前記第２の相互接続プレートとの間に配設されている電気絶縁性の第３の層、および／または
    前記第２のシールと前記セルとの間に配設されている電気絶縁性の第４の層
    をさらに備える、請求項８６に記載のデバイス。
  95. 前記第１のシールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、ならびに／または
    前記第２のシールが第３の層および第４の層を含み、前記第３の層および前記第４の層が異なる材料を含む
    請求項８６に記載のデバイス。
  96. 前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つがグラファイトを含む、請求項８６に記載のデバイス。
  97. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項８６に記載のデバイス。
  98. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項８６に記載のデバイス。
  99. 前記第１のシールまたは前記第２のシールのうちの少なくとも１つが、ガラス、ろう付け用合金、タルク、雲母、バーミキュライト、アスベスト、セラミック材料またはポリマー材料のうちの少なくとも１種を含む、請求項８６に記載のデバイス。
  100. 底部エンドプレート、
    上部エンドプレート、
    前記上部エンドプレートと前記底部エンドプレートとの間に配設されている、
    上部表面および前記上部表面の反対側の底部表面を有するセルであって、燃料および酸素源が関与する酸化反応および還元反応によって電気を生成するための、（ｉ）カソード、（ｉｉ）固体セラミック電解質および（ｉｉｉ）アノードを含む、前記セル、
    前記セルの前記上部表面の上に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第１の相互接続プレートであって、前記第１の相互接続プレートの周縁部が、前記セルに直接的に機械的接触させて配設されている、前記固体の導電性の第１の相互接続プレート、
    前記セルの前記底部表面の下に配設されており、前記セルに電気的に接続されている、固体の導電性の第２の相互接続プレート、および
    前記第２の相互接続プレートと前記セルとの間に、前記第２の相互接続プレートの少なくとも外縁に配設されているシールであって、前記第２の相互接続プレートおよび前記セルが、前記シールにおいて互いに電気絶縁されている、前記シール、ならびに
    前記第１の相互接続プレート、前記第２の相互接続プレート、前記底部エンドプレートまたは前記上部エンドプレートのうちの少なくとも１つ上に配設されているコーティングであって、グラファイト、炭化物セラミック、窒化物セラミック、化成コーティングまたはアルミニウム金属間化合物のうちの少なくとも１種を含む、前記コーティング
    を備える、固体酸化物燃料電池デバイス。
  101. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、端子相互接続プレートである、請求項１００に記載のデバイス。
  102. 前記コーティングがクラッディングである、請求項１００に記載のデバイス。
  103. 前記コーティングが複数の層を含み、前記層のうちの少なくとも第１の層が窒化物セラミックを含み、前記層のうちの少なくとも第２の層が金属を含む、請求項１００に記載のデバイス。
  104. 前記金属がアルミニウムを含む、請求項１０３に記載のデバイス。
  105. 前記セルの周縁部の周囲、かつ前記第１の相互接続プレートと前記シールとの間に配設されているスペーサーをさらに備える、請求項１００に記載のデバイス。
  106. 前記第１の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第１の外部シール、および／または
    前記第２の相互接続プレートの外側周縁部の周囲に配設されてこれを封入する第２の外部シール
    をさらに備える、請求項１００に記載のデバイス。
  107. 前記セルと前記第１の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第１の集電体、および／または
    前記セルと前記第２の相互接続プレートとの間にそれらと接触させて配設されている導電性の多孔質もしくはメッシュ状の第２の集電体
    をさらに備える、請求項１００に記載のデバイス。
  108. 前記シールと前記第２の相互接続プレートとの間に配設されている、電気絶縁性の第１の層、および／または
    前記シールと前記セルとの間に配設されている、電気絶縁性の第２の層
    をさらに備える、請求項１００に記載のデバイス。
  109. 前記シールが第１の層および第２の層を含み、前記第１の層および前記第２の層が異なる材料を含む、請求項１００に記載のデバイス。
  110. 前記シールがグラファイトを含む、請求項１００に記載のデバイス。
  111. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、ステンレス鋼またはニッケル基超合金を含む、請求項１００に記載のデバイス。
  112. 前記第１の相互接続プレートまたは前記第２の相互接続プレートのうちの少なくとも１つが、グラファイト、アルミニウムまたは銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項１００に記載のデバイス。
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