JP6041362B2 - 固体酸化物燃料電池を形成する方法 - Google Patents

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Description

以下は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及びＳＯＦＣを形成する方法を対象とし、特にＳＯＦＣユニットセルを形成する単一の自由焼結プロセスを対象とする。
燃料電池は、化学反応によって電気を発生させるデバイスである。種々の燃料電池のうち、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、硬質のセラミック化合物金属（例えばカルシウム又はジルコニウム）酸化物を電解質として使用する。通常、固体酸化物燃料電池において、酸素ガス、例えばＯ２は、カソードにおいて酸素イオン（Ｏ２−）に還元され、燃料ガス、例えばＨ２ガスは、アノードにおいて酸素イオンで酸化されて、水を形成する。
場合によっては、燃料電池アセンブリはスタックとして設計されており、これは、カソード、アノード、及びこのカソードとアノードとの間の固体電解質を含む。各スタックはサブアセンブリと考えられることができ、これは他のスタックと組み合わせて、完全なＳＯＦＣ物品を形成できる。ＳＯＦＣ物品を組み立てる際、電気的な相互接続が、一方のスタックのカソードと、別のスタックのアノードとの間に配設され得る。
しかし、個々の燃料電池のスタックは、それらの形成又は使用中の温度変動によって生じる損傷を受け易いことがある。特に、種々の構成要素を形成するために使用される材料（異なる組成のセラミックを含む）は、明らかに異なる本質的な化学的及び電気的特性を示し、それがＳＯＦＣ物品の故障及び欠陥を生じ得る。特に、燃料電池は、温度変化に対する耐性が限られている。温度変化によって生じる機械的ストレスに関連する問題は、個々の燃料電池が積み重ねられる場合に悪化する。燃料電池、特にスタックに組み立てられた燃料電池の限られた熱衝撃抵抗性は、製造収率を制限し、作動中は欠陥のリスクが増す。
更に、ＳＯＦＣ物品の製作には独自の懸念がある。組成が異なる層の層化及び焼結に関連する懸念は、ＳＯＦＣ製造の最も厄介な問題の１つである。現在の手法は、複数工程の焼成プロセス又は一工程のホットプレス加工、及び金属の相互接続材料の使用に集中している。この産業では、改善されたＳＯＦＣ物品及び形成方法が求め続けられている。
１つの態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成するための方法は、ＳＯＦＣユニットセルを単一の自由焼結プロセスにおいて形成する工程を含み、このＳＯＦＣユニットセルは、電解質層、相互接続層、及びこの電解質層と相互接続層との間に配設される第１の電極層で構成され、ここでこの電解質層は形成後に圧縮状態である。
別の態様において、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成するための方法は、グリーン電解質層、グリーン相互接続層、及びこの電解質層と相互接続層との間に配設される第１のグリーン電極層を有するグリーンＳＯＦＣユニットセルを形成する工程を含む。この方法は更に、単一焼結プロセスにおいてグリーンＳＯＦＣユニットセルを焼結して、焼結されたＳＯＦＣユニットセルを形成する工程を含み、ここで拡散結合が、相互接続層の構成要素と第１の電極層の構成要素との間に形成される。
更に別の態様において、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成するための方法は、電解質層、相互接続層、及びこの電解質層と相互接続層との間に配設され、それらと直接接触したアノード層を有するグリーンＳＯＦＣユニットセルを、このアノード層と相互接続層との間及びこの電解質層とアノード層との間に介在緩衝剤層なしで形成する工程を含む。この方法は更に、単一の自由焼結プロセスにおいてグリーンＳＯＦＣユニットセルを焼結する工程を含む。
別の態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成するための方法は、電解質焼結温度を有する電解質層を形成し、相互接続焼結温度を有する相互接続層を形成し、電解質層と相互接続層との間に配設される第１の電極層を形成することによってＳＯＦＣユニットセルを形成する工程を含み、この第１の電極が第１の電極焼結温度を有する。単一焼結プロセスにおいてＳＯＦＣユニットセルを製造する間、焼結は、第１の電極焼結温度未満で、電解質焼結温度を超え、相互接続焼結温度を超える焼結温度にて行われる。
別の態様によれば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成するための方法は、単一の自由焼結プロセスにおいてＳＯＦＣユニットセルを形成する工程を含み、このＳＯＦＣユニットセルが、第１のカソード層、第１のカソード層を覆う電解質層、電解質層を覆うアノード層、アノード層を覆う相互接続層、及び相互接続層を覆う第２のカソード層を有する。
本開示は、良好に理解されることができ、添付の図面を参照することによって当業者に、明らかなその多数の特徴及び利点を明らかにする。
実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示である。 実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示である。 実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示である。 実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示である。 実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示である。 実施形態に従って形成されるユニットセルの一部の断面ＳＥＭ画像を含む。 実施形態に従って形成されたユニットセルの一部の断面ＳＥＭ画像を含む。 実施形態に従って形成されたユニットセルの一部の断面ＳＥＭ画像を含む。 実施形態に従って形成されたユニットセルの一部の断面ＳＥＭ画像を含む。
異なる図面において同じ参照記号の使用は、同様の又は同一のアイテムを示す。
以下に、ＳＯＦＣユニットセルを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品及びＳＯＦＣユニットセルを形成する方法が記載される。図１は、実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示を含む。ＳＯＦＣユニットセル１００は、電解質層１０１、相互接続層１０７、及び電解質層１０１と相互接続層１０７との間に配設された電極層１０３を含み得る。特に、電解質層１０１は、電極層１０３に直接接触でき、相互接続層１０７は、電極層１０３と直接接触できる。
図１に例示されるようにユニットセル１００の構成要素の層を組み立てる前に、各層を、個々に形成できる。すなわち、これらの層は、グリーン層として別個に形成でき、ユニットセル１００に共に組み立てられることができる。あるいは、層は、互いに連続してグリーン状態で形成されてもよく、こうして第１のグリーン電解質層１０１が形成され、その後グリーン電極層１０３は、グリーン電解質層１０１を覆って形成されることができ、その後グリーン相互接続層１０７は、グリーン電極層１０３を覆って形成できる。
本明細書において、「グリーン」物品についての言及は、緻密化又はグレインの成長に影響を与える焼結が行われない材料を参照する。グリーン物品は、乾燥され、低含水量を有していてもよいが、不焼成の未仕上げの物品である。グリーン物品は、それ自体及びその上に形成された他のグリーン層を支持するのに好適な強度を有することができる。
本明細書の実施形態に従って記載される層は、注型成形、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス加工、ゲル注型成形、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密、射出成形及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない技術を通して形成できる。１つの特定の場合において、それぞれの層はスクリーン印刷を介して形成できる。別の実施形態において、それぞれの層は、テープキャスティングプロセスを介して形成できる。
電解質層１０１は、無機材料、例えばセラミック材料を含むことができる。例えば、電解質層１０１は酸化物材料を含むことができる。一部の好適な酸化物は、ジルコニア（Ｚｒ０２）、より詳細には安定剤又はドーパントのような他の元素を組み込むことができるジルコニア系材料を含むことができ、これはイットリア（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、セリウム（Ｃｅ）、スカンジウム（Ｓｃ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ランタン（Ｌａ）、プラセドミウム（Ｐｒ）、ネオジミウム（Ｎｄ）、及びこれらの組み合わせのような元素を含むことができる。好適な電解質材料の特定の例としては、Ｓｃ２Ｃ３ドープされたＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープされたＺｒＯ２、Ｙｂ２Ｏ３ドープされたＺｒＯ２、Ｓｃ２Ｏ３ドープされた及びＣｅＯ２ドープされたＺｒＯ２、及びこれらの組み合わせを挙げることができる。電解質層はまた、セリア（ＣｅＯ２）、及びより詳細にはセリア系材料、例えばＳｍ２Ｏ３ドープされたＣｅＯ２、Ｇｄ２Ｏ３ドープされたＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３ドープされたＣｅＯ２、及びＣａＯドープされたＣｅＯ２を挙げることができる。電解質材料としてはまた、ランダニド系材料、例えばＬａＧａＯ３を挙げることができる。ランダニド系材料は、特定の元素（Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない）でドープできる。特に、電解質材料としては、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）材料を挙げることができる。一部の代表的な電解質材料としては、La０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．１５Ｃｏ０．５Ｏ３、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ３、ＬａＳｒＧａＯ４、ＬａＳｒＧａ３Ｏ７、又はＬａ０．９Ａ０．１ＧａＯ３が挙げられ、ここでＡは、Ｓｒ、Ｃａ、又はＢａの群からの元素の１つを表す。１つの特定実施形態によれば、電解質層１０１は、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３でドープされたＺｒＯ２（すなわち８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３ドープされたＺｒＯ２）で構成できる。８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３は、特定のドーパント、例えばＡｌ及び／又はＭｎを有することができ、熱反応特徴を促進し、電解質材料の加工処理特徴を改善する。他の代表的な電解質材料としては、ドープされたイットリウム−ジルコネート（例えば、Ｙ２Ｚｒ２Ｏ７）、ドープされたガドリニウム−チタネート（例えばＧｄ２Ｔｉ２Ｏ７）及びブラウンミラライト（ｂｒｏｗｎｍｉｌｌｅｒｉｔｅｓ）（例えばＢａ２Ｉｎ２Ｏ６又はＢａ２Ｉｎ２Ｏ５）を挙げることができる。
電解質層１０１は、材料の特定の薄い平面層であることができる。例えば、電解質層１０１は、約１ｍｍ以下、例えば約５００μｍ以下、例えば約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約８０μｍ以下、約５０μｍ以下又は更には約２５μｍ以下の平均厚さを有することができる。それでもなお、電解質層１０１は、少なくとも約１μｍ、例えば少なくとも約２μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約８μｍ、又は少なくとも約１０μｍの平均厚さを有することができる。電解質層１０１の平均厚さは、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内にある平均厚さを有することができることが理解される。
電解質層１０１は、注型成形、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス加工、ゲル注型成形、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密、射出成形、及びこれらの組み合わせを介して形成できる。電解質層１０１は、個々に、又は他の層の形成に続いて形成できる。例えば、電解質層１０１は、他の予め形成された層（例えば電極層１０３）の１つの上に形成できる。特に、特定の実施形態において、電解質層１０１の形成は、グリーンユニットセル１００を形成する前に必ずしも焼結されない材料のグリーン層の形成を含み、これは次いで単一の自由焼結プロセスにおいて焼結される。
電解質層１０１は、本明細書の実施形態に従うユニットセルの形成を促進する特定の粒径を有する粉末電解質材料から形成できる。例えば、粉末電解質材料は、約１００μｍ未満、例えば約５０μｍ未満、約２０μｍ未満、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は更には約１μｍ未満の平均粒径を有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末電解質材料の平均粒径は、少なくとも約０．０１μｍ、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．０８μｍ、少なくとも約０．１μｍ、又は更には少なくとも約０．２μｍであることができる。粉末電解質材料は、上記で記述された最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒径を有することができることが理解される。
相互接続層１０７は、無機材料を含むセラミック材料を含むことができる。特に、相互接続層は、酸化物材料を含むことができ、より詳細には亜クロム酸塩又は酸化ニッケル材料であることができる。より詳細には、相互接続層１０７は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオビウム（Ｎｂ）、カルシウム（Ｃａ）、ガリウム（Ｇａ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリア（Ｙ）、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される元素を含むことができる。特定の場合において、相互接続層１０７は、酸化クロム系材料、酸化ニッケル系材料、酸化コバルト系材料、及び酸化チタン系材料（例えばランタニウムストロンチウムチタネート）を含むことができる。特に、相互接続層１０７は、材料、例えばＬａＳｒＣｒＯ３、ＬａＭｎＣｒＯ３、ＬａＣａＣｒＯ３、ＹＣｒＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＬａＣｏＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＬａＣｒＯ３、ＣａＮｉＯ３、ＣａＣｒＯ３、及びこれらの組み合わせで構成できる。特に、相互接続層１０７は、ＬＳＴ（又はＹＳＴ）を含むことができ、本質的に、ＮｂドープされたＬＳＴ、例えば１つ以上のドーパントを有するＬａ０．２Ｓｒ０．８ＴｉＯ３からなってもよい。相互接続材料はＡサイト欠陥材料を含んでいてもよいことが理解され、ここで例えば、ランタン又はストロンチウムカチオンによって通常占有される格子サイトは空であり、故にこの材料は、非化学量論的組成を有する。
相互接続層１０７は、特に材料の薄い平面層であることができる。例えば、相互接続層１０７は、約１ｍｍ以下、例えば約５００μｍ以下、例えば約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約８０μｍ以下、約５０μｍ以下、又は更には約２５μｍ以下の平均厚さを有することができる。それでもなお、相互接続層１０７は、少なくとも約１μｍ、例えば少なくとも約２μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約８μｍ、又は少なくとも約１０μｍの平均厚さを有することができる。相互接続層１０７の平均厚さは、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内の平均厚さを有することができることが理解される。
相互接続層１０７は、電解質層１０１の形成と同様のプロセスを用いて形成でき、それらとしては、例えば注型成形、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス加工、ゲル注型成形、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密、射出成形及びこれらの組み合わせが挙げられる。相互接続層１０７は、個々に形成されることでき、又は他の層の形成に続いて形成でき、こうして相互接続層１０７は、他の予め形成された層（例えば電極層１０３）の１つの上に形成できる。特に、特定の実施形態において、相互接続層１０７の形成は、材料のグリーン層の形成を含み、これは、グリーンユニットセル１００の形成の前に必ずしも焼結されず、これが次いで単一の自由焼結プロセスにおいて焼結される。
相互接続層１０７は、電解質層１０１のＣＴＥと実質的に同じであってもよい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。特定の場合において、相互接続層１０７のＣＴＥは、電解質層１０１のＣＴＥと本質的に同じであることができる。
相互接続層１０７は、本明細書の実施形態に従うユニットセルの形成を促進する特定の粒径を有する粉末相互接続材料から形成できる。例えば、粉末相互接続材料は、約１００μｍ未満、例えば約５０μｍ未満、約２０μｍ未満、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は更には約１μｍ未満の平均粒径を有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末相互接続材料の平均粒径は、少なくとも約０．０１μｍ、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．０８μｍ、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、又は更には少なくとも約０．４μｍであることができる。粉末相互接続材料は、上記で記述された最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒径を有することができることが理解される。
ＳＯＦＣユニットセル１００は、電解質層１０１と相互接続層１０７との間に配設された電極層１０３を含むことができ、それはまた焼結されていなくてもよい（すなわちグリーン）。特に、電極層１０３は、電解質層１０１と直接接触できる。加えて、電極層１０３は、相互接続層１０７と直接接触できる。事実、特定の場合において、電極層１０３と電解質層１０１との間、又は電極層１０３と相互接続層１０７との間には必ずしも介在緩衝剤層が存在しなくてもよい。
電極層１０３は、相互接続層１０７のＣＴＥとは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。更に、電極層１０３のＣＴＥは、電解質層１０１のＣＴＥとは異なることができる。特定の場合において、電極層１０３のＣＴＥは、電解質層１０１のＣＴＥを超えることができる。特定の他の例において、電極層１０３のＣＴＥは、相互接続層１０７のＣＴＥを超えることができる。
１つの実施形態によれば、電極層１０３はアノードであることができる。特定の場合において、アノードは、サーメット材料、すなわちセラミックと金属性材料との組み合わせであることができる。一部の好適な金属としては、遷移金属種（例えばニッケル又は銅を含む）を含むことができる。アノードは、イオン性伝導体を含むことができ、それらとしては、例えばセラミック材料、特に酸化物材料が挙げられる。例えばアノードは、ニッケル及びジルコニア系材料で形成されてもよく、それらとして例えばイットリア安定化ジルコニアが挙げられる。あるいは、アノードはセリア系材料を含むことができ、それらとしては例えば酸化ガドリニウム安定化セリアが挙げられる。ニッケルは、アノードグリーン材料に含まれる酸化ニッケルの還元を通して製造できる。あるいは、特定の他のタイプの酸化物材料が電極層１０３に使用されてもよく、特にアノード、例えばチタナイト、マンガナイト、クロマイト、これらの組み合わせなどが使用されてもよいことが理解される。こうした酸化物はまたペロブスカイト材料であってもよいことが理解される。
電極層１０３は、薄く、実質的に平面の材料層であることができる。電極層１０３は、電解質層１０１又は相互接続層１０７の平均厚さを超える平均厚さを有することができる。例えば、電極層１０３は、少なくとも約１００μｍの平均厚さを有することができ、こうして少なくとも約３００μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約７００μｍ又は更には少なくとも約１ｍｍの平均厚さを有することができる。それでもなお、電極層１０３は、約５ｍｍ以下、例えば約２ｍｍ以下、約１．５ｍｍ以下、又は更には約１ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。電極層１０３の平均厚さは、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内の平均厚さを有することができることが理解される。
電極層１０３は、本明細書の実施形態に従うユニットセルの形成を促進する特定の粒径を有する粉末電極材料から形成できる。例えば、粉末電極材料は、約１００μｍ未満、例えば約５０μｍ未満、約２０μｍ未満、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は更には約１μｍ未満の平均粒径を有することができる。それでもなお、特定の場合において、粉末電極材料の平均粒径は、少なくとも約０．０１μｍ、少なくとも約０．０５μｍ、少なくとも約０．０８μｍ、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．２μｍ、又は更に少なくとも約０．４μｍであることができる。粉末電極材料は、上記で記述された最小値及び最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒径を有することができることが理解される。
電極層１０３は、多孔質層であることができる。多孔性は、チャンネルの形態であってもよく、これはＳＯＦＣ物品に燃料を送達するために利用できる。チャンネルは、電極層１０３の体積全体を通して規則的な繰り返しパターンのような特定の様式で配列されてもよい。いずれかの好適な技術は、多孔性及び／又はチャンネルを形成するために使用されてもよく、それらとして例えば成形された消散性物（ｆｕｇｉｔｉｖｅｓ）を組み込み、エンボス加工し、チャンネルをテープに切断し、次いでテープを積層してチャンネルを規定し、プレフォームを通す押出を用い、パターニングされたロールを用いてロール圧密することを含む。
消散性物のための可能性として種々の材料、例えばカソード層及びアノード層内のチャンネル又は通路を形成するために使用できるグラファイト又は繊維が存在する。消散性物は、ＳＯＦＣ物品を形成するための熱処理の間に揮発する又はガス放出する材料から選択できる。１つの実施形態において、消散性物は有機材料であることができる。消散性物の特定の好適な例としては、天然繊維、綿、靭皮繊維、縄索繊維、又は動物性繊維、例えば羊毛が挙げられる。あるいは、消散性物は、製造された材料、例えば再生セルロース、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、デンプン、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリル系、ポリビニル、ポリオレフィン樹脂、炭素繊維又はグラファイト繊維、又は液晶ポリマーであることができる。消散性物はまた、バインダー材料、例えば合成ゴム、熱可塑性材料、又はポリビニル及び可塑剤材料、例えばグリコール及びフタレート基であってもよい。別の実施形態において、材料は、パスタ、例えばスパゲッティであることができる。
１つの実施形態によれば、ＳＯＦＣユニットセル１００は、グリーン相互接続層１０７、グリーン電極層１０３（すなわちアノード）、及びグリーン電解質層１０１を含むことができ、これらは焼成プロセスにおいて共に形成され、構成要素の層のそれぞれが共に焼結されて、統合された一体型の共焼結ＳＯＦＣユニットセルを形成できる。１つの特定実施形態において、焼成プロセス（すなわち共焼成プロセス）は、自由焼結プロセスであることができ、ここでグリーンＳＯＦＣユニットセル１００は、周囲圧力下で焼成される。すなわち、外部圧力は、焼結の間にＳＯＦＣユニットセル１００に必ずしも適用されない。自由焼結プロセスは、温度変化及び焼結中に使用される雰囲気を考慮して、実質的に大気圧である圧力にて行われることができる。
１つの実施形態において、自由焼結プロセスは、少なくとも約８００℃、例えば少なくとも約９００℃、少なくとも約１０００℃、又は更に少なくとも約１１００℃の焼結温度にＳＯＦＣユニットセルを加熱する工程を含むことができる。特定の場合において、焼結温度は、約１５００℃以下、約１４００℃以下、又は更には約１３００℃であることができる。焼結温度は、上記で記述された最小温度と最大温度とのいずれかの間の範囲内にあることができることが理解される。
自由焼結プロセスは、等温処理を含むことができる。例えば、ＳＯＦＣユニットセル１００は、特定の期間にわたって焼結温度にて保持されることができる。等温処理の期間は、少なくとも約１０分、例えば少なくとも約２０分、例えば少なくとも約３０分、例えば少なくとも約４０分、少なくとも約５０分、少なくとも約６０分、又は更には約９０分であることができる。それでもなお、等温処理の期間は、約６００分以下、約５００分以下、約４００分以下、約３００分以下、約２００分以下、又は更には約１２０分以下であることができる。焼結温度にて保持される等温期間は、上記で記述される最小期間と最大期間とのいずれかの間の範囲内であることができることが理解される。
自由焼結プロセスは、特定の焼結雰囲気を利用できる。好適な雰囲気は、不活性種を含むことができ、こうしてＳＯＦＣユニットセル１００の構成要素の層との反応が制限される。自由焼結の間、雰囲気は、約１ａｔｍ以下の圧力に保持されてもよい。従って、等温処理中のユニットセルの圧力は、約１０−２０ａｔｍから約１ａｔｍ、例えば約１０−１０ａｔｍ〜約１ａｔｍ、又は更には約１０−４ａｔｍから約１ａｔｍの範囲内であってもよい。他の場合において、自由焼結プロセスは、周囲条件未満の酸素分圧を有する雰囲気にて行われることができる。別の実施形態において、自由焼結プロセスは、還元剤を含むことができ、より詳細には、ＳＯＦＣユニットセルに対して還元雰囲気であってもよい。
より詳細には、自由焼結プロセスは焼結温度にて行われることができ、ここで電解質層１０１は、圧縮状態であることができ、電極層１０３は張力下であることができる。特に、グリーン電解質層１０１、グリーン電極層１０３、及びグリーン相互接続層１０７の特定の特徴（例えば材料のモルホロジー特徴、物理的特徴及び化学的特徴の組み合わせを含む）は、自由焼結プロセスを促進し、ユニットセル、及び最終的には本明細書に記載される特徴を有するＳＯＦＣスタックの形成を促進するために使用できる。特定の理論に束縛されることを望まないが、特徴の組み合わせ、例えば粉末構成要素の粒径分布、パッキング因子、多孔性、構成要素の層それぞれの化学組成、熱膨張特性などは、自由焼結プロセスを促進でき、ここで電解質層１０１は、等温処理の間に圧縮状態であると考えられる。
特に、電解質層１０１は、特定の焼結温度を有することができ、これは特定温度にて層の寸法に関連できる。例えば、１つの実施形態によれば、電解質層１０１は、電極層１０３の材料の焼結温度（すなわち電極焼結温度）とは異なり、相互接続層１０７の焼結温度（すなわち相互接続焼結温度）とも異なる電解質焼結温度を有することができる。特定の場合において、電解質層１０１は、電極層１０３の焼結温度未満であり、相互接続層１０７の焼結温度未満の焼結温度を有することができる。
より特定の場合において、特に等温で保持された自由焼結プロセスは、電解質焼結温度を超える焼結温度にて行われることができる。すなわち、例えば自由焼結温度は、電解質焼結温度を超え、より詳細には電極焼結温度未満である温度であることができる。別の実施形態において、自由焼結は、電解質焼結温度を超え、電極焼結温度未満であり、相互接続焼結温度未満である温度にて行われることができる。なお更なる実施形態において、１つの実施形態に従う自由焼結は、電解質焼結温度を超え、電極焼結温度未満であり、相互接続焼結温度を超える温度にて行われることができる。
自由焼結プロセスの完了時、相互接続層１０７、電極層１０３、及び電解質層１０１は、一体化ＳＯＦＣユニットセル１００を形成する。追加の工程は、一体化ＳＯＦＣユニットセル１００に追加の層を接合させ、機能化ＳＯＦＣ物品を形成するために行われてもよい。例えば、第２の焼結プロセスを完了して、これらに限定されないが、電極層１０３とは異なる電極層が挙げられる他の層と一体化ＳＯＦＣユニットセル１００を接合できる。第２の焼結プロセスは、第１の自由焼結プロセスから分離できる。
例えば、特定の実施形態において、ポスト自由焼結プロセスは、一体化ＳＯＦＣユニットセル１００を覆う第２の電極層、又は第２の電極層の一部の形成を含むことができる。第２の電極層は、電極層１０３とは異なることができ、特にカソード層であってもよい。カソードは、最終的なＳＯＦＣ物品を形成するために一体化ＳＯＦＣユニットセル１００と共に接合される前に、別個の焼結プロセスを通して、一体化カソードユニットセルにプレ形成されることができる。あるいは、カソード又は他の層はグリーン層であってもよく、これは一体化ＳＯＦＣユニットセル１００上に形成され、それらと共に接合されてもよく、一体化ＳＯＦＣユニットセル１００上に直接第２の焼結プロセスにおいて熱処理加工されてもよい。第２の焼結プロセスは自由焼結プロセスであることができる。第２の焼結プロセスは、第１の焼結温度を大きく下回る結合又は接合焼結温度にて行われることができる。例えば、接合温度は、ＳＯＦＣユニットセルを形成するために使用される焼結温度（すなわち第１の自由焼結温度）未満であることができる。更に、接合温度は、一体化カソードユニットセルを形成するために使用される焼結温度未満であることができる。特定の場合において、接合温度は、カソード一体化ユニットセルを形成するために使用される焼結温度よりも少なくとも約５℃、例えば少なくとも約８℃、少なくとも約１０℃、又は更には少なくとも約１２℃を下回ることができる。
先行するパラグラフに記述される接合プロセスは、代替化工処理経路に従って行われてもよい。例えば、接合プロセスは、２工程プロセスであることができ、ここでＳＯＦＣユニットセルは、単一の自由焼結プロセスにおいて本明細書に記載されるように形成されることができるが、第２の電極層（例えばカソード部分）は、焼結されたＳＯＦＣユニットセルと共に形成されることができ、グリーン状態で接合されることができる。２工程プロセスの接合プロセスは焼結温度とは異なる接合温度、特にＳＯＦＣユニットセルを形成するための自由焼結プロセスにおいて使用される焼結温度とは異なる焼結温度、特にその温度よりも低い接合温度である接合温度を利用できる。
別の実施形態において、接合プロセスは、３工程プロセスであることができ、ここでＳＯＦＣユニットセルは、単一の自由焼結プロセスにおいて本明細書に記載されるように形成されることができるが、第２の電極層（例えばカソード部分）は、ＳＯＦＣユニットセルから別個に形成でき、焼結できる。焼結されたＳＯＦＣユニットセル及び焼結された第２の電極層は、第３の熱処理において接合できる。第３の熱処理は、ＳＯＦＣユニットセル又は第２の電極を形成するために使用される焼結温度とは異なる接合温度を利用できる。特に、接合温度は、ＳＯＦＣユニットセルを形成するために自由焼結プロセスに使用される焼結温度よりも低い温度、焼結された第２の電極層を形成する際に使用される焼結温度よりも低い温度であることができる。
第２の電極（例えばカソード）又は第２の電極の部分は、相互接続層１０７を覆うように形成できる。事実、第２の電極は、相互接続層１０７に直接接触し、結合できる。あるいは又は加えて、第２の電極は、電解質層１０１を覆うことができ、こうして電解質層１０１を、電極層１０３（例えばアノード）及び第２の電極層（例えばカソード）との間に配設されることができる。第２の電極層１０３は、電解質層１０１で直接接触できる。
１つの実施形態において、第２の電極はカソードであることができ、これは無機材料で構成できる。特定の好適な無機材料は、酸化物を含むことができる。カソードは、レアアース元素を含むことができる。少なくとも１つの実施形態において、カソードは、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のような元素、及びこれらの組み合わせを含むことができる。
１つの特定実施形態において、カソードのための材料はランタンマンガナイト材料を含むことができる。カソードは、ドープされたランタンマンガナイト材料で構成されることができ、カソード組成にペロブスカイトタイプの結晶構造を与える。従って、ドープされたランタンマンガナイト材料は、式（Ｌａ１-ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δによって表される一般組成を有し、ここでドーパント材料は、「Ａ」で表され、ペロブスカイト結晶構造のＡサイトにおけるランタン（Ｌａ）と材料内で置換される。ドーパント材料は、アルカリ土類金属、鉛、又は一般に約０．４〜０．９オングストロームの原子比を有する二価カチオンから選択できる。そういうものとして、１つの実施形態によれば、ドーパント材料は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｐｂ、及びＺｒからなる元素の群から選択される。特定の実施形態によれば、ドーパントはＳｒであり、カソード材料は、ＬＳＭとして一般に知られているランタンストロンチウムマンガナイト材料である。
ドープされたランタンマンガナイトカソード材料の化学量論について、１つの実施形態によれば、パラメータ、例えば存在する原子のタイプ、結晶構造内の空孔のパーセンテージ、及び原子比、特にカソード材料内のＬａ／Ｍｎ比は、燃料電池の作動中にカソード／電解質界面の伝導度を制限する組成物の形成を管理するように提供される。伝導度を制限する組成物の形成は、セルの効率を低下させ、ＳＯＦＣの寿命を短縮する。１つの実施形態によれば、ドープされたランタンマンガナイトカソード材料は、（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δを含み、ここでｘは約０．５以下であり、ｙは約１．０以下であり、Ｌａ／Ｍｎ比は約１．０以下である。ドープされたランタンマンガナイト組成内のｘの値は、構造内のＬａについて置換されたドーパントの量を表す。１つの実施形態によれば、ｘは約０．５以下、例えば約０．４又は０．３以下である。それでもなお、カソード材料内に提供されるドーパントの量は、ｘが約０．２以下となる、又は更には約０．１以下、特に約０．４〜０．０５の範囲内となるように小さくてもよい。
特定の実施形態において、ドーパント材料は、Ｓｒ（ＬＳＭカソード）であり、こうしてカソード組成は、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δとなり、ここでｘは約０．５以下、例えば約０．４、０．３、０．２以下、又は更には約０．１以下であり、特に約０．３〜約０．０５の範囲内である。先行する実施形態に記載されるようなドーパント濃度を有するカソードは、燃料電池の作動中、カソード／電解質界面にて伝導度を制限する組成物の形成を低減することが望ましい。
カソードの化学量論を更に参照して、一般式（Ｌａ１−ｘＡｘ）ｙＭｎＯ３−δにおけるｙの値は、結晶格子内のＡサイトにおける原子の％占有率を表す。別の考え方として、ｙの値はまた１．０から差し引かれてもよく、結晶格子内のＡサイトにおける空孔のパーセンテージを表してもよい。この開示の目的のために、１．０未満のｙの値を有するドープされたランタンマンガナイト材料は、結晶構造内のＡサイトが１００％占有されていないので、「Ａサイト欠陥」構造と名付けられる。１つの実施形態によれば、ｙは約０．９５以下、例えば約０．９０以下、０．８８以下、又は更には約０．８５以下である。特定の実施形態において、カソード材料は、ＬＳＭである（ドーパント材料は、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δの組成を有するＳｒであり、ｙの値は、約１．０以下、例えば約０．９５以下、約０．９３以下又は更には０．９０以下、特に約０．７０〜０．９９の範囲内である。）先行して記載された実施形態に提供されるように、Ａサイト欠陥のドープされたランタンマンガナイト組成を有するカソードは、燃料電池の作動中にカソード／電解質界面において伝導度を制限する組成物の形成を低減するために望ましい。
ドープされたランタンマンガナイトカソード材料の組成を更に参照して、１つの実施形態によれば、Ｌａ／Ｍｎ比は約１．０以下である。カソード材料内のＬａ／Ｍｎ比は、ドーパント（一般式のｘの値）の添加によって、並びにランタンマンガナイト結晶構造内においてＡサイト空孔（ｙの値に関連する）の創出によって変更できる。そういうものとして、別の実施形態において、Ｌａ／Ｍｎの比は、１．０未満、例えば約０．９７、０．９５未満、又は更には約０．９３未満である。特定の実施形態によれば、カソード材料は、（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）ｙＭｎＯ３−δの一般組成を有するＬＳＭであり、ここでｘは約０．５以下であり、ｙは約１．０以下であり、Ｌａ／Ｍｎ比は１．０以下である。従って、ＬＳＭカソード材料内のＬａ／Ｍｎ比は、約１．０未満、例えば約０．９７、０．９５未満又は更には０．９０未満であってもよい。一般に、１．０以下、特に１．０未満のＯＬａ／Ｍｎ比は、ＳＯＦＣの作動中にカソード／電解質界面において伝導度を制限する組成物の形成を低減する所望の化学量論条件を提供する。こうした伝導度を制限する組成物の形成は、ＳＯＦＣの効率及び操作性寿命を低減し得る。
あるいは又は更には、カソード材料は、Ｌａ−フェライト系材料を含むことができる。通常、Ｌａ−フェライト系材料は、１つ以上の好適なドーパント、例えばＳｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｃｏ又はＦｅでドープされることができる。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、Ｌａ１−ｇＳｒｑＣｏ１−ｊＦｅｊＯ３、ここでｑ及びｊのそれぞれは、独立に、０．１以上及び０．４以下であり、（Ｌａ＋Ｓｒ）／（Ｆｅ＋Ｃｏ）は約１．０〜約０．９０の範囲である（モル比））を含む。１つの特定実施形態において、カソードは、Ｌａ−マンガナイト及びＬａ−フェライト材料の混合物を含むことができる。例えば、カソードは、ＬａＳｒ−マンガナイト（ＬＳＭ）（例えばＬａ１−ｋＳｒｋＭｎＯ３）及びＬａＳｒＣｏ−フェライト（ＬＳＣＦ）を挙げることができる。共通の例としては、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８Ｍｎ３＋−Δ（Δは、０以上であり、０．３以上である）及びＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃ０４２Ｆｅ０．８Ｏ３が挙げられる。
図２は、実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示を含む。ＳＯＦＣユニットセル２００は、電解質層１０１、相互接続層１０７、及び電解質層１０１と相互接続層１０７との間にある電極層１０３を含むことができる。特に、電解質層１０１は、電極層１０３と直接接触できる。相互接続層１０７は、電極層１０３と直接接触できる。特に、先行して記載された実施形態のように、ユニットセル２００は、熱処理の前に共にスタックされた複数のグリーン層及び単一の自由焼結プロセスを行った後に、共に一体的に形成された複数の層を表すことができる。
特に、アノード層１０３は、機能性層部分２０３、バルク層部分２０２、及び結合層部分２０１を含む複数の層で構成できる。アノード機能性層部分２０３は、電解質層１０１と直接接触できる。より詳細には、アノード機能性層部分２０３は、電解質層１０１に直接結合できる。アノード機能性層部分２０３は、本明細書で記載されるようなアノード層１０３と同じ材料を含むことができる。アノード機能性層部分２０３は、最終仕上げされたＳＯＦＣ物品の好適な電気的特徴及び電気化学的特徴を促進でき、アノード層１０３と電解質層１０１との間の電気的及び機械的接続を改善できる。
１つの実施形態によれば、アノード機能性層部分２０３は、多孔質層であることができ、これはアノード機能性層部分２０３の総体積について約２０体積〜５０体積の範囲内の多孔性を有する。アノード機能性層２０３は、アノードバルク層２０２内の孔の平均孔サイズよりも顕著に小さい平均孔サイズを有することができる。
特定の場合には、アノード機能性層部分２０３のグリーン材料は、相対的に微細なアグロメレートされた粉末の形態であることができる。あるいは、粉末材料は非アグロメレートであってもよい。粉末は、約１００μｍ以上、例えば約７５μｍ以下、特定の実施形態においては約４５μｍ以下の平均粒径を有することができる。加えて、粉末は、アグロメレートされた粉末及び非アグロメレート粉末の混合物であることができ、ここで非アグロメレート粉末は、特に微細な粒径を有していてもよい。こうしたサイズは、好適な孔径及びグレインサイズをアノード機能性層部分２０３内に形成することを促進できる。
アノード機能性層部分２０３は、薄く、実質的に平面の材料層であることができ、約１ｍｍ以下、例えば約７００μｍ以下、約５００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１５０μｍ以下、例えば約１００μｍ以下、又は更には約５０μｍ以下の平均厚さを有する。それでもなお、アノード機能性層部分２０３は、少なくとも約０．５μｍ、例えば少なくとも約１μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約１５μｍ、又は更には少なくとも約２０μｍの平均厚さを有することができる。アノード機能性層部分２０３は、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内にある平均厚さを有することができることが理解される。
アノードバルク層部分２０２は、機能性層部分２０３及び結合性層部分２０１と直接接触できる。より詳細には、バルク層部分２０２は、機能性層部分２０３及び結合性層部分２０１と直接接触できる。アノードバルク層部分２０２は、本明細書において記載されるアノード層１０３と同じ材料を含むことができる。
アノードバルク層部分２０２は、多孔質層であることができ、アノードバルク層部分２０２の総体積に関して約３０体積〜約６０体積の範囲内の多孔性を有する。アノードバルク層２０２は、アノード機能性層部分層２０３又はアノード結合性層部分２０１内の孔の平均孔サイズよりも顕著に大きい平均孔サイズを有することができる。特に、バルク層部分２０２は、アノード層１０３に、特に機能性層部分２０３に燃料を送達するためにチャンネルを含有できる。
アノードバルク層部分２０２のグリーン材料は、機能性層部分２０３又は結合性層部分２０１よりも一般に粗い材料で形成できる。特定の場合には、アノードバルク層部分２０２は、アグロメレートされた粉末で形成できる。アグロメレートは、約１μｍ〜約３００μｍ、例えば約１μｍ〜約２００μｍ、又は更には約１μｍ〜約１００μｍの平均粒径を有していてもよい。特定の実施形態において、粗い粒子は、アグロメレートされた粉末の代わりに、又はそれに加えて使用されてもよい。粗い粒子は、約０．１μｍ〜約１００μｍ、例えば約０．１μｍ〜約５０μｍ、又は更には約０．１μｍ〜約１５μｍの範囲の内の平均粒径を有することができる。
アノードバルク層部分２０２は、薄く、実質的に平面の材料層であることができアノード機能性層部分２０３又はアノード結合性層部分２０１の平均厚さよりも厚い平均厚さを有する。特に、アノードバルク層部分２０２は、約２ｍｍ以下、例えば約１ｍｍ以下、又は約８００μｍ以下の平均厚さを有することができる。それでもなお、アノードバルク層部分２０２は、少なくとも約５０μｍ、例えば少なくとも約１００μｍ、少なくとも約２００μｍ、又は少なくとも約５００μｍの平均厚さを有することができる。アノードバルク層部分２０２は、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内の平均厚さを有することができることが理解される。
アノード結合性層部分２０１は、アノードバルク層部分２０２及び相互接続層１０７と直接接触できる。より詳細には、結合性層部分２０１は、バルク層部分２０２及び相互接続層１０７に直接結合できる。アノード結合性層部分２０２は、本明細書に記載されるアノード層１０３と同じ材料を含むことができる。
アノード結合性層部分２０１は多孔質層であることができ、アノード結合性層部分２０１の総体積に関して約０体積〜約４０体積の範囲の多孔性を有する。アノード結合性層部分２０１は、アノードバルク層部分２０２内の孔の平均孔径よりも顕著に小さい平均孔径を有することができる。アノード結合性層部分２０１は、最終仕上げされたＳＯＦＣ物品の好適な電気的特徴を促進でき、アノード層１０３と相互接続層１０７との間の機械的接続を改善できる。
アノード結合性層部分２０１のグリーン材料は、アノードバルク層部分２０２よりも一般に微細な材料で形成できる。特定の場合において、アノード結合性層部分２０１のグリーン材料は、相対的に微細なアグロメレートされた粉末で形成できる。微細なアグロメレートされた粉末は、約１００μｍ以下、例えば約７５μｍ以下、約４５μｍ以下、又は更には約２０μｍ以下の平均アグロメレートサイズを有することができる。それでもなお、微細なアグロメレートされた粉末の平均粒径は、少なくとも約０．５μｍ、例えば少なくとも約１μｍ、又は少なくとも約５μｍであることができる。微細なアグロメレートされた粉末の平均粒径は、上記で記述された最小値と最大値とのいずれかの間の範囲内であることができることが理解される。加えて、微細なアグロメレートされた粉末は、特に微細な粒径を有する主に非アグロメレート粉末と混合できる。あるいは、微細なアグロメレートされた粉末は、非アグロメレート粒子で部分的に又は全体的に置換されてもよい。粉末材料の粒径は、アノード結合性層部分２０１内の好適な孔径及びグレインサイズの形成を促進できる。
アノード結合性層部分２０１は、アノードバルク層部分２０２の平均厚さ未満の平均厚さを有する材料の薄く、実質的に平面の材料層であることができる。特に、アノード結合性層部分２０１は、約１ｍｍ以下、例えば約７００μｍ以下、約５００μｍ以下、又は更には約２００μｍ以下の平均厚さを有することができる。それでもなお、アノード結合性層部分２０１は、少なくとも約１μｍ、例えば少なくとも約５μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約２０μｍ、少なくとも約５０μｍ、少なくとも約７５μｍ、少なくとも約１００μｍの平均厚さを有することができる。アノード結合性層部分２０１は、上記で記述された最小値と最大値のいずれかの間の平均厚さを有することができることが理解される。
ＳＯＦＣユニットセル２００の層は、本明細書の実施形態に従って形成でき、それらとしては、注型成形、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス加工、ゲル注型成形、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密、射出成形及びこれらの組み合わせを含む技術が挙げられる。
ＳＯＦＣユニットセル２００は、本明細書の実施形態に記載されるプロセスに従って形成できる。特に、形成のプロセスは、ＳＯＦＣユニットセル２００に例示されるような材料のグリーン層を組み立てる工程、及び単一の自由焼結プロセスを行い、一体化ＳＯＦＣユニットセル２００を形成する工程を含み、ここで各層は互いに結合されて、材料層の界面における拡散結合によって特徴付けられる。更に、一体化ＳＯＦＣユニットセル２００を形成するための自由焼結後に、他の構成要素の層を添加でき、それらとしては、これらに限定されないが、１つ以上の第２の電極層（例えばカソード層）が挙げられることが理解される。
図３は、実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示を含む。ＳＯＦＣユニットセル３００は、電解質層１０１、相互接続層１０７、及び電解質層１０１と相互接続層１０７との間に配設された電極層１０３を含むことができる。加えて、ＳＯＦＣユニットセル３００は、電解質層１０１の下層の電極層３０１の部分を含むことができる。電極層３０１の部分は、電解質層１０１と直接接触できる。加えて、ＳＯＦＣユニットセル３００は、相互接続層１０７を覆う電極層３０３の部分を含むことができる。電極層３０３部分は、相互接続層１０７と直接接触できる。
特に、先行して記載される実施形態と同様に、ＳＯＦＣユニットセル３００は、熱処理の前に共にスタックされた複数のグリーン層を表すことができる。あるいは又は加えて、ＳＯＦＣユニットセル３００は、単一の自由焼結プロセスを行った後に共に一体的に形成された複数の層を表すことができる。
１つの実施形態によれば、電極層３０１の部分は、カソード機能性層部分であることができる。特に、カソード機能性層部分３０１は、グリーン電解質層１０１と直接接触したグリーン機能性層部分であることができる。カソード機能性層部分３０１は、本明細書に記載されるカソードと同じ材料を含むことができる。更に、カソード機能性層部分３０１は、材料の組み合わせ、例えばカソードバルク層部分及び電解質層又は相互接続層からの材料の組み合わせを含むことができる。例えば、カソード機能性層部分３０１は、ＬＳＭ及びＹＳＺの組み合わせを含むことができる。カソード機能性層部分３０１は、本明細書に記載されるように他の機能性層部分と同じ特徴を有することができる。更に、カソード機能性層部分３０１は、最終仕上げされたＳＯＦＣ物品の好適な電気的特徴を促進して、電解質層１０１とカソードとの間の電気的、電気化学的及び機械的接続を改善してもよい。
電極層３０１の部分は、アノード２０３の平均厚さ未満の平均厚さを有する薄く、実質的に平面の材料層であることができる。特に、電極層３０１の部分は、約１ｍｍ以下、例えば約７００μｍ以下、約５００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１５０μｍ以下、例えば約１００μｍ以下、又は更には約５０μｍ以下の平均厚さを有することができる。それでもなお、電極層３０１の部分は、少なくとも約０．５μｍ、例えば少なくとも約１μｍ、少なくとも約５μｍ、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約１５μｍ、又は更には少なくとも約２０μｍの平均厚さを有することができる。電極層３０１の部分は、上記で記述された最小値と最大値のいずれかの間の範囲内の平均厚さを有することができることが理解される。
電極層３０１の部分は多孔質層であることができる。特定の実施形態において、電極層３０１の部分は、電極層３０１の部分の総体積について約２０体積〜約５０体積の範囲内の多孔性を有することができる。電極層３０１の部分は、アノード１０３のバルク層部分内の孔の平均孔径よりも顕著に小さい平均孔径を有してもよい。
相互接続層１０７を覆う電極３０３部分は、電極３０１の部分と同じ属性を有することができることが理解される。特に、電極３０３の部分は、カソード機能性層部分３０３であることができる。
ＳＯＦＣユニットセル３００の層、特に電極３０３及び３０１の部分は、本明細書の実施形態に従って形成でき、それらとしては、注型成形、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス加工、ゲル注型成形、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧密、射出成形及びこれらの組み合わせのような技術が挙げられる。
ＳＯＦＣユニットセル３００は、本明細書の実施形態において記載されるプロセスに従って形成できる。特に、ＳＯＦＣユニットセル３００の形成は、グリーンＳＯＦＣユニットセル３００に例示されるように材料のグリーン層を組み立てる工程、及び単一の自由焼結プロセスを行い、一体化ＳＯＦＣユニットセル３００を形成する工程を含むことができる。一体化ＳＯＦＣユニットセル３００は、互いに結合している隣接層のそれぞれによって特徴付けられ、材料層間の界面にて拡散結合領域を形成している。更に、一体化ＳＯＦＣユニットセル３００を形成するための自由焼結の後、他の構成要素の層が添加でき、それらとしては、１つ以上の第２の電極層（例えばバルクカソード層及び／又は結合性カソード層）が挙げられるが、これらに限定されていないことが理解される。
一体化ＳＯＦＣユニットセル３００の形成は、作用ＳＯＦＣ物品を形成するのに好適な主にすべての構成要素の層（すなわちカソード／相互接続／アノード／電解質）が単一自由焼結プロセスにおいて形成されるので、特に望ましい。故に、層のすべては、単一の自由焼結プロセスにおいて形成でき、一体的に結合されたＳＯＦＣユニットセル３００を形成でき、ポスト加工処理（すなわち自由焼結プロセス後の熱処理）は限られている。加えて、単一の自由焼結プロセスは、電解質層１０１が焼結温度にて保持される等温中では圧縮状態であるように完了される。電解質層１０１はまた、焼結プロセスの完了後に圧縮状態であることができる。
更に、一体化ＳＯＦＣユニットセル３００の残りの加工処理は制限でき、一般に同様の又は同じ組成を有する層の接合を含む。すなわち、例えばバルクカソード層は、別個の第２の焼結プロセスにおいてカソード部分３０１又は３０３のいずれかに結合できる。更に、ポスト加工処理が同様の組成の層間の結合に制限され得ないので、別個の第２の焼結プロセスは、第１の自由焼結プロセスにおいて利用されるよりも顕著に低い焼結温度にて行われることができる。更に、ポスト自由焼結加工処理は、同様の材料層に制限され得るので、層間の機械的ひずみ（例えばＣＴＥミスマッチによる）も制限され、結果として改善された機械的及び電気的特徴を有するＳＯＦＣ物品が得られる。
図４は、実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示を含む。ＳＯＦＣユニットセル４００は、ＳＯＦＣユニットセル２００と同様の構成を含み、それぞれ電解質層１０１及び相互接続層１０７を覆う電極層３０１及び３０３の部分の添加を伴う。特に、ＳＯＦＣユニットセル４００は、電解質層１０１、相互接続層１０７、及び電解質層１０１と相互接続層１０７との間に配設された電極層１０３を含む。特に、電解質層１０１は、電極層１０３と直接接触でき、相互接続層１０７は電極層１０３と直接接触できる。
電極層１０３は、アノード層であることができ、機能性層部分２０３、バルク層部分２０２、及び結合性層部分２０１を含む複数の層で構成され、本明細書の他の実施形態に記載される特徴を有する。
ＳＯＦＣユニットセル４００はまた、電解質層１０１の下層の電極層３０１の部分を含む。電極層３０１の部分は電解質層１０１と直接接触できる。加えて、ＳＯＦＣユニットセル４００は、相互接続層１０７を覆う電極層３０３の部分を含むことができる。電極層３０３の部分は、相互接続層１０７と直接接触できる。１つの実施形態によれば、電極層３０１の部分は、本明細書の実施形態に記載されるようなカソード機能性層部分のいずれかの特徴を有するカソード機能性層部分であることができる。同様に、電極層３０３の部分は、本明細書の実施形態に記載されるようなカソード機能性層部分のいずれかの特徴を有するカソード機能性層部分であることができる。カソード機能性層部分３０１及び３０３は、最終仕上げされたＳＯＦＣ物品の好適な電気的特徴を促進でき、電気的及び機械的接続を改善できる。
ＳＯＦＣユニットセル４００は、本明細書の実施形態に記載されるようなプロセスに従って形成できる。特に、ＳＯＦＣユニットセル４００の形成は、グリーンＳＯＦＣユニットセル４００に例示されるように材料のグリーン層を組み立てる工程、及び単一の自由焼結プロセスを行って、一体化ＳＯＦＣユニットセル４００を形成する工程を含むことができる。一体化ＳＯＦＣユニットセル４００は、互いに結合して、材料層間の界面において拡散結合領域を形成する隣接層のそれぞれによって特徴付けられる。更に、一体化ＳＯＦＣユニットセル４００を形成するための自由焼結後、他の構成要素の層が添加できることが理解される（それらとしては、１つ以上の第２の電極層（例えばバルクカソード層及び／又は結合性カソード層が挙げられるが、これらに限定されない）。
図５は、別の実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの例示を含む。ＳＯＦＣユニットセル５００は、本明細書の実施形態に記載されるように、同じ構成を有する第１のＳＯＦＣユニットセル４００及び製造方法を含む。ＳＯＦＣユニットセル５００は、電極又は電極部分であることができる第２のＳＯＦＣユニットセル５０１を含むことができる。ＳＯＦＣユニットセル５０１は、結合性層部分５０４、結合性層部分５０４を覆うバルク層部分５０３、及びバルク層部分５０２を覆う結合性層部分５０２を含むことができる。特定の場合において、ＳＯＦＣユニットセル５０１はカソードであることができ、これらの層は、カソード結合性層部分５０４、カソード結合性層部分５０４を覆うカソードバルク層部分５０３、及びカソードバルク層部分５０２を覆うカソード結合性層部分５０２を含む。カソード結合性層部分５０４、カソードバルク層部分５０３、及びカソード結合性層部分５０２は、本明細書の実施形態に記載されるように他のカソード層の特徴のいずれかを有することができる。
ＳＯＦＣユニットセル５０１は、本明細書の実施形態に記載されるようなプロセスに従って形成できる。特に、ＳＯＦＣユニットセル５０１の形成は、グリーンＳＯＦＣユニットセル５０１に例示されるように材料のグリーン層を組み立てる工程、及び単一自由焼結プロセスを行い、一体化ＳＯＦＣユニットセル５０１を形成する工程を含むことができる。一体化ＳＯＦＣユニットセル５０１は、互いに結合して、材料層間の界面において拡散結合領域を形成する隣接層のそれぞれによって特徴付けることができる。
更に、一体化ＳＯＦＣユニットセル５０１を形成するためのフリーの焼結後、ＳＯＦＣユニットセル５０１は、一体化ＳＯＦＣユニットセル４００に接合されて、ＳＯＦＣ物品を形成できることが理解される。１つの実施形態によれば、一体化ＳＯＦＣユニットセル４００及び５０１の接合は、電極層部分５０２と電極層部分３０１を直接接触させ、ＳＯＦＣユニットセル４００及び５０１を接合温度に加熱する工程を含むことができる。特に、電極層部分５０２及び電極層部分３０１は、同じ材料を含むことができ、それらとしては、例えば特定のカソード材料が挙げられ、２つの層の結合性、及び最終的にはＳＯＦＣユニットセル５０１及び４００は、異なる組成の層を接合する他のプロセスよりも複雑でない。
特定の実施形態において、接合プロセスは、ＳＯＦＣユニットセルに熱を適用する工程を含むことができる。上述のように、接合プロセスは、焼結温度未満の特定の温度にて熱処理を含むことができ、接合している構成要素ＳＯＦＣユニットセルを形成できる。
更に、接合プロセスは、プレス加工操作を含んでいてもよく、ここで圧力は、ＳＯＦＣ物品の形成を促進するために構成要素ＳＯＦＣユニットセルに適用される。例えば、圧力は、一軸プレス加工を介して適用されてもよく、より詳細には一軸ホットプレス加工であってもよい。あるいは、圧力は平衡に適用されてもよく、接合プロセスは熱等温プレス加工を利用してもよい。接合プロセス中に圧力を利用する特定の実施形態において、好適な圧力は、約０．１〜５０ＭＰａ、例えば約０．２〜２０ＭＰａの範囲内であることができる。
形成する方法は、特定の特徴を有する一体化ＳＯＦＣユニットセルの形成を促進する。例えば、１つの実施形態によれば、電解質層は、ＳＯＦＣユニットセルの形成後であり、ＳＯＦＣ物品の形成後に、特定の圧縮状態であることができる。特に、本明細書に開示される特徴（材料の特定のタイプ、層の順序、及び焼結温度を含む）の組み合わせの利用は、ＳＯＦＣユニットセル及びＳＯＦＣスタックの自由焼結形成を促進し、ここで電解質層は圧縮状態である。これは、試験時の電解質層内においてクラックがほとんど又は全く生じないことからも部分的に証明される。
特定の場合において、本明細書の実施形態に従って形成されるＳＯＦＣユニットセルは、ユニットセルが約２０００倍の倍率にて断面を見る場合に、６０μｍの長さあたり１クラック未満を有すると定量できる。図６は、実施形態に従って形成されたＳＯＦＣユニットセル（ＣＦＬ−Ｅ−Ａ−ＩＣ−ＣＦＬ）の部分の断面図を含む。特に、図６は、ユニットセルの電解質（Ｅ）及びカソード機能層（ＣＦＬ）の界面に沿って長さは約９０μｍの部分を例示する。例示されるように、約２０００倍の倍率において電解質及びカソード機能性層部分のランダムに選択された部分の試験時、電解質層（Ｅ）は、長さ１０μｍあたり１クラック未満、例えば長さ２０μｍあたり１クラック未満、長さ３０μｍあたり１クラック未満、長さ４０μｍあたり１クラック未満、長さ５０μｍあたり１クラック未満、長さ６０μｍあたり１クラック未満、又は更には長さ９０μｍあたり１クラック未満を有する。特定の場合において、本明細書の実施形態のユニットセルは、適切な倍率にて見られる場合に、長さ１００μｍあたり１クラック未満、長さ５００μｍあたり１クラック未満、又は更には長さ１ｃｍあたり１クラック未満を有することができる。更に、電解質層（Ｅ）を通して全体的に延びる視覚可能なフィールドにクラックはない。
本明細書の実施形態に従って形成されたユニットセルの相互接続層はまた、電解質層の同じ制限されたクラック特徴を示すことができる。従って、少なくとも電解質層、アノード層、及び相互接続層のユニットセルは、単一自由焼結プロセスにおいて形成でき、ここで電解質層、アノード層、及び相互接続層は、クラックをほとんど又は全く示さず、改善された加工処理性及び性能を促進する。
更に、本明細書の実施形態に従って形成されるＳＯＦＣユニットセル及びＳＯＦＣスタックは、特に改善された反りを示し、これはＭａｌｚｂｅｎｄｅｒ ｅｔ ａｌ．，「Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｏｆ Ｐｌａｎａｒ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｄｕｒｉｎｇ Ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｔａｃｋｓ」，ＦＵＥＬ ＣＥＬＬＳ ０６，２００６，Ｎｏ．２，１２３−１２９に与えられるように、中点の偏位として測定される。例えば、本明細書の実施形態に従うＳＯＦＣユニットセルの平均反りは、約２００μｍ以下であることができる。平均反りは、白色光色収差技術を利用するＭｉｃｒｏ Ｍｅａｓｕｒｅ ３Ｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒを用いて測定でき、ここで反りは、サンプリング長さにおける波形パラメータを規定するためのＩＳＯ４２８７標準に従って測定される。次いでサンプリング長さにおいて見積もられるパラメータをＩＳＯ４２８８標準において示されるように利用可能なサンプリング長さすべてについて平均する。１つの実施形態において、ＳＯＦＣユニットセルは、約１５０μｍ以下、約１２５μｍ以下、約１００μｍ以下、約８０μｍ以下、約５０μｍ以下、約４０μｍ以下、又は更には約３０μｍ以下の平均反りを有することができる。他の場合において、ＳＯＦＣユニットセルの平均反りは、少なくとも約０．１μｍ、少なくとも約０．５μｍ、又は更には少なくとも約１μｍであってもよい。平均反りは、上記で記述される最小値及び最大値のいずれかの間でそれらを含む範囲内であることができることが理解される。
更に、実施形態に従う一体化ＳＯＦＣユニットセルの電解質層１０１は、特に高密度の層であることができる。例えば、密度は、少なくとも約９５％の理論密度であることができる。他の実施形態において、密度は、より多く、例えば少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、又は更には少なくとも約９９％の理論密度であることができる。従って、電解質層の多孔性は、約５％以下、約３％以下、約２％以下、又は更には約１％以下に限定され得る。
特定の場合において、実施形態に従う一体化ＳＯＦＣユニットセルの電解質層１０１は、一体化ＳＯＦＣユニットセルの第１の電極層１０３（例えばアノード）のＣＴＥ未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。別の実施形態によれば、相互接続層１０７は、一体化ＳＯＦＣユニットセルの第１の電極層１０３（例えばアノード）のＣＴＥ未満の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することができる。
１つの実施形態によれば、ＳＯＦＣユニットセルは、本明細書に記載されるような操作性ＳＯＦＣスタックに形成でき、特定の電気化学特徴を示すことができる。例えば、本明細書の実施形態のＳＯＦＣ物品は、理論の少なくとも約９５％の無負荷電圧（ＯＣＶ）を有することができ、ここで無負荷電圧は、１００％Ｈ２において８００℃のテストパラメータに従って測定される。他の場合において、（ＯＣＶ）は、理論の少なくとも約９５％、理論の少なくとも約９７％、又は更には理論の少なくとも約９８％であることができる。より詳細な観点では、ＯＣＶのテストパラメータは、初期のセットアップ、及び空気側及び燃料側のリーク割合の確認を含む。スタックがリークテストに合格した場合、２℃／分にて８００℃まで加熱される場合に、水素濃度は徐々に増大し、ＮｉＯの存在は低減される。ＯＣＶが１００％Ｈ２で安定である場合、電流、電圧及びインピーダンスの測定が、３つのＩ−Ｖ曲線及びインピーダンスプロットを得るために行われる。
１つの特定の実施形態によれば、本明細書に形成されるＳＯＦＣ物品の操作温度は、約６００℃〜約１０００℃の範囲内であることができる。
実施例１
ＳＯＦＣユニットセルは、以下の方法に従って形成される。アノード材料（Ｐｒａｘａｉｒ ＮｉＯ−ＹＳＺ； ５０：５０重量％）のグリーンテープは、Ｚｅｈｎｔｎｅｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｚｅｈｎｔｎｅｒ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）からＺＡＡ２３００モデルとして入手可能な携帯型テーブルトップテープキャスターを用いて、０．５μｍ〜５μｍの平均粒径を有するアノード粉末材料を含有するスラリーから注型成形される（約１００μｍ厚さ）である。いくつかのアノードテープ（５又は１０）は、注型成形され、０．２μｍ〜５μｍの平均粒径を有する電解質粉末材料を含有するスラリーから形成されたＡｌ−Ｍｎ ８ＹＳＺ電解質材料の単一グリーンテープと、０．５μｍ〜６μｍの平均粒径を有する相互接続粉末材料を含有するスラリーから形成されるドープされたＬＳＴ相互接続材料の単一グリーンテープとの間に配設されて（すなわち、積層されて）、グリーンＳＯＦＣユニットセルを形成する。ドープされた８ＹＳＺ電解質材料及びＬＳＴ相互接続材料の熱膨張係数は、それぞれ−１０．８ｐｐｍ／℃及び１１．１ｐｐｍ／℃である。チャンネルは、グリーンＡＢ及びＣＢテープにレーザー切断し、消散性チャンネルフォーマーを、ガスチャンネルを有する電極の作製のために使用した。
グリーンＳＯＦＣユニットセルは、１２８０℃の焼結温度で単一の自由焼結プロセスにて共焼結され、約１時間等温で保持され、電解質／アノード／相互接続構成を含む一体化ＳＯＦＣユニットセルを形成する。小さいアルミナプレートを、自由焼結プロセスの間にＳＯＦＣユニットセル上に置く。一体化ＳＯＦＣユニットセルは、約５００〜６００μｍの厚さを有する平面形状を有し、ここで電解質層は、約３０μｍの近似厚さを有し、アノードは、約５００μｍの近似厚さを有し、相互接続は、約２０〜３０μｍの近似厚さを有する。
一体化ＳＯＦＣユニットセルはクラックを含まず、層間の界面は、他の構成、例えば相互接続が二次熱処理において電極に取り付けられる構成に比べて、優れた接着及び強い結合を実証した。ユニットセルの反りは、１００μｍ未満であった。
そういうものとして、等温保持の間、電解質材料及び相互接続材料は圧縮状態であることができる。
実施例２
ＳＯＦＣユニットセルは以下の方法に従って形成される。Ｐｒａｘａｉｒ ＮｉＯ−ＹＳＺ；５０：５０重量として市販されているアノード材料（ＡＢ）のグリーンテープは、Ｚｅｈｎｔｎｅｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ （Ｚｅｈｎｔｎｅｒ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）からＺＡＡ２３００モデルとして入手可能な携帯型テーブルトップテープキャスターを用いて、０．５μｍ〜５μｍの平均粒径を有するアノード粉末材料を含有するスラリーから注型成形される（約１００μｍ厚さ）。いくつかのアノードテープ（５又は１０）は注型成形され、０．２μｍ〜５μｍの平均粒径を有するＴｏｓｏｈから市販されている電解質粉末材料を含有するスラリーから形成されたＡｌ−Ｍｎドープされた８ＹＳＺ電解質材料（Ｅ）の単一グリーンテープに置く（すなわち積層される）。Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓから入手可能なドープされたＬａ０．２Ｓｒ０．８ＴｉＯ３相互接続材料（ＩＣ）の単一グリーンテープは、電解質テープからアノードの反対側に置く。相互接続材料のグリーンテープは、０．５μｍ〜約６μｍの平均粒径を有する相互接続粉末材料を含有するスラリーから形成される。カソード機能性層（ＣＦＬ）のグリーンテープを形成し、相互接続及び電解質材料を覆い、こうして構造（ＣＦＬ−Ｅ−Ａ−ＩＣ−ＣＦＬ）を有するグリーンユニットセルを形成する。カソード機能性層の１つのテープは、それぞれの層について注型成形される。カソード機能性層のテープは、カソード機能性層粉末材料を含有するスラリーから注型成形され、Ｐｒａｘａｉｒから市販されているＬＳＭ粉末［（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３］及びＵｎｉｔｅｃから市販されている８ＹＳＺ材料の混合物である。カソード機能性層粉末材料は、１〜１０μｍの平均粒径を有する。構成要素の層Ｅ、ＩＣ、ＣＦ、及びＡＢの熱膨張係数は、それぞれ−１０．８、１１．１、１１．５、１２．５ｐｐｍ／℃であった。
ＣＦＬ−Ｅ−Ａ−ＩＣ−ＣＦＬユニットセルは、１時間の等温保持を伴い、１２８０℃の焼結温度まで小負荷（＜２ｋＰａ）を用いて単一自由焼結プロセスにて共焼結される。クラックはなく、高密度の電解質及び相互接続層が首尾よく製作された（図６〜９参照）。電解質とアノード及び相互接続とアノード層の界面が十分結合されていた。共焼結されたＣＦＬ−Ｅ−Ａ−ＩＣ−ＣＦＬユニットセルは、約１０〜４０μｍの反りを有する。
バルクカソード（ＣＢ）ユニットセルは、いくつかのテープ（１０〜１４テープ）を共にテープ注型成形及び積層することによって形成される。バルクカソード材料（ＣＢ）のグリーンテープは、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９８ＭｎＯ３としてＮｅｘＴｅｃｈから市販されている２５体積ＰＭＭＡポアフォーマー及びカソード粉末材料を含有するスラリーから形成される。ＣＢユニットセルは、１時間の等温保持を伴う、１１２０℃の焼結温度での単一の自由焼結プロセスにおいて共焼結される。
ＣＦＬ−Ｅ−Ａ−ＩＣ−ＣＦＬ及びＣＢユニットセルは、ＣＢ及びＣＦＬ表面上にマンガナイトスラリー（例えばＬＳＭスラリー）を堆積させ（例えばステンシル又は印刷し）、１．５ＭＰａ〜２．０ＭＰａの圧力にて１１２０℃に焼成させて、結合されたスタックを形成することによって共に結合される。結合したスタックは２×２ｃｍ２のスタックに機械加工し、これをシールし、リーク確認する。スタックは、理論値の＞９５％の無負荷電圧（ＯＣＶ）を有する例外的な性能を実証した。
本明細書の実施形態は、最新技術からの脱却である。ＳＯＦＣスタックの複数層の焼結が開示されているが（例えば米国特許第５，９２２，４８６号又は米国特許第６，２２８，５２０号を参照のこと）、いずれのプロセスも、本明細書に開示される特徴の組み合わせを含む自由焼結プロセスを実現も、利用もしていない。特に、本明細書の実施形態によれば、こうした特徴としては、構成要素の層の特定組成（すなわち、カソード、電解質、アノード、及び相互接続）、成分層の配置、成分層の物理的特徴（例えば厚さ及び密度）、成分層の焼結温度に関連する自由焼結温度、ポスト自由焼結加工処理及び結合技術、反り、熱サイクリング復元力などが挙げられるが、これらに限定されない。本願は、改善されたＳＯＦＣユニットセルを促進する新しいプロセス特徴を含むＳＯＦＣ物品、及び改善された機械的及び電気的特徴を有するＳＯＦＣ物品を形成するための最新のプロセスを開示する。
上記で開示された主題は、例示として考慮されるべきであり、限定とは考慮されず、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲内にあるこうした変更、増強、及び他の実施形態のすべてをカバーすることを意図する。故に、法則によって許される最大限まで、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲及びそれらの等価物の最も広い許容可能な解釈によって決定されるべきであり、以上の詳細な説明によって制限又は限定されるべきでない。
開示の要約書は、特許法に準拠するように与えられ、特許請求の範囲又は意味を解釈又は制限するために使用されないことを理解して与えられる。加えて、以上の発明を実施するための形態において、種々の特徴が、共にグループ化され、又は開示を合理化するために単一の実施形態に記載されてもよい。この開示は、特許請求される実施形態が、各請求項に明確に記載されるものよりも多くの特徴を必要とすることを意図するものとして解釈されるべきではない。更に、以下の特許請求の範囲にある通り、本発明の主題は、開示された実施形態のいずれかの特徴のすべてよりも少ないものを対象としてもよい。故に、以下の特許請求の範囲は、発明を実施するための形態に組み込まれ、それぞれの請求項は、別個に特許請求された主題を規定するものとしてそれ自体で成り立つ。

Claims (15)

  1. 固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）物品を形成する方法であって、前記方法が、
    電解質層と、
    相互接続層と、
    前記電解質層及び前記相互接続層の間に配設された第１の電極層とを含んだＳＯＦＣユニットセルを単一の焼結プロセスにおいて形成する工程と、
    前記単一の焼結プロセスから分離した第２の焼結プロセスにおいて形成され、前記相互接続層を覆う第２の電極層を接合する工程と、を含み、
    前記電解質層が、電解質焼結温度を有し、
    前記相互接続層が、相互接続焼結温度を有し、
    前記第１の電極が、第１の電極焼結温度を有し、
    前記ＳＯＦＣユニットセルを単一の焼結プロセスで形成する工程が、前記第１の電極焼結温度未満で、前記電解質焼結温度を超え、前記相互接続焼結温度を超える焼結温度にて焼結する工程を含む、方法。
  2. 電解質層が、前記第１の電極層と直接接触し、前記相互接続層が、前記第１の電極層と直接接触している、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の電極層が、イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 形成する工程が、第１の焼結温度において前記ＳＯＦＣユニットセルを等温で保持することを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１の電極層は、前記電解質層と直接接する第１の機能性層部分を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１の電極層は、前記第１の機能性層部分に直接接する第１のバルク層部分を含む、請求項５に記載の方法。
  7. 拡散接合が、前記相互接続層及び前記第１の電極層の構成要素間に形成される、請求項１に記載の方法。
  8. 前記単一の焼結プロセスが、大気圧の圧力にて行われる焼結プロセスである、請求項１に記載の方法。
  9. 前記焼結されたＳＯＦＣユニットセル上に第２の電極層の部分を形成する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記電解質層がジルコニアを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記ＳＯＦＣユニットセルが、１５０μｍ以下の平均反りを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記電解質層が、１ｍｍ以下の平均厚さを含み、前記相互接続層が、１ｍｍ以下の平均厚さを含み、前記電解質層が理論密度の少なくとも９５％の密度を含み、前記電解質層が、５体積％以下の多孔性を含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記電解質層が、前記第１の電極層のＣＴＥ未満の熱膨張率（ＣＴＥ）を含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記相互接続層が、前記第１の電極層のＣＴＥ未満の熱膨張率（ＣＴＥ）を含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記電解質層が、前記相互接続層のＣＴＥと同じ熱膨張率（ＣＴＥ）を含む、請求項１に記載の方法。
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