JP5498510B2 - 耐熱衝撃性固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２００８年１２月３１日出願の米国仮特許出願第６１／２０４，０３５号の利益を主張するものである。

上記出願の教示はその全体が参照により本明細書に援用される。

燃料電池は、化学反応により電気を生成する装置である。さまざまな燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池は、電解質として硬質セラミック化合物金属（例えばカルシウムまたはジルコニウム）酸化物を使用する。典型的には、固体酸化物形燃料電池内で、カソードにおいてＯ_２などの酸素ガスが酸素イオン（Ｏ^２−）に還元され、アノードにおいてＨ_２ガスなどの燃料ガスが酸素イオンで酸化されて水を形成する。

近年、燃料電池はスタックとして設計されており、こうして、各々カソード、アノードおよびカソードとアノードの間の固体電解質を含むサブアセンブリは、１つのサブアセンブリのカソードと別のサブアセンブリのアノードの間に電気的インターコネクトを位置設定することにより、直列に組立てられる。

しかしながら、個々の燃料電池のスタックは、その形成または使用中の温度の変動を原因として損傷を受けやすい可能性がある。具体的には、異なる組成を有するセラミクスを含めたさまざまなコンポーネントを形成するために用いられる材料は、全く異なる熱膨張係数、熱伝導率および強度を示す。その結果、燃料電池は温度変化に対して限界的な耐性を有することになる。温度変化によりひき起こされる機械的応力に付随する問題は、個々の燃料電池が積層された場合悪化する。燃料電池特にスタック状に組立てられた燃料電池の限定的な耐熱衝撃性は、生産歩留まりを制限し、動作中の故障の危険性を高める。

したがって、上述の問題を最小限におさえるかまたは除去する必要性が存在する。

本発明は一般に、サブアセンブリの間に組成の全く異なる第１、第２および第３の接着層を含む燃料電池アセンブリに向けられている。

一実施形態において、本発明は燃料電池アセンブリのサブ電池であり得る。このサブ電池は、第１の電極および第２の電極を含むことができる。電解質がこれらの電極を仕切る。第１の接着層は第２の電極にあり、電解質から遠位にあり得る。インターコネクトは第１の接着層にあり得る。第１の接着層とは組成的に全く異なるものであり得る第２の接着層は、インターコネクト層にあり得、こうしてインターコネクト層は第１の接着層と第２の接着層を仕切ることができる。サブ電池は、第１または第２の電極のうちの１つに向けられた燃料の酸化により動作可能であり、こうして少なくとも水を形成する。一部の実施形態において、第２の電極はカソードであり得る。カソードは、ランタン−マンガナイト系材料およびランタン−フェライト系材料からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。カソードにある第１の接着層は、カソードに共通のコンポーネントを含むことができる。インターコネクト層は、カソードおよびカソードにある接着層に共通のコンポーネントを含むことができる。インターコネクト層は、チタン酸ランタン、クロム酸ランタン、チタン酸ストロンチウム、およびランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第１の電極は、ニッケルと；イットリウム、ストロンチウムおよびジルコニウムからなる群から選択された酸化物または酸化物混合物を含む少なくとも１つの成員と、を含むアノードであり得る。アノードは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウムおよびＬＳＴからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むドープされた材料を含むことができる。アノードは、約１５重量％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を伴うジルコニアを有するＹＳＺを含むことができる。電解質は、イットリア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマンガナイト、酸化セリウム、酸化スカンジウムおよびジルコニアからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第１の接着層は、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンセリウムマンガナイト、およびランタンストロンチウムニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第２の接着層は、ニッケル−イットリア安定化ジルコニア、ニッケル−ランタン−ストロンチウム−チタネート、ニッケルフェルトおよびニッケルメッシュからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。特定の実施形態において、第１の電極は、ニッケルと；イットリウム、ストロンチウムおよびジルコニウムからなる群から選択された酸化物または酸化物混合物を含む少なくとも１つの成員と、を含むことができる。電解質は、イットリア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマンガナイト、酸化セリウム、酸化スカンジウムおよびジルコニアからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第２の電極は、ランタン−マンガナイト系材料およびランタン−フェライト系材料からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第１の接着層は、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンセリウムマンガナイトおよびランタンストロンチウムニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。インターコネクトは、チタン酸ランタン、クロム酸ランタン、チタン酸ストロンチウムおよびランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。第２の接着層は、ニッケル−イットリア安定化ジルコニア、ニッケル−ランタン−ストロンチウム−チタネート、ニッケルフェルトおよびニッケルメッシュからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むことができる。一部の実施形態において、第２の電極はアノードであり得る。

さらに別の実施形態において、燃料電池アセンブリは、各々少なくとも１つのサブ電池を含む少なくとも２つのサブアセンブリを含むことができ、ここで各サブ電池は、第１の電極と、第２の電極と、電極間の電解質と、第１および第２の接着層とを含むことができる。第１の接着層は第２の電極にあり得、インターコネクト層が第１および第２の接着層を仕切る。第２の接着層とは微細構造的にまたは組成的に全く異なっている可能性のある第３の接着層を少なくとも２つのサブアセンブリの間に設置することができる。

本発明は同様に、燃料電池を形成する方法において、少なくとも１つのサブ電池からなる少なくとも２つのサブアセンブリを提供するステップであって、各サブ電池が、第１の電極と、第２の電極と、電極間の電解質と、第１および第２の接着層とを含んでなるステップを含む燃料電池の形成方法にも向けられている。第１の接着層は第２の電極にあり、インターコネクト層が第１および第２の接着層を仕切ることができる。この方法はさらに少なくとも２つのサブアセンブリを同時焼成し、１つのサブアセンブリと第２のサブアセンブリの活性アノードとの間に第３の接着層を追加するステップを含む。第３の接着層は第２の接着層とは微細構造的にまたは組成的に全く異なっている可能性がある。

本発明の１つの利点は、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックが、改善された熱衝撃耐性を有することにある。本発明の接着剤層は、そうでなければ剛性であるスタック内にコンプライアンスを提供する。さらに、接着されるサブアセンブリを製造するという概念により、スタックの組立ておよび動作に先立ち欠陥あるサブアセンブリを検査し除去することが可能になり、したがって全体的信頼性および製造歩留りが高くなる。

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて使用可能である。ＳＯＦＣは、低排出低騒音動作で高効率発電を行なう潜在的可能性を提供する。ＳＯＦＣは同様に、電気効率、熱電併給効率および燃料加工の簡易性の有利な組合せを提供するものと考えられている。ＳＯＦＣの用途の一例としては、家庭内およびその他の建物内での使用がある。ＳＯＦＣは、天然ガスなど、家庭の暖房に使用されているものと同じ燃料を使用することができる。ＳＯＦＣシステムは、家庭に供給する電力を生成するために長時間作動することができ、過剰量が生成された場合には、余剰分を売電することができる。同様に、ＳＯＦＣシステム内で生成された熱を、家庭用温水供給に使用することもできる。ＳＯＦＣは、給電設備が信頼性の低いものであるかまたは存在しない地域で特に有用である。

本発明の燃料電池アセンブリの実施形態の概略的断面図である。 本発明の燃料電池アセンブリの実施形態の概略的断面図である。 平面スタック設計を有する本発明の燃料電池の一実施形態の１コンポーネントの概略図である。 管状設計を有する本発明の燃料電池の一実施形態の概略図である。

以上のことは、添付図面に示されている本発明の例示的実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。なお図面中、同じ参照番号は、異なる全ての図を通して同じ部分を意味している。図面は必ずしも原寸に比例したものではなく、本発明の実施形態を示すことが重要視されている。本明細書中で引用される全ての特許、公開出願および参考文献の教示は参照により全体が本明細書に援用されている。

図１Ａ−１Ｄは、本発明の燃料電池１０を示す。燃料電池１０は複数のサブ電池１２を含み、各々のサブ電池１２は第１の電極１４と第２の電極１６を含んでいる。通常、第１の電極１４および第２の電極１６は、多孔質である。燃料電池１０内で、第１の電極１４は、水素（Ｈ_２）ガスまたは第１の電極１４においてその場でＨ_２ガスに転換可能である天然ガスなどの燃料ガス供給源と流体連通状態にある複数の第１の気体流路１８を少なくとも部分的に画定している。第２の電極１６は、空気などの酸素ガス供給源と流体連通状態にある複数の第２の気体流路２０を少なくとも部分的に画定している。第１の気体流路１８と第２の気体流路２０は、図１Ｂ−１Ｄに示されている概略図の中に含み入れることができる。

図１Ａでは、第１の電極１４および第２の電極１６が複数の気体流路１８および２０を画定しているものの、他のタイプの気体流路、例えば各々の電極にあるかまたは電極と流体連通状態にある別個の層としての微細構造流路（例えば溝付き流路）も同様に本発明において使用可能である。例えば図２を参照すると、第１の気体流路１８は少なくとも部分的に第１の電極１４によってそして少なくとも部分的にインターコネクト２４によって画定されており、第２の気体流路２０は少なくとも部分的に第２の電極１６によってそして少なくとも部分的にインターコネクト２４によって画定されている。第１の気体流路１８および第２の気体流路２０は、例えば造形された一過性物体を取込むこと、エンボス加工すること、テープ中に流路を切断しプレフォームを通した押出し加工を用いてまたはロール圧密加工において型押ロールを用いて流路を画定するようにテープをラミネートすることなどの、当該技術分野において公知の任意の適切な技術により、形成可能である。

カソードおよびアノード層の内部に流路または通路を形成するために使用可能である、一過性物体用に考えられる材料は、例えばグラファイトまたは繊維など、さまざま存在する。一般に、材料の選択に関する唯一の制約条件は、焼成プロセス中にその材料が燃焼するかまたは燃料電池から気体放出されること、そして材料がセラミック粒子との反応性をもたないことである。これら２つの条件は、有機系材料により適切に満たされる。したがって、繊維は、天然繊維、綿、靭皮繊維、コード用繊維または動物繊維例えば羊毛であり得、あるいは、人造繊維、再生セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリル、ポリビニル、ポリオレフィン樹脂、炭素またはグラファイト繊維または液晶ポリマーであってもよい。あるいは、繊維は、押出し加工された一定長の結合剤材料例えば合成ゴム、熱可塑性プスチックまたはポリビニルおよび押出し加工された一定長の可塑化剤材料例えばグリコールおよびフタレート基であり得る。別の実施形態において、材料は、パスタ例えばスパゲティであり得る。

当該技術分野において公知の適切な任意のカソード材料、例えばその教示全体が参照により本明細書に援用されている「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ｐｐ．１１９−１４３，Ｓｉｎｇｈａｌら、Ｅｄ．，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３）中のものを、第２の電極１６に使用することができる。一実施形態において、第２の電極１６は、Ｌａ−マンガナイト（例えばＬａ_１−ａＭｎＯ_３、なお式中「ａ」はゼロ以上０．１以下である）またはＬａ−フェライト系材料を含む。典型的には、Ｌａ−マンガナイトまたはＬａ−フェライト系材料は、１つ以上の適切なドーパント例えばＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅでドープされる。ドープされたＬａ−マンガナイト系材料の例としては、ＬａＳｒ−マンガナイト（ＬＳＭ）（例えばＬａ_１−ｋＳｒ_ｋＭｎＯ_３、なお式中ｋは０．１以上０．３以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎは、約１．０〜約０．９５（モル比）の範囲内にある）およびＬａＣａ−マンガナイト（例えばＬａ_１−ｋＣａ_ｋＭｎＯ_３、なお式中ｋは０．１以上０．３以下であり、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎは約１．０〜約０．９５（モル比）の範囲内にある）が含まれる。ドープされたＬａ−フェライト系材料の例としては、ＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）（例えばＬａ_１−ｑＳｒ_ｑＣｏ_１−ｊＦｅ_ｊＯ_３、なお式中ｑおよびｊの各々は独立して０．１以上０．４以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）は約１．０〜約０．９５（モル比）の範囲内にある）が含まれる。１つの具体的実施形態において、第２の電極１６は、ＬａＳｒ−マンガナイト（ＬＳＭ）（例えばＬａ_１−ｋＳｒ_ｋＭｎＯ_３）およびＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）のうちの少なくとも１つを含む。一般的な例としては、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｏＯ_３±δ（δはゼロ以上０．３以下である）およびＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３が含まれる。

当該技術分野において公知の適切なあらゆるアノード材料、例えばその教示全体が参照により本明細書に援用されている「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ｐｐ．１４９−１６９，Ｓｉｎｇｈａｌら、Ｅｄ．，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３）中のものを、第１の電極１４に使用することができる。一実施形態において、第１の電極１４はニッケル（Ｎｉ）サーメットを含む。本明細書中で使用される「Ｎｉサーメット」という語句は、Ｎｉ例えば約２０ｗｔ％〜７０ｗｔ％のＮｉを含むセラミック金属複合材を意味する。Ｎｉサーメットの例としては、Ｎｉ、ランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）およびイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む材料、例えば約１５ｗｔ％のＹ_２Ｏ_３を含むＺｒＯ_２およびＮｉおよびＹ−ジルコニアまたはＳｃ−ジルコニアを含む材料がある。アノード材料の追加の例としてはＣｕ−酸化セリウムまたはＣｏ−ＹＳＺがある。Ｎｉサーメットの具体的例には、約６７ｗｔ％のＮｉおよび３３ｗｔ％のＹＳＺと３３ｗｔ％のＮｉおよび６７ｗｔ％のＹＳＺの間の組成物が含まれる。

典型的には、第１のおよび第２の電極１４および１６の各々の厚みは、独立して、約０．３ｍｍ〜約２ｍｍの範囲内にある。具体的には、第１のおよび第２の電極１４および１６の各々の厚みは、独立して約０．５ｍｍ〜約１．５ｍｍの範囲内にある。

固体電解質２２は、第１の電極１４と第２の電極１６の間にある。当該技術分野において公知の任意の適切な固体電解質、例えばその教示全体が参照により本明細書に援用されている「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ｐｐ．８３−１１２，Ｓｉｎｇｈａｌら、Ｅｄ．，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３）中に記載されているものなどを、本発明において使用することができる。例としては、ＹＳＺ、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ＺｒＯ_２系材料、例えばＳｃ_２Ｏ_３ドープドＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３ドープドＺｒＯ_２およびＹｂ_２Ｏ_３ドープドＺｒＯ_２；ＣｅＯ_２系材料、例えばＳｍ_２Ｏ_３ドープドＣｅＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３ドープドＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３ドープドＣｅＯ_２およびＣａＯドープドＣｅＯ_２；Ｌｎ−ガレート系材料（Ｌｎ＝ランタニド、例えばＬａ、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍ）、例えばＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはその混合物でドープされたＬａＧａＯ_３（例えばＬａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５Ｏ_３、Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、ＬａＳｒＧａＯ_４、ＬａＳｒＧａ_３Ｏ_７またはＬａ_０．９Ａ_０．１ＧａＯ_３、なお式中Ａ＝Ｓｒ、ＣａまたはＢａ）；およびそれらの混合物が含まれる。その他の例には、ドープドイットリウム−ジルコネート（例えばＹ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）、ドープドガドリニウム−チタネート（例えばＧｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７）およびブラウンミラライト（例えばＢａ_２Ｉｎ_２Ｏ_６またはＢａ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）が含まれる。具体的な実施形態においては、電解質２２は８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３でドープされたＺｒＯ_２（すなわち８ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３ドープドＺｒＯ_２）を含む。

典型的には、固体電解質２２の厚みは約５μｍ〜約２０μｍの範囲内、好ましくは約５μｍ〜約１０μｍの範囲内にある。あるいは、固体電解質２２の厚みは、約１００μｍより大きい（例えば約１００μｍ〜約５００μｍｍの間）。約１００μｍより大きい厚みを有する固体電解質２２を用いるこの実施形態において、固体電解質２２は、燃料電池１０に対する構造的支持を提供することができる。

燃料電池１０はさらに電池１２の間にインターコネクト２４を含む。インターコネクト層として使用するのに適したものとして公知のあらゆる材料を利用することができる。一例において、適切なインターコネクト層はクロムで形成されたものであり、さらに希土類元素、例えばドープされた希土類クロマイトを含んでいてよい。一実施形態において、インターコネクト層２４は、ランタン、ストロンチウム、カルシウム、コバルト、ガリウム、イットリア、チタネートおよびマグネシウムの少なくとも１つを含む。その他の詳細な実施形態において、インターコネクト層はセラミクス、例えばＬａＳｒＣｒＯ_３、ＬａＭｇＣｒＯ_３、ＬａＣａＣｒＯ_３、ＹＣｒＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＣｏＯ_３、ＣａＣｒＯ_３、ＣａＣｏＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＣａＮｉＯ_３およびＣａＣｒＯ_３を含むことができる。別の実施形態において、インターコネクト２４は、その教示全体が参照により本明細書に援用されている、２００７年１２月２７日に出願された「Ｂｉｌａｙｅｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ Ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という題の米国特許出願第１２／００５，６５６号明細書に記載されている２つの層を含むことができる。合わせて直列接続されたサブ電池１２がサブアセンブリ２６を作り上げている。非機能的または末端アノード２８を、サブアセンブリ２６の片端部でインターコネクト２４に位置設定することができる。任意の末端アノード２８は動作中のアノードではなく、サブ電池の機能性アノードに適した任意の材料で形成され得る。

複数のサブアセンブリおよびそれぞれのインターコネクトは直列に接続される。図１Ａに示されているように、サブアセンブリは、サブアセンブリ３０の片端部にあるアノード１４およびサブアセンブリ２６の片端部にある末端アノード２８において、それぞれインターコネクト２４の上下で層状化されている第１の接着層３１および第２の接着層３２により接続されている。サブアセンブリ２６とは異なるものであり得るサブアセンブリ３０は、第３の接着層３４によりサブアセンブリ２６に接続される。第１の接着層３１および第２の接着層３２の組成は、任意の所与の実施形態において互いに全く異なるものである。第１の接着層は、製造中および動作中、インターコネクトおよびカソードの材料と化学的に相容性あるものでありながら、空気中で安定しておりかつ伝導性が高い。適切な第１の接着層の例としては、カソード材料またはカソードとインターコネクトの組合せまたはカソードと電解質材料の組合せが含まれる。典型的な例としては、単独かまたはＹＳＺまたはランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）と組合せた形でのランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）またはランタンニッケルフェライトがある。第２の接着層は伝導性でなくてはならないが、同様に、アノードおよびインターコネクト層と化学的に相容性を有しながら、還元性雰囲気中で安定していなくてはならない。第２の接着層の例としては、広い燃料組成にわたって再酸化に対し安定であるＮｉ、ＣｕまたはＣｏなどの金属、および熱膨張を低減する一助となると同時に、インターコネクトおよびアノード層に対する接着の一助ともなるセラミック相を伴うサーメットがある。適切な第２の接着層の例としては、ニッケル−ＹＳＺ、ニッケル−ＬＳＴおよびそれらの組合せが含まれる。

本発明の燃料電池１０は、適切な任意の数の複数のサブ電池１２を各々のサブアセンブリ内に含むことができる。一実施形態において、サブ電池のスタックレット（ｓｔａｃｋｌｅｔ）は、約６個〜約１０個のサブ電池を含み、燃料電池１０の各サブアセンブリは、整合性接着層により各々分離された約４個〜約６個のスタックレットを含む。燃料電池１０のスタックは、直列かまたは並列に接続可能である。

一実施形態において、サブアセンブリ２６は６個〜約１０個のサブ電池１２を含み、サブアセンブリは、図１Ｂに示されているように、第３の接着層３４を用いて燃料電池スタック１０の形に直列に接続されている。第３の接着層３４の組成は好ましくは、第２の接着層３２のものと全く異なるものである。あるいは、第３の接着層３４は、例えば、サブアセンブリを製造するのに使用される同時焼成温度よりも約５０℃〜約１５０℃低い範囲内の温度で２つのサブアセンブリの間に接着を形成できる細かい粒子サイズを有するＮｉ−ＹＳＺ複合体などのサーメット材料など、第２の接着層３２とは微細構造的に全く異なるものであり得る。

別の実施形態において、サブアセンブリ２６は、約６個〜約１０個のサブ電池１２を含み、サブアセンブリは、図１Ｃに示されているように、第３の整合性接着層３４を用いて燃料電池スタック１０の形に直列に接続されている。本明細書中で使用される「整合性接着層」という用語は、１つのサブアセンブリの機能的または非機能的な１つの電極またはインターコネクトと隣接するサブアセンブリのサブ電池の一端部にある活性電極との接着をなおも維持しながら、それが一部を成しているＳＯＦＣアセンブリの製造および使用中に隣接する層の寸法変化に適合できるまたは整合する接着層を意味する。適切な整合性接着層の例としては、好ましくは優れた電気伝導性を得るために金属ペーストでコーティングされた金属メッシュ、金属フェルトまたはその組合せがある。さらに、少量のセラミック相（約２５ｖｏｌ％未満）を加えて、追加の寸法的安定性を提供することができる。金属相の典型的組成には、ＹＳＺ繊維またはアルミナ繊維などのセラミック相を伴うＮｉフェルト、Ｎｉワイヤ、Ｎｉメッシュ、Ｎｉフレークが含まれる。整合性接着層により組立てられたスタックは、サブ電池またはサブアセンブリと整合性接着層との間に優れた電気的接触を確保するため、わずかに圧縮された状態で設置することが必要となる確率が高いと考えられる。

本発明の燃料電池は、図２に示されている平面積層燃料電池であり得る。あるいは、図３に示されているように、本発明の燃料電池は管状燃料電池であり得る。図２および３に示されている燃料電池は、独立して、図１に示されているように燃料電池１０について記述された特定の変数を含めた特徴を有する（明確さを期して、燃料電池コンポーネントの詳細は、図２および図３に描かれていない）。典型的には、図２に示されている平面設計において、コンポーネントは平担なスタックの形で組立てられており、インターコネクト内に構築された流路を通って空気および燃料が流れている。典型的には、図３で示されている管状設計において、コンポーネントは、電池が管状カソードの周囲に層状に構成されている状態で中空管の形で組立てられ、空気は内部部分を通って、燃料は各サブ電池の外部部分の周囲をそれぞれ流れる。

本発明は同様に、上述の燃料電池形成方法も含んでいる。この方法は、上述の複数のサブ電池１２を形成するステップおよびインターコネクト２４と各サブ電池１２を接続するステップを含む。サブ電池１２およびインターコネクト２４の製造には、例えばその教示全体が参照により本明細書に援用されている「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」ｐｐ．８３−２２５、Ｓｉｎｇｈａｌ， ｅｔ ａｌ．Ｅｄ．，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３）中に記載の、当該技術分野において公知の適切な任意の技術を利用することができる。例えば、本発明の平面積層燃料電池は、特定のプロセスまたは被着プロセスによって製造可能である。本発明の管状燃料電池は、カルシア安定化ジルコニアなどの多孔質円筒管上に薄層の形で電池コンポーネントを有することによって製造可能である。

典型的には、テープキャスティングまたはテープカレンダー加工などの適切な特定のプロセスには、セラミック粉末などの粉末を燃料電池コンポーネント（例えば電極、電解質およびインターコネクト）の形に圧密することおよび高温で高密度化することが関与している。例えば、本発明の電解質、電極またはインターコネクトのための適切な粉末材料は、成分酸化物の固体状態反応によって作られる。適切な高表面積の粉末を、ゲル生成物として硝酸エステルおよびその他の溶液から沈殿させることができ、それらは乾燥され、か焼され、粉砕されて結晶質粒子を提供する。被着プロセスには、適切な化学的または物理的プロセスにより、支持体上に電池コンポーネントを形成させることが関与し得る。被着プロセスの例としては、化学蒸着、プラズマ溶射および噴霧熱分解が含まれる。

サブ電池を組合せてサブアセンブリを形成することができ、１つのサブアセンブリの活性アノードと第２のサブアセンブリの末端アノードの間にＮｉＯ−ＹＳＺなどの接着層を適用し、サブアセンブリの同時焼成温度よりも約５０℃〜約１５０℃低い範囲内の温度まで同時焼成することなどの適切な技術によりサブアセンブリを組合せて燃料電池スタックを形成することができる。典型的な接着焼成温度は、空気雰囲気中で約１時間〜約３時間の時限、約１１５０℃〜約１２５０℃の範囲内にある。特別ないかなる理論にも制限されることを望まないものの、サブ電池をサブアセンブリに組合せ、その後サブアセンブリを組合せてスタックを形成することにより、燃料電池のコンポーネント部品の膨張係数の不良に起因する熱応力を低減したことの帰結として、生産歩留まりは増大し、燃料電池の使用中の故障の確率は減少すると考えられている。

本発明の方法の別の実施形態において、少なくとも２つのサブアセンブリは独立して形成され、ここで、各々のサブアセンブリは、第１の電極、第２の電極、第１および第２の電極の間に位置設定された固体電解質および、一方の電極にあるインターコネクトを含んでいる。各々のサブアセンブリはさらに末端電極、例えば末端アノードを、サブアセンブリの片端部においてインターコネクト全体にわたって含んでいる。次に、末端電極においてサブアセンブリ全体にわたり、整合性接着層が配置される。次に、この整合性接着層が適用されたサブアセンブリは、別のサブアセンブリのサブ電池の活性アノードと接合される。記述されている整合性接着層により合わせて接着された２つ以上のサブアセンブリは、その後圧縮されて燃料電池スタックを形成する。図１Ｃに示されているこの実施形態において、接合されたサブアセンブリは、カソード側には空気が流入している状態で、アノードを水素および窒素からなる群から選択された気体構成成分に曝露する、２重雰囲気などの適切な雰囲気内で、約２時間〜約４時間の範囲内の時限、約７００℃〜約１０００℃の範囲内の温度まで加熱される。

本発明中で用いられるサブ電池は、燃料電池スタック全体よりも少ない数の群として形成され得る。例えば、約６個〜約１０個のサブ電池の群を同時焼成により合わせて形成させて１つのサブアセンブリを形成することができる。次に、接着層を使用してサブアセンブリを直列に組合わせることができる。同様に、配置を逆転させることができ、こうして各サブアセンブリは各サブ電池の活性アノードおよび各サブアセンブリの端部において１つのインターコネクトを有することができ、かつ末端カソードと呼ばれる非機能的カソードを、図１Ｄに示されているように、各サブアセンブリの端部でインターコネクトの後に設置することができるということも理解されなくてはならない。図１Ｄに示されている実施形態において、サブアセンブリは、１つのサブアセンブリの末端カソード３５と第２のサブアセンブリの活性カソード１６の間に第３の接着層３４を用いて、燃料電池スタック１０の形に直列に接続される。第３の接着層３４の組成は、好ましくは、第１の接着層３１ともカソード層１６の組成とも全く異なっている。例えば、第３の接着層３４は、１０００℃という低い温度で焼結可能な（Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１）ＭｎＯ_３などの組成をもつランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などの伝導性灰チタン石で形成され得る。あるいは、第３の接着層３４は、第１の接着層３１ともカソード層１６とも微細構造的に全く異なるものであり得る。例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などの伝導性灰チタン石は、サブアセンブリを製造するために使用される同時焼成温度よりも約５０℃〜約１５０℃低い範囲内にある温度で２つのサブアセンブリ間に接着を形成することのできる細かい粒子サイズを有する。あるいは、第３の接着層３４は同様に、高伝導性酸化物系のもの、例えばスピネル、例えばマンガンコバルトオキサイド、またはマンガン鉄オキサイドまたは伝導性チタネートパイロクロア例えばＬａ_２Ｔｉ_２Ｏ_２であり得る。任意の末端カソード３５は、動作するカソードではなく、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などのサブ電池の機能性カソードに適したあらゆる材料で形成され得る。

等価物
本発明について、その例示された実施形態を参考にして詳細に図示し記述してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲により包含されている本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細にさまざまな変更を加えてよいということがわかるであろう。

Claims (7)

1. 燃料電池アセンブリにおいて、
   ａ）各々少なくとも１つのサブ電池を含む少なくとも２つのサブアセンブリであって、各サブ電池が、
   ｉ）第１の電極と；
   ｉｉ）第２の電極と；
   ｉｉｉ）前記電極間の電解質と；
   ｉｖ）第１の接着層が前記第２の電極にある、第１および第２の接着層と；
   ｖ）前記第１および第２の接着層を仕切るインターコネクト層と、
   を含んでいるサブアセンブリと；
   ｂ）前記第２の接着層とは微細構造的にまたは組成的に全く異なっている前記少なくとも２つのサブアセンブリの間に設置された第３の接着層と、
   を含む燃料電池アセンブリであり、
   前記第２の電極がカソードであり、
   前記カソードが、ランタン−マンガナイト系材料およびランタン−フェライト系材料からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第２の接着層が、ニッケルイットリア安定化ジルコニア、ニッケル−ランタン−ストロンチウム−チタネート、ニッケルフェルトおよびニッケルメッシュからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は多孔質であり、
   前記第１の電極は燃料ガス供給源と流体連通状態にある複数の第１の気体流路（溝付き流路を除く）を少なくとも部分的に確定し、前記第２の電極は酸素ガス供給源と流体連通状態にある複数の第２の気体流路（溝付き流路を除く）を少なくとも部分的に確定している燃料電池アセンブリであり、
   前記インターコネクト層が、チタン酸ランタン、クロム酸ランタン、チタン酸ストロンチウム、およびランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の電極は、ニッケルと；イットリウム、ストロンチウムおよびジルコニウムからなる群から選択された酸化物または酸化物混合物を含む少なくとも１つの成員と、を含むアノードであり、
   前記電解質が、イットリア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマンガナイト、酸化セリウム、酸化スカンジウムおよびジルコニアからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の接着層が、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンセリウムマンガナイトおよびランタンストロンチウムニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含む、燃料電池アセンブリ。
2. 前記カソードにある前記第１の接着層が、前記カソードに共通のコンポーネントを含む、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
3. 前記インターコネクト層が、前記カソードおよび前記カソードにある前記接着層に共通のコンポーネントを含む、請求項２に記載の燃料電池アセンブリ。
4. 前記アノードが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウムおよびＬＳＴからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含むドープされた材料を含む、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。
5. 前記アノードが、約１５重量％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を伴うジルコニアを有するＹＳＺを含む、請求項４に記載の燃料電池アセンブリ。
6. 燃料電池を形成する方法において、
   （ａ）少なくとも１つのサブ電池からなる少なくとも２つのサブアセンブリを提供するステップであって、各サブ電池が、第１の電極と、第２の電極と、前記電極間の電解質と、第１および第２の接着層（なお前記第１の接着層は前記第２の電極にある）と、前記第１および第２の接着層を仕切るインターコネクト層とを含んでいる、ステップと；
   （ｂ）前記少なくとも２つのサブアセンブリを同時焼成し、前記１つのサブアセンブリと前記第２のサブアセンブリの活性アノードとの間に第３の接着層を追加するステップであって、前記第３の接着層が前記第２の接着層とは微細構造的にまたは組成的に全く異なっている、ステップと、
   を含む方法であり、
   前記第２の電極がカソードであり、
   前記カソードが、ランタン−マンガナイト系材料およびランタン−フェライト系材料からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第２の接着層が、ニッケルイットリア安定化ジルコニア、ニッケル−ランタン−ストロンチウム−チタネート、ニッケルフェルトおよびニッケルメッシュからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は多孔質であり、
   前記第１の電極は燃料ガス供給源と流体連通状態にある複数の第１の気体流路（溝付き流路を除く）を少なくとも部分的に確定し、前記第２の電極は酸素ガス供給源と流体連通状態にある複数の第２の気体流路（溝付き流路を除く）を少なくとも部分的に確定している方法であり、
   前記インターコネクト層が、チタン酸ランタン、クロム酸ランタン、チタン酸ストロンチウム、およびランタンストロンチウムチタネート（ＬＳＴ）からなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の電極は、ニッケルと；イットリウム、ストロンチウムおよびジルコニウムからなる群から選択された酸化物または酸化物混合物を含む少なくとも１つの成員と、を含むアノードであり、
   前記電解質が、イットリア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマンガナイト、酸化セリウム、酸化スカンジウムおよびジルコニアからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含み、
   前記第１の接着層が、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンセリウムマンガナイトおよびランタンストロンチウムニッケルからなる群から選択された少なくとも１つの成員を含む方法。
7. 前記第３層の接着層が、Ｎｉ−ＹＳＺ、伝導性灰チタン石、伝導性チタネートパイロクロア、又は、それらの組み合わせを含む請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。