JP6437490B2 - セラミック相互接続材料および部分的に安定化したジルコニアを含む固体酸化物型燃料電池の相互接続 - Google Patents
セラミック相互接続材料および部分的に安定化したジルコニアを含む固体酸化物型燃料電池の相互接続 Download PDFInfo
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Description
互接続に関する。
も、固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、電解質として、硬い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、固体酸化物型
燃料電池では、酸素ガス、例えば、O2が、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ガスが、アノードにおいて、前記酸素イオンにより酸
化されて、水を形成する。
酸化物型燃料電池は、カソード、アノードおよび、前記カソードと前記アノードとの間の
固体状の電解質を含み得る。各セルは、他のセルと組み合わせられて、全体のSOFCス
タックを形成することができる、サブアッセンブリと見なされ得る。前記SOFCスタッ
クの組立てにおいて、電気的な相互接続は、一方のセルのカソードと他方のセルのアノー
ドとの間に配置され得る。
動により引き起こされる損傷に影響を受けやすくあり得る。特に、種々の構成を形成する
のに使用される材料、例えば、異なる組成のセラミックは、前記SOFC物品の故障およ
び機能不全をもたらし得る、異なる材料、化学的および電気的特性を示す。具体的には、
燃料電池は、温度における変化に対して、限られた耐性を有する。温度における変化によ
り引き起こされる機械的応力に関連する問題は、個々の燃料電池が積層された場合、増幅
され得る。前記燃料電池、特にスタックに組み立てられた燃料電池の限られた熱ショック
抵抗性は、生産性を制限し、動作中の機能不全のリスクを増大させ得る。
接続は、前記固体酸化物型燃料電池物品の第1の電極と第2の電極との間に配置される。
前記相互接続は、セラミック相互接続材料を含む第1の相と、部分的に安定化したジルコ
ニアを含む第2の相とを備える。前記部分的に安定化したジルコニアは、前記相互接続の
全体積の約0.1体積%と約70体積%との間の範囲にある。
される。前記方法は、セラミック相互接続材料と部分的に安定化したジルコニアとを焼成
する工程を含む。前記セラミック相互接続材料は、第1の相であり、前記部分的に安定化
したジルコニアは、前記第1の相に実質的に均一に分散された第2の相である。前記部分
的に安定化したジルコニアは、前記セラミック相互接続材料と前記部分的に安定化したジ
ルコニアとの全体積の約0.1体積%と約70体積%との間の範囲にある。
燃料電池物品は、相互接続と、第1の電極層と、第2の電極層とを備える。前記相互接続
は、セラミック相互接続材料を含む第1の相と、部分的に安定化したジルコニアを含む第
2の相とを備える。前記第1の電極層は、前記相互接続と直接接触する第1のセラミック
材料を含む。前記第2の電極層は、前記相互接続と直接接触する第2のセラミック材料を
含む。
の間に配置された相互接続とを備える、固体酸化物型燃料電池物品が開示される。前記相
互接続は、ランタンドープされたチタン酸ストロンチウム(LST)材料を含む第1の相
と、部分的に安定化したジルコニアを含む第2の相とを備える。前記部分的に安定化した
ジルコニアは、前記相互接続の全体積の約0.1体積%と約70体積%との間の範囲にあ
る。
ノードの間に配置された相互接続とを備える、固体酸化物型燃料電池物品が開示される。
前記相互接続は、第1の相と、第2の相とを備える。前記相互接続は、前記相互接続と前
記カソードとの界面において、第1の濃度の部分的に安定化したジルコニア、および、前
記相互接続と前記アノードとの界面において、第2の濃度の部分的に安定化したジルコニ
アを有する。前記第1の濃度は、前記第2の濃度とは異なる。
ることにより、より良好に理解され得る。
相互接続を形成する方法に関する。
形態が説明され、全体として100と指定される。方法100は、工程102において、
セラミック相互接続材料と部分的に安定化したジルコニアとを組み合わせること(例えば
、混合すること)を含む。具体的な実施形態では、前記セラミック相互接続材料と部分的
に安定化したジルコニアとは、従来のセラミック加工、例えば、ボールミル粉砕により混
合され得る。
ス中における、未焼結形成を改善するために、1つ以上のバインダーが、前記ボールミル
粉砕を終了する前に、前記混合物に添加されてもよい。例えば、前記バインダーは、0.
5wt%の、Celanese Chemicals Ltd(Dallas、Texa
s)からのポリビニルアルコール(PVA)であるCelvol 205、および、0.
75wt%の、Mallinckrodt Baker, Inc.(Paris、Ke
ntucky)からのポリエチレングリコール(PEG−400)を含み得る。
続を形成するために、前記セラミック相互接続材料と前記部分的に安定化したジルコニア
とを焼成することを含む。例えば、焼成は、約1200℃と約1650℃との間の範囲、
例えば、約1250℃と約1600℃との間の範囲または約1300℃と約1550℃と
の間の範囲にある焼成温度において行われ得る。前記焼成温度は、上記範囲のいずれか内
にあり得ることが理解されるであろう。
し得るように、電気導電性を提供するためのコネクタとしてである。前記相互接続の別の
機能は、前記アノード側における燃料ガス(例えば、H2またはCH4)を、前記カソー
ド側における酸化剤(例えば、空気)と混合することから防ぐためのガスセパレータとし
てである。前記相互接続における何らかクラックは、電子伝導面積の低下の原因となる場
合があり、ガスをクロスリークさせる場合があり、電子導電体およびガスセパレータとし
てのその機能を低下させる。このため、前記相互接続における何らかのクラックは、防止
されるべきである。
もよい。熱応力およびクラッキングは、前記セラミック相互接続材料と前記SOFC物品
の他の構成との、熱膨張係数(CTE)のミスマッチにより発生する場合がある。具体的
な実施形態では、前記部分的に安定化したジルコニアとしては、焼成温度において、正方
晶のt−ZrO2があげられる。前記正方晶のt−ZrO2は、前記焼成温度未満の、正
方晶から単斜への(t−m)相変換温度において、単斜であるm−ZrO2に遷移し得る
。前記部分的に安定化したジルコニアは、前記t−m相変換中に体積が変化し得る。例え
ば、前記部分的に安定化したジルコニアの体積変化は、約3体積%と約5体積%との間の
範囲にあり得る。
される。具体的な実施形態では、図2の相互接続202は、図1の方法100により形成
され得る。相互接続202は、セラミック相互接続材料を含む第1の相と、部分的に安定
化したジルコニアを含む第2の相とを備え得る。具体的な実施形態では、前記第2の相は
、基本的に、部分的に安定化したジルコニアからなり得る。図2に説明される具体的な実
施形態では、相互接続202は、第1の電極(例えば、カソード204)と第2の電極(
例えば、アノード206)との間に配置された1つの分離した相互接続層を含む。別の実
施形態では、相互接続202は、複数の分離した相互接続層を含み得る(例えば、図3を
参照のこと。)。
れる実施形態では、カソード204は、カソード・ボンディング層208、カソード・バ
ルク層210およびカソード機能層212を含む。さらに、図2に説明される実施形態で
は、アノード206は、アノード・ボンディング層214、アノード・バルク層216お
よびアノード機能層218を含む。このため、カソード・ボンディング層208は、相互
接続202に直接接触する第1の電極層(第1のセラミック材料を含む)であり得る。カ
ソード・バルク層210は、カソード・ボンディング層208と直接接触し得る。カソー
ド機能層212は、カソード・バルク層210と直接接触し得る。アノード・ボンディン
グ層214は、相互接続202に直接接触する第2の電極層(第2のセラミック材料を含
む)であり得る。アノード・バルク層216は、アノード・ボンディング層214と直接
接触し得る。アノード機能層218は、アノード・バルク層216と直接接触し得る。カ
ソード機能層212は、電解質層220と直接接触し得る。アノード機能層218は、別
の電解質層222と直接接触し得る。当業者であれば、図2に説明されるSOFC物品2
00が、更なる層を含んでもよいことを理解するであろう。例えば、SOFCスタックは
、複数のSOFCユニットセルを含んでもよく、それぞれが、カソードと、アノードと、
電解質とを含み、個々のSOFCユニットセルは、相互接続、例えば、図2の相互接続2
02を介して接続される。
いに組み立てられ得る。または、前記層は、互いの上で連続して未焼結状態で形成されて
もよい。本願明細書において、「未焼結」物品への言及は、焼きしまり、または結晶成長
に作用する焼成を受けていない材料への言及である。未焼結物品は、乾燥されてよく、低
含水量を有し得るが、焼成されていない、未完成の物品である。未焼結物品は、それ自体
および、その上に形成された他の未焼結層を支持するのに適した強度を有し得る。
ティング、堆積、印刷、押出、積層、ダイプレス、ゲル・キャスティング、スプレーコー
ティング、スクリーン印刷、ロール圧縮、射出成型およびそれらの組合せの技術により形
成され得る。1つの具体的な例では、前記各層は、スクリーン印刷により形成され得る。
別の実施形態では、前記各層は、テープ・キャスティング法により形成され得る。
ルコニアを含む第2の相とを備える。前記部分的に安定化したジルコニアは、相互接続2
02の全体積の約0.1体積%と約70体積%との間の範囲にある。例えば、前記部分的
に安定化したジルコニアは、約1体積%と約70体積%との間の範囲、例えば、約5体積
%と約70体積%との間の範囲、約10体積%と約70体積%との間の範囲、約15体積
%と約70体積%との間の範囲、または、約20体積%と約70体積%との間の範囲にあ
る。別の例としては、前記部分的に安定化したジルコニアは、約1体積%と約50体積%
との間の範囲、約5体積%と約50体積%との間の範囲、約10体積%と約50体積%と
の間の範囲、約15体積%と約50体積%との間の範囲、約20体積%と約50体積%と
の間の範囲、または、約20体積%と約40体積%との間の範囲にあってもよい。前記部
分的に安定化したジルコニアの体積パーセントは、上記範囲のいずれか内にあり得ること
が理解されるであろう。
TiO3を含んでもよく、xは、約0.001以上であり、xは、約0.50以下である
。すなわち、前記セラミック相互接続材料は、本願明細書において、「LST」材料と呼
ばれる、ランタンドープされたチタン酸ストロンチウム材料を含んでもよい。非限定的な
例示となる実施形態では、xは、約0.2(すなわち、La0.2Sr0.8TiO3)
でもよく、本願明細書では、「LST28」と呼ばれる。
O3を含んでもよく、xは、約0.001以上であり、xが、約0.50以下であり、y
は、約0.001以上であり、yは、約0.25以下である。すなわち、前記セラミック
相互接続材料は、本願明細書では、「LSTN」材料と呼ばれる、Nb2O5でさらにド
ープされたLSTを含んでもよい。例えば、前記Nb2O5ドーパントの含有量は、約0
.01モル%以上、例えば、約0.1モル%以上、またはさらに、約0.5モル%以上で
あり得る。別の例としては、前記Nb2O5ドーパントの含有量は、約12.0モル%以
下、例えば、約11.0モル%以下、約10.0モル%以下、約9.0モル%以下、また
はさらに、約8.0モル%以下であり得る。前記Nb2O5ドーパントの含有量は、上記
最小値と最大値のいずれをも含む範囲内にあり得ることが理解されるであろう。例示とな
る非限定的な実施形態では、前記Nb2O5ドーパントの含有量は、約0.5モル%のN
b2O5と約8.0モル%のNb2O5との間の範囲にあり得る。例えば、前記Nb2O
5ドーパントの含有量は、約4.0モル%のNb2O5でもよく、本願明細書では、「L
STN4.0」と呼ばれる。別の例として、前記Nb2O5ドーパントの含有量は、約6
.0モル%のNb2O5でもよく、本願明細書では、「LSTN6.0」と呼ばれる。
FC物品の他の構成、特に前記相互接続に隣接する、および/または、前記相互接続と直
接接触する構成との、熱膨張係数(CTE)のミスマッチにより発生する場合がある。具
体的な実施形態では、相互接続材料は、前記相互接続と直接接触する前記SOFC物品の
別の構成、例えば、アノード機能層(AFL)、カソード機能層(CFL)、アノード・
ボンディング層またはカソード・ボンディング層等のCTE値と、より密接にマッチする
CTEを有するように選択され得る。少なくとも1つの実施形態では、前記相互接続材料
は、高温からのSOFC物品の冷却により、相互接続が圧縮状態に置かれ得るように、前
記相互接続と直接接触する構成のCTEより低いCTEを有し得る。これらの実施形態で
は、前記相互接続材料と他の構成との間のCTEの差(ΔCTE)は、約0.9℃×10
−6/K以下、例えば、約0.8℃×10−6/K以下、例えば、約0.7℃×10−6
/K未満、例えば、約0.6℃×10−6/K未満、例えば、約0.5℃×10−6/K
未満、例えば、約0.4℃×10−6/K未満、例えば、約0.3℃×10−6/K未満
、例えば、約0.2℃×10−6/K未満であり得る。一実施形態では、前記相互接続材
料と前記他の構成との間のΔCTEは、好ましくは、約0.1℃×10−6/Kより大き
く、例えば、約0.2℃×10−6/Kより大きい。
成のCTEより高いCTEを有してもよい。これらの実施形態では、前記相互接続材料と
前記他の構成との間のCTEの差(ΔCTE)は、約0.9℃×10−6/K未満、例え
ば、約0.8℃×10−6/K未満、例えば、約0.7℃×10−6/K未満、例えば、
約0.6℃×10−6/K未満、例えば、約0.5℃×10−6/K未満、例えば、約0
.4℃×10−6/K未満、例えば、約0.3℃×10−6/K未満、例えば、約0.2
℃×10−6/K未満であり得る。一実施形態では、前記相互接続材料と前記他の構成と
の間のΔCTEは、約0.1℃×10−6/Kより大きく、例えば、約0.2℃×10−
6/Kより大きくてもよい。
.3℃×10−6/K未満、例えば、約11.2℃×10−6/K未満、例えば、約11
.1℃×10−6/K未満、および、約10.9℃×10−6/Kより大きい、例えば、
約11.0℃×10−6/Kより大きくあり得る、1200℃で測定されたCTEを有す
る。一実施形態では、前記相互接続材料は、約11.0℃×10−6/K未満、例えば、
約10.8℃×10−6/K未満、および、約10.4℃×10−6/Kより大きい、例
えば、約10.5℃×10−6/Kより大きくあり得る、900℃で測定されたCTEを
有する。具体的な実施形態では、前記相互接続材料は、LSTN6.0を含む。別の具体
的な実施形態では、前記相互接続の少なくとも1つの分離した層は、LSTN6.0を含
む。
yO3を含んでもよく、xは、約0.001以上であり、xは、約0.50以下であり、
yは、約0.001以上であり、yは、約0.70以下である。別の実施形態では、前記
セラミック相互接続材料は、Sr1−1.5zYzTiO3を含んでもよく、zは、約0
.001以上であり、zは、約0.30以下である。別の実施形態では、前記セラミック
相互接続材料は、Sr1−0.5kNbkTi1−kO3を含んでもよく、kは、約0.
001以上であり、kは、約0.30以下である。
う。例示となる非限定的な例としては、相互接続202は、第1のセラミック相互接続材
料(例えば、LST28)と、第2のセラミック相互接続材料(例えば、LSTN4.0
またはLSTN6.0)とを含んでもよい。さらに、相互接続202は、相互接続202
とカソード204との界面(すなわち、「カソード界面」224)において、第1の濃度
のセラミック材料を有してもよく、相互接続202とアノード206との界面(すなわち
、「アノード界面」226)において、異なる濃度の前記セラミック材料を有してもよい
。
は、約100μm以下、例えば、約90μm以下、約80μm以下、約70μm以下、約
60μm以下、またはさらに、約50μm以下の平均厚みを有し得る。さらに、相互接続
202は、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上、
またはさらに、約10μm以上の平均厚みを有し得る。相互接続202は、上記最小値と
最大値のいずれをも含む範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
えば、約30μm以下、約20μm以下、約15μm以下または約10μm以下の平均粒
径(「A」)を有し得る。前記平均粒径Aは、約0.05μm以上、例えば、0.1μm
以上、約0.5μm以上、約1μm以上または約2μm以上でもよい。前記セラミック相
互接続材料は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均粒径Aを有し得ること
が理解されるであろう。
B」)を有し得る。前記平均粒径Bは、約20μm以下、例えば、約10μm以下、約9
μm以下、約8μm以下、約7μm以下、約6μm以下または約5μm以下であり得る。
前記平均粒径Bは、約0.01μm以上、例えば、約0.05μm以上、約0.1μm以
上、約0.5μm以上または約1μm以上でもよい。前記部分的に安定化したジルコニア
は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均粒径Bを有し得ることが理解され
るであろう。
と平均粒径Aとの間の粒径におけるパーセント差は、式:[(A−B)/A]*100%
に基づいて決定され得る。具体的な実施形態では、前記第2の相の平均粒径Bは、前記第
1の相の平均粒径Aよりも少なくとも約5%小さくてよく、例えば、前記平均粒径Aより
も少なくとも約10%小さく、前記平均粒径Aよりも少なくとも約15%小さく、または
、前記平均粒径Aよりも少なくとも約20%小さくてよい。具体的な実施形態では、前記
第2の相の平均粒径Bは、前記第1の相の平均粒径Aよりも約90%以下小さくてよく、
例えば、前記平均粒径Aよりも約80%以下小さく、前記平均粒径Aよりも約70%以下
小さく、または、前記平均粒径Aよりも約60%以下小さくてよい。平均粒径Bと平均粒
径Aとの間の粒径におけるパーセント差は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内
にあり得ることが理解されるであろう。
得、部分的に安定化したジルコニアを含む第2の相は、前記第1の相に実質的に均一に分
散された不連続の相であり得る。前記第2の相の内容物の大部分は、前記第1の相の結晶
粒界に配置され得る。実例となる例として、図16は、(3YSZを含む)前記第2の相
の内容物の大部分が、(前記セラミック相互接続材料であるLSTN4.0を含む)前記
第1の相の結晶粒界に配置される、相互接続材料(LSTN4.0−3Y10)の(10
k拡大での)SEM画像を含む。
の部分的に安定化したジルコニア(「PSZ1」)を有してもよい。相互接続202は、
アノード界面226において、第2の濃度の部分的に安定化したジルコニア(「PSZ2
」)を有してもよい。カソード界面224における第1の濃度PSZ1は、アノード界面
226における第2の濃度PSZ2と異なってもよい。例えば、アノード界面226にお
ける第2の濃度PSZ2(例えば、体積%PSZ)は、カソード界面224における第1
の濃度PSZ1(例えば、体積%PSZ)より高くてもよい。具体的な実施形態では、相
互接続202は、相互接続202の厚み(すなわち、カソード界面224とアノード界面
226とにより規定される相互接続202の寸法)にわたって、前記部分的に安定化した
ジルコニアに関する濃度勾配を有し得る。例えば、前記部分的に安定化したジルコニアの
濃度は、アノード界面226からカソード界面224に、相互接続202の厚みにわたっ
て低下してもよい。一実施形態では、カソード界面224での第1の濃度PSZ1は、実
質的にゼロであり得る。
ニアの濃度のパーセント差は、式:[(PSZ2−PSZ1)/PSZ2]*100%に
基づいて決定され得る。具体的な実施形態では、カソード界面224における第1の濃度
PSZ1は、アノード界面226における第2の濃度PSZ2の、少なくとも約5%低く
てもよく、例えば、前記第2の濃度PSZ2よりも少なくとも約10%低く、前記第2の
濃度PSZ2よりも少なくとも約20%低く、前記第2の濃度PSZ2よりも少なくとも
約30%低く、前記第2の濃度PSZ2よりも少なくとも約40%低く、または、前記第
2の濃度PSZ2よりも少なくとも約50%低くてもよい。具体的な実施形態では、カソ
ード界面224における第1の濃度PSZ1は、アノード界面226における第2の濃度
PSZ2よりも約100%以下低くてもよく、例えば、前記第2の濃度PSZ2よりも約
99.9%以下低く、前記第2の濃度PSZ2よりも約99.5%以下低く、前記第2の
濃度PSZ2よりも約99%以下低く、前記第2の濃度PSZ2よりも約98%以下低く
、または、前記第2の濃度PSZ2よりも約95%以下低くてもよい。カソード界面22
4とアノード界面226との間における、部分的に安定化したジルコニアの濃度のパーセ
ント差は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内にあり得ることが理解されるであ
ろう。
な実施形態では、前記部分的に安定化したジルコニアは、前記部分的に安定化したジルコ
ニアの総モルにおける、約0.1モル%以上の安定化酸化物、例えば、約0.2モル%以
上の安定化酸化物、約0.3モル%以上の安定化酸化物、約0.4モル%以上の安定化酸
化物、または、約0.5モル%以上の安定化酸化物を含む。前記部分的に安定化したジル
コニアは、前記部分的に安定化したジルコニアの総モルにおける、約8.0モル%以下の
安定化酸化物、例えば、約7.0モル%以下の安定化酸化物、約6.0モル%以下の安定
化酸化物、約5.0モル%以下の安定化酸化物、約4.0モル%以下の安定化酸化物、ま
たは、約3.5モル%以下の安定化酸化物を含み得る。前記部分的に安定化したジルコニ
アは、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内における、モルパーセントの安定化酸
化物を含み得ることが理解されるであろう。
たはそれらの組合せを含み得る。具体的な実施形態では、前記安定化酸化物は、Y2O3
を含む。例えば、前記部分的に安定化したジルコニアは、ZrO2と、約1.0モル%の
Y2O3および約5.0モル%のY2O3の間の範囲、例えば、約2.0モル%のY2O
3および約4.0モル%のY2O3の間の範囲、または、約2.5モル%のY2O3およ
び約3.5モル%のY2O3の間の範囲でのY2O3とを含み得る。例示となる非限定的
な実施形態では、前記部分的に安定化したジルコニアは、ZrO2と、約1.0モル%の
Y2O3および約5.0モル%のY2O3の間の範囲でのY2O3とを含む。例えば、前
記部分的に安定化したジルコニアは、約3.0モル%のY2O3を含み得る。Y2O3の
モルパーセントは、上記範囲のいずれか内にあり得ることが理解されるであろう。
物品200の動作温度における、単相の正方晶であるt−ZrO2を含み得る。別の実施
形態では、前記部分的に安定化したジルコニアは、固体酸化物型燃料電池物品200の動
作温度における、2つの相の正方晶であるt−ZrO2と、立方晶であるf−ZrO2と
を含み得る。例えば、前記動作温度は、約700℃と約1000℃との間の範囲、例えば
、約750℃と約950℃との間の範囲、または、約800℃と約900℃との間の範囲
にあり得る。固体酸化物型燃料電池物品200の動作温度は、上記範囲のいずれか内にあ
り得ることが理解されるであろう。
斜(t−m)への相変換を受け得る。前記t−m相変換中、前記部分的に安定化したジル
コニアを含む第2の相は、約3体積%と約5体積%との間の範囲で、体積が変化し得る。
具体的な実施形態では、前記部分的に安定化したジルコニアは、前記固体酸化物型燃料電
池物品の動作温度未満のt−m相変換温度で、前記t−m相変換を受け得る。
約0.1体積%以上、約0.2体積%以上または約0.5体積%以上であり得る。相互接
続202の気孔率は、約5体積%以下、例えば、約4体積%以下、約3体積%以下または
約2体積%以下でもよい。相互接続202は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲
内の気孔率を有し得ることが理解されるであろう。
2を含むフォーミングガス雰囲気において、(例えば、約800℃、約900℃または約
1000℃の温度で、)約1S/cm以上、例えば、約2S/cm以上、約3S/cm以
上、約4S/cm以上または約5S/cm以上の体積導電性を有し得る。相互接続202
は、約4体積%のH2および約96体積%のN2を含むフォーミングガス雰囲気において
、約25S/cm以下、例えば、約20S/cm以下または約15S/cm以下の体積導
電性を有してもよい。相互接続202は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の
、フォーミングガス雰囲気における体積導電性を有し得ることが理解されるであろう。
以上、約50MPa以上、約55MPa以上、約60MPa以上、約65MPa以上、約
70MPa以上、約75MPa以上、約80MPa以上、約85MPa以上または約90
MPa以上の2軸曲げ強度を有し得る。相互接続202は、約200MPa以下、例えば
、約190MPa以下または約180MPa以下の2軸曲げ強度を有してもよい。相互接
続202は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の2軸曲げ強度を有し得ること
が理解されるであろう。
材料があげられる。特に、前記カソードは、ペロブスカイト型結晶構造のカソード組成を
与える、ドープされたマンガン酸ランタン材料から製造され得る。したがって、前記ドー
プされたマンガン酸ランタン材料は、式(La1−xAx)yMnO3−δで表される一
般組成を有し、前記式中、前記ドーパント材料は、「A」で指定され、前記材料内で、前
記ペロブスカイト型結晶構造のA−部位上で、ランタン(La)に対して置換される。前
記ドーパント材料は、アルカリ土類金属、鉛または、一般的には、約0.4と0.9オン
グストロームとの間の原子比を有する二価のカチオンから選択され得る。したがって、一
実施形態に基づいて、前記ドーパント材料は、Mg、Ba、Sr、Ca、Co、Ga、P
bおよびZrからなる元素の群から選択される。具体的な実施形態に基づいて、前記ドー
パントは、Srであり、カソード・バルク層210は、LSMとして一般的に知られる、
マンガン酸ランタン・ストロンチウム材料を含み得る。例示となる実施形態では、カソー
ド・ボンディング層208は、LSM材料と、YSZとして一般的に知られる、イットリ
ア安定化ジルコニウムとを含み得る。
基づいて、存在する原子の種類、結晶構造内の空孔の割合および、原子の比、特に、前記
カソード材料内のLa/Mnの比等のパラメータが、前記燃料電池の動作中に、前記カソ
ード/電解質界面での導電性−制限組成の形成を管理するのに提供される。前記導電性−
制限組成の形成は、前記セルの効率を低下させ、前記SOFCの寿命を低下させる。一実
施形態に基づいて、前記ドープされたマンガン酸ランタン・カソード材料は、(La1−
xAx)yMnO3−δを含み、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。前記ドープされたマンガン酸ランタン組成内の
xの値は、前記構造内のLaに対して置換されたドーパントの量を表す。カソードの化学
量論のさらなる参照において、前記一般式(La1−xAx)yMnO3−δにおけるy
の値は、結晶格子内のA−部位上の原子の占有率を表す。別の考え方では、yの値は、1
.0から差し引いて、前記結晶格子内のA−部位上の空孔の割合を表し得る。本開示ため
に、1.0未満のyの値を有するドープされたマンガン酸ランタン材料は、前記結晶格子
内のA−部位が100%占有されないため、「A−部位欠乏」構造と呼ぶ。
がって、カソード・バルク層210の組成は、(La1−xSrx)yMnO3−δであ
り、xが、約0.5以下、例えば、約0.4、0.3、0.2以下、またはさらに、約0
.1以下、特に約0.3と約0.05との間の範囲内である。具体的な実施形態では、前
記yの値は、約1.0以下である。例示となる非限定的な実施形態では、xは、約0.2
であり、yは、約0.98である。したがって、カソード・バルク層210は、(La0
.8Sr0.2)0.98MnO3の組成を有するLSM材料を含む。先に記載の実施形
態で提供されたように、A−部位欠乏の、ドープされたマンガン酸ランタン組成を有する
カソードは、前記燃料電池の動作中における、前記カソード/電解質界面での導電性−制
限組成の形成を低下させ得る。
得る。典型的には、前記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でドープされ得る。ドープされたL
a−フェライト系材料としては、例えば、LaSrCo−フェライト(LSCF)(例え
ば、La1−gSrqCo1−jFejO3、ここでqおよびjは、それぞれ独立して、
0.1以上および0.4以下であり、(La+Sr)/(Fe+Co)は、約1.0と約
0.90(モル比)との間の範囲にある。1つの具体的な実施形態では、前記カソードは
、La−マンガナイトおよびLa−フェライト材料の混合物を含み得る。例えば、前記カ
ソードは、LaSr−マンガナイト(LSM)(例えば、La1−kSrkMnO3)お
よびLaSrCo−フェライト(LSCF)を含み得る。一般的な例としては、(La0
.8Sr0.2)0.98Mn3+−Δ(Δは、ゼロ以上および0.3以下である。)な
らびに、La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3があげられる。
0.20mm以上、またはさらに、約0.25mm以上の平均厚みを有し得る。さらに、
カソード・バルク層210は、約2mm以下、例えば、約1.9mm以下、約1.8mm
以下、約1.7mm以下、約1.6mm以下、またはさらに、約1.5mm以下の平均厚
みを有してもよい。カソード・バルク層210は、上記最小値と最大値のいずれをも含む
範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
積%と約60体積%との間の範囲内の気孔率を有する、多孔層でもよい。カソード・バル
ク層210は、カソード機能層212またはカソード・ボンディング層208内の孔の平
均孔径より、顕著に大きい平均孔径を有し得る。
80μm以下、約70μm以下、約60μm以下、またはさらに、約50μm以下の平均
厚みを有し得る。さらに、カソード・ボンディング層208は、約5μm以上、約6μm
以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上、またはさらに、約10μm以上の平
均厚みを有してもよい。カソード・ボンディング層208は、上記最小値と最大値のいず
れをも含む範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積
%以上、またはさらに、約12体積%以上であり得る。さらに、カソード・ボンディング
層208の気孔率は、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下
、約45体積%以下、またはさらに、約40体積%以下であり得る。カソード・ボンディ
ング層208は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の気孔率を有し得ることが
理解されるであろう。
下、約70μm以下、約60μm以下、またはさらに、約50μm以下の平均厚みを有し
得る。さらに、カソード機能層212は、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、
約8μm以上、約9μm以上、またはさらに、約10μm以上の平均厚みを有してもよい
。カソード機能層212は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均厚みを有
し得ることが理解されるであろう。
50体積%との間の範囲内の気孔率を有する、多孔層でもよい。カソード機能層212は
、カソード・バルク層210内の孔の平均孔径より、顕著に小さい平均孔径を有し得る。
組合せを含み得る。例えば、アノード・バルク層216は、ニッケルおよびYSZで形成
され得る。前記ニッケルは、一般的には、前記アノードの前駆体、例えば、熱処理された
未焼結セラミック組成物に含まれるニッケル酸化物の還元により産生される。すなわち、
アノード・バルク層216は、ニッケル酸化物およびYSZ(還元前)、または、ニッケ
ルおよびYSZ(還元後)を含んでもよい。アノード・ボンディング層214も、ニッケ
ル酸化物およびYSZ(還元前)、または、ニッケルおよびYSZ(還元後)を含んでも
よい。
0.20mm以上、またはさらに、約0.25mm以上の平均厚みを有し得る。さらに、
アノード・バルク層216は、約2mm以下、例えば、約1.9mm以下、約1.8mm
以下、約1.7mm以下、約1.6mm以下、またはさらに、約1.5mm以下の平均厚
みを有してもよい。アノード・バルク層216は、上記最小値と最大値のいずれをも含む
範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
積%と約60体積%との間の範囲内の気孔率を有する、多孔層でもよい。アノード・バル
ク層216は、アノード機能層218またはアノード・ボンディング層214内の孔の平
均孔径より、顕著に大きい平均孔径を有し得る。
80μm以下、約70μm以下、約60μm以下、またはさらに、約50μm以下の平均
厚みを有し得る。さらに、アノード・ボンディング層214は、約5μm以上、約6μm
以上、約7μm以上、約8μm以上、約9μm以上、またはさらに、約10μm以上の平
均厚みを有してもよい。アノード・ボンディング層214は、上記最小値と最大値のいず
れをも含む範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
上、約7体積%以上、約8体積%以上、約9体積%以上、約10体積%以上、約11体積
%以上、またはさらに、約12体積%以上であり得る。さらに、アノード・ボンディング
層214の気孔率は、約60体積%以下、例えば、約55体積%以下、約50体積%以下
、約45体積%以下、またはさらに、約40体積%以下でもよい。アノード・ボンディン
グ層214は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の気孔率を有し得ることが理
解されるであろう。
下、約70μm以下、約60μm以下、またはさらに、約50μm以下の平均厚みを有し
得る。さらに、アノード機能層218は、約5μm以上、約6μm以上、約7μm以上、
約8μm以上、約9μm以上、またはさらに、約10μm以上の平均厚みを有してもよい
。アノード機能層218は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均厚みを有
し得ることが理解されるであろう。
50体積%との間の範囲内の気孔率を有する、多孔層でもよい。アノード機能層218は
、アノード・バルク層216内の孔の平均孔径より、顕著に小さい平均孔径を有し得る。
電解質層220、222は、酸化物材料を含み得る。一部の適切な酸化物は、ジルコニア
(ZrO2)、およびより具体的には、他の元素を包含し得るジルコニア系材料、例えば
、安定剤またはドーパントを含み得、それらは、例えば、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)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)およびそ
れらの組合せ等の元素を含み得る。適切な電解質材料の具体的な例は、Sc2O3−ドー
プされたZrO2、Y2O3−ドープされたZrO2、Yb2O3−ドープされたZrO
2、Sc2O3−ドープされ、CeO2ドープされたZrO2およびそれらの組合せを含
み得る。前記電解質層は、セリア(CeO2)、ならびにより具体的には、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、Y
2O3−ドープされたCeO2およびCaO−ドープされたCeO2も含み得る。前記電
解質材料は、ランタン系材料、例えば、LaGaO3も含み得る。前記ランタン系材料は
、具体的な元素、例えば、制限されず、Ca、Sr、Ba、Mg、Co、Ni、Feおよ
びそれらの組合せによりドープされ得る。具体的には、前記電解質材料は、マンガン酸ラ
ンタン・ストロンチウム(LSM)材料を含み得る。一部の例示となる電解質材料として
は、La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.2O3、La0.8Sr0.2Ga0.8
Mn0.15Co0.5O3、La0.9Sr0.1Ga0.8Mn0.2O3、LaS
rGaO4、LaSrGa3O7またはLa0.9A0.1GaO3があげられ、Aは、
Sr、CaまたはBaの群からの元素の1つを表す。1つの具体的な実施形態に基づいて
、電解質層101は、8モル%のY2O3でドープされたZrO2(すなわち、8モル%
のY2O3−ドープされたZrO2)で製造され得る。前記8モル%のY2O3は、熱反
応特性を促進し、前記電解質材料の加工特性を改善するために、特定のドーパント、例え
ば、Alおよび/またはMnを有し得る。他の例示となる電解質材料は、ドープされたイ
ットリウム−ジルコン酸(例えば、Y2Zr2O7)、ドープされたガドリニウム−チタ
ン酸(例えば、Gd2Ti2O7)およびブラウンミラライト(例えば、Ba2In2O
6またはBa2In2O5)を含み得る。
約300ミクロン以下、約200ミクロン以下、約100ミクロン以下、約80ミクロン
以下、約50ミクロン以下、またはさらに、約25ミクロン以下の平均厚みを有し得る。
さらに、電解質層220、222は、少なくとも約1ミクロン、例えば、少なくとも約2
ミクロン、少なくとも約5ミクロン、少なくとも約8ミクロンまたは少なくとも約10ミ
クロンの平均厚みを有し得る。電解質層220、222は、上記いずれの最小値と最大値
の間の範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
される。図3の例示となる非限定的な実施形態では、相互接続302は、第1の分離した
相互接続層304と、第2の分離した相互接続層306とを備える。第1の分離した相互
接続層304および第2の分離した相互接続層306は、カソード204とアノード20
6との間に配置される。
的に安定化したジルコニアを有し得る。第2の分離した相互接続層306は、アノード界
面226において、第2の濃度の部分的に安定化したジルコニアを有し得る。アノード界
面226における前記部分的に安定化したジルコニアの第2の濃度は、カソード界面22
4における前記部分的に安定化したジルコニアの第1の濃度より高くてもよい。具体的な
実施形態では、第1の分離した相互接続層304は、部分的に安定化したジルコニアを実
質的に含まなくてもよい。実例となる例として、第1の分離した相互接続層304は、セ
ラミック相互接続材料(例えば、LSTN4.0)を含み得る。第2の分離した相互接続
層306は、セラミック相互接続材料(例えば、LSTN4.0)と、部分的に安定化し
たジルコニアとを含み得る。
る。さらに、第2の分離した相互接続層306は、図2の相互接続202の厚み未満の厚
みを有し得る。具体的な実施形態では、第1の分離した相互接続層304と第2の分離し
た相互接続層306の組み合わせた合計厚みは、図2の相互接続202の厚みと約同一で
あり得る。一実施形態では、第1の分離した相互接続層304の厚みは、第2の分離した
相互接続層306の厚みと約同一であり得る。または、第1の分離した相互接続層304
の厚みは、第2の分離した相互接続層306の厚みとは異なってもよい。例示となる非限
定的な例としては、第2の分離した相互接続層306は、セラミック相互接続材料(例え
ば、LSTN4.0)と、部分的に安定化したジルコニアとを含むことができ、第1の分
離した相互接続層304より厚くてもよい。
、約45μm以下、約40μm以下、約35μm以下、約30μm以下または約25μm
以下の平均厚みを有し得る。第1の分離した相互接続層304は、約2μm以上、約3μ
m以上、約4μm以上または約5μm以上の平均厚みを有してもよい。第1の分離した相
互接続層304は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均厚みを有し得るこ
とが理解されるであろう。
0μm以下、約35μm以下、約30μm以下または約25μm以下の平均厚みを有し得
る。第2の分離した相互接続層306は、約2μm以上、約3μm以上、約4μm以上ま
たは約5μm以上の平均厚みを有し得る。第2の分離した相互接続層306は、上記最小
値と最大値のいずれをも含む範囲内の平均厚みを有し得ることが理解されるであろう。
%以上、例えば、約0.1体積%以上、約0.2体積%以上または約0.5体積%以上で
あり得る。第1の分離した相互接続層304の気孔率は、約5体積%以下、例えば、約4
体積%以下、約3体積%以下または約2体積%以下でもよい。第1の分離した相互接続層
304は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の気孔率を有し得ることが理解さ
れるであろう。
%以上、例えば、約0.1体積%以上、約0.2体積%以上または約0.5体積%以上で
あり得る。第2の分離した相互接続層306の気孔率は、約5体積%以下、例えば、約4
体積%以下、約3体積%以下または約2体積%以下でもよい。第2の分離した相互接続層
306は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の気孔率を有し得ることが理解さ
れるであろう。
約96体積%のN2を含むフォーミングガス雰囲気において、(例えば、約800℃、約
900℃または約1000℃の温度で、)約1S/cm以上、例えば、約2S/cm以上
、約3S/cm以上、約4S/cm以上または約5S/cm以上の体積導電性を有し得る
。第1の分離した相互接続層304は、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の、
フォーミングガス雰囲気における体積導電性を有し得ることが理解されるであろう。
むフォーミングガス雰囲気において、約25S/cm以下、例えば、約20S/cm以下
または約15S/cm以下の体積導電性を有し得る。第2の分離した相互接続層306は
、上記最小値と最大値のいずれをも含む範囲内の、フォーミングガス雰囲気における体積
導電性を有し得ることが理解されるであろう。
2を含む部分的に安定化したジルコニアを意味するのに使用されるであろう。実例となる
実施例として、「LST28−3Y5」の用語は、約5体積%の部分的に安定化したジル
コニア(すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、
約95体積%のLST28セラミック相互接続材料とを含む材料を意味するのに使用され
るであろう。「LST28−3Y10」の用語は、約10体積%の部分的に安定化したジ
ルコニア(すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と
、約90体積%のLST28とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「LST
28−3Y15」の用語は、約15体積%の部分的に安定化したジルコニア(すなわち、
約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約85体積%のLS
T28とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「LST28−3Y20」の用
語は、約20体積%の部分的に安定化したジルコニア(すなわち、約3.0モル%のY2
O3により部分的に安定化したZrO2)と、約80体積%のLST28とを含む材料を
意味するのに使用されるであろう。
すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約95体
積%のLSTN4.0セラミック相互接続材料とを含む材料を意味するのに使用されるで
あろう。「LSTN4.0−3Y10」の用語は、約10体積%の部分的に安定化したジ
ルコニア(すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と
、約90体積%のLSTN4.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「L
STN4.0−3Y15」の用語は、約15体積%の部分的に安定化したジルコニア(す
なわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約85体積
%のLSTN4.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「LSTN4.0
−3Y20」の用語は、約20体積%の部分的に安定化したジルコニア(すなわち、約3
.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約80体積%のLSTN
4.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。
すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約95体
積%のLSTN6.0セラミック相互接続材料とを含む材料を意味するのに使用されるで
あろう。「LSTN6.0−3Y10」の用語は、約10体積%の部分的に安定化したジ
ルコニア(すなわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と
、約90体積%のLSTN6.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「L
STN6.0−3Y15」の用語は、約15体積%の部分的に安定化したジルコニア(す
なわち、約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約85体積
%のLSTN6.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。「LSTN6.0
−3Y20」の用語は、約20体積%の部分的に安定化したジルコニア(すなわち、約3
.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)と、約80体積%のLSTN
6.0とを含む材料を意味するのに使用されるであろう。
例示となる相互接続材料を、セラミック相互接続材料と、部分的に安定化したジルコニ
アとから形成した。部分的に安定化したジルコニアを含む各例示となる相互接続材料につ
いての収縮速度(dL/dT)を、比較のために、部分的に安定化したジルコニアを含ま
ない相互接続材料と共に、膨張率測定により測定した。具体的には、LST28−3Y5
、LST28−3Y10、LST28−3Y15およびLST28−3Y20の収縮速度
を測定し、LST28の収縮速度と比較した。LSTN4.0−3Y5、LSTN4.0
−3Y10、LSTN4.0−3Y15およびLSTN4.0−3Y20の収縮速度を測
定し、LSTN4.0の収縮速度と比較した。LSTN6.0−3Y5、LSTN6.0
−3Y10、LSTN6.0−3Y15およびLSTN6.0−3Y20の収縮速度を測
定し、LSTN6.0の収縮速度と比較した。前記dL/dT曲線のピーク温度を、各例
示となる相互接続材料について決定した。
セントに基づく、セラミック相互接続材料と、部分的に安定化したジルコニアとを含む例
示となる相互接続材料のピーク温度を説明する。図4は、LST28、LSTN4.0お
よびLSTN6.0への前記部分的に安定化したジルコニアの添加により、前記ピーク温
度が低下し、改善された易焼結性を示すことを説明する。
93℃から約1435℃に低下した。前記LSTN4.0に関するピーク温度は、LST
N4.0−3Y5について、約1392℃から約1316℃に低下した。前記LSTN6
.0に関するピーク温度は、LSTN6.0−3Y5について、約1361℃から約13
11℃に低下した。
American Elements(Los Angeles、Calif.)から
入手可能なLST28と、Tosoh USAから入手可能な部分的に安定化したジルコ
ニア(約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル
粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積
の約5体積%とした。得られたLST28−3Y5の混合物を、約1320℃の温度で約
1時間の期間自由焼成した。図5は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSE
M画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST28
−3Y10の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図6は、前
記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST28
−3Y15の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図7は、前
記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST28
−3Y20の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図8は、前
記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
28−3Y15およびLST28−3Y20)の相対密度を、前記自由焼成工程後に決定
した。自由焼成後の前記各例示となる相互接続材料の密度を、アルキメデス法を使用して
測定した。前記各例示となる相互接続材料の理論密度を、3YSZ、LST28、LST
N4.0およびLSTN6.0の理論密度を使用して、混合法則に基づいて決定した。前
記各例示となる相互接続材料の相対密度パーセントを、前記測定された密度を、前記理論
密度で割ることにより決定した。
度の約87.8%と決定した。前記LST28−3Y10の相対密度を、約79.3%と
決定した。前記LST28−3Y15の相対密度を、約77.1%と決定した。前記LS
T28−3Y20の相対密度を、75%と決定した。
28−3Y15およびLST28−3Y20)の2軸曲げ強度を、前記自由焼成工程後に
決定した。前記各例示となる相互接続材料の2軸曲げ強度を、サポートリング(直径=2
0mm)と自由焼成後のディスク試料(直径=25.4mmおよび厚み=2mm)上のロ
ードリング(直径=9.5mm)による、ring on ring技術(ASTM−C
1499−04)により測定した。前記試料を含むディスク試料を壊すまでの最大負荷の
大きさを、前記例示となる相互接続材料の2軸曲げ強度を決定するのに使用した。
、LST28−3Y15およびLST28−3Y20)の2軸曲げ強度(MPa)を説明
する。
ST28についての38.5MPaの2軸曲げ強度と比較して、約48.6MPaと決定
した。前記LST28−3Y10の2軸曲げ強度を、約60.3MPaと決定した。前記
LST28−3Y15の2軸曲げ強度を、約59.3MPaと決定した。前記LST28
−3Y20の2軸曲げ強度を、63.9MPaと決定した。
American Elements(Los Angeles、Calif.)から
入手可能なLST28と、Tosoh USAから入手可能な部分的に安定化したジルコ
ニア(約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル
粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積
の約5体積%とした。得られたLST28−3Y5の混合物を、約1500℃の温度で約
1時間の期間自由焼成した。図10は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのS
EM画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST28
−3Y10の混合物を、約1500℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図11は、
前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST28
−3Y15の混合物を、約1500℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図12は、
前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST28
−3Y20の混合物を、1500℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図13は、前
記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
28−3Y15およびLST28−3Y20)の相対密度を、前記自由焼成工程後に決定
した。前記相対密度を、実施例2に記載のように決定した。
度の約101.7%と決定した。前記LST28−3Y10の相対密度を、約101.6
%と決定した。前記LST28−3Y15の相対密度を、約101.3%と決定した。前
記LST28−3Y20の相対密度を、約101.4%と決定した。
28−3Y15およびLST28−3Y20)の2軸曲げ強度を、前記自由焼成工程後に
決定した。前記2軸曲げ強度を、実施例2に記載のように決定した。
0、LST28−3Y15およびLST28−3Y20)の2軸曲げ強度(MPa)を説
明する。
ST28についての62.59MPaの2軸曲げ強度と比較して、約56.03MPaと
決定した。前記LST28−3Y10の2軸曲げ強度を、約57.96MPaと決定した
。前記LST28−3Y15の2軸曲げ強度を、約98.02MPaと決定した。LST
28−3Y20の2軸曲げ強度を、99.97MPaと決定した。
Saint−Gobain Corp.から入手可能なLSTN4.0と、Tosoh
USAから入手可能な部分的に安定化したジルコニア(約3.0モル%のY2O3によ
り部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分
的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約5体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y5の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図1
5は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y10の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
16は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y15の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
17は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y20の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
18は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
、LSTN4.0−3Y15およびLSTN4.0−3Y20)の相対密度を、前記自由
焼成工程後に決定した。前記相対密度を、実施例2に記載のように決定した。
論密度の約102.9%と決定した。前記LSTN4.0−3Y10の相対密度を、約1
03%と決定した。前記LSTN4.0−3Y15の相対密度を、約102.5%と決定
した。前記LSTN4.0−3Y20の相対密度を、約102.2%と決定した。
、LSTN4.0−3Y15およびLSTN4.0−3Y20)の2軸曲げ強度を、前記
自由焼成工程後に決定した。前記2軸曲げ強度試験を、実施例2に記載のように行った。
−3Y10、LSTN4.0−3Y15およびLSTN4.0−3Y20)の2軸曲げ強
度(MPa)を説明する。
、LSTN4.0についての85.09MPaの2軸曲げ強度と比較して、約72.7M
Paと決定した。前記LSTN4.0−3Y10の2軸曲げ強度を、約86.21MPa
と決定した。前記LSTN4.0−3Y15の2軸曲げ強度を、約97.51MPaと決
定した。LSTN4.0−3Y20の2軸曲げ強度を、113.02MPaと決定した。
Saint−Gobain Corp.から入手可能なLSTN6.0と、Tosoh
USAから入手可能な部分的に安定化したジルコニア(約3.0モル%のY2O3によ
り部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分
的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約5体積%とした。得られたLST
N6.0−3Y5の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図2
0は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST
N6.0−3Y10の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
21は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST
N6.0−3Y15の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
22は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST
N6.0−3Y20の混合物を、約1320℃の温度で約1時間の期間自由焼成した。図
23は、前記自由焼成工程後における、10k拡大でのSEM画像である。
、LSTN6.0−3Y15およびLSTN6.0−3Y20)の相対密度を、前記自由
焼成工程後に決定した。前記相対密度を、実施例2に記載のように決定した。
論密度の約102.3%と決定した。前記LSTN6.0−3Y10の相対密度を、約1
02.7%と決定した。前記LSTN6.0−3Y15の相対密度を、約102.4%と
決定した。前記LSTN6.0−3Y20の相対密度を、約102.2%と決定した。
、LSTN6.0−3Y15およびLSTN6.0−3Y20)の2軸曲げ強度を、前記
自由焼成工程後に決定した。前記2軸曲げ強度試験を、実施例2に記載のように行った。
−3Y10、LSTN6.0−3Y15およびLSTN6.0−3Y20)の2軸曲げ強
度(MPa)を説明する。
、LSTN6.0についての50.8MPaの2軸曲げ強度と比較して、約57.2MP
aと決定した。前記LSTN6.0−3Y10の2軸曲げ強度を、約77.7MPaと決
定した。前記LSTN6.0−3Y15の2軸曲げ強度を、約88.5MPaと決定した
。LSTN6.0−3Y20の2軸曲げ強度を、113.92MPaと決定した。
American Elements(Los Angeles、Calif.)から
入手可能なLST28と、Tosoh USAから入手可能な部分的に安定化したジルコ
ニア(約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル
粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積
の約5体積%とした。得られたLST28−3Y5の混合物を、約1500℃の温度で約
6時間の期間自由焼成した。
度で約6時間の期間自由焼成した後のバー試料(4mm×5mm×30mm)における膨
張率測定において測定した。前記バー試料を、空気中において、5℃/分の加熱速度で、
1200℃まで加熱した。各試料のCTEを、加熱中に測定した。ついで、前記バー試料
を、5℃/分で900℃に冷却し、空気中で1時間保持し、ついで、窒素に替えて、さら
に1時間保持し、最終的に、4% H2+96% N2のフォーミングガスに替えて、1
2時間保持した。前記フォーミングガスにおいて保持している間の前記バー試料の膨張パ
ーセントを、前記各例示となる相互接続材料についての化学膨張として決定した。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST28
−3Y10の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。LST28
−3Y5に関して上記した化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3
Y10において行った。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST28
−3Y15の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上記化学膨
張試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3Y15において行った。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST28
−3Y20の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上記化学膨
張試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3Y20において行った。
5、LST28−3Y10、LST28−3Y15およびLST28−3Y20)の化学
膨張を説明する。
Saint−Gobain Corp.から入手可能なLSTN4.0と、Tosoh
USAから入手可能な部分的に安定化したジルコニア(約3.0モル%のY2O3によ
り部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分
的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約5体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y5の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。実施
例6に記載の化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y5にお
いて行った。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y10の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。実
施例6に記載の化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y10
において行った。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y15の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。実
施例6に記載の化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y15
において行った。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y20の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。実
施例6に記載の化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y20
において行った。
USAから入手可能な部分的に安定化したジルコニア(約3.0モル%のY2O3によ
り部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分
的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLS
TN6.0−3Y20の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。
実施例6に記載の化学膨張試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN6.0−3Y2
0において行った。
0−3Y5、LSTN4.0−3Y10、LSTN4.0−3Y15、LSTN4.0−
3Y20およびLSTN6.0−3Y20)の化学膨張を説明する。
American Elements(Los Angeles、Calif.)から
入手可能なLST28と、Tosoh USAから入手可能な部分的に安定化したジルコ
ニア(約3.0モル%のY2O3により部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル
粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積
の約5体積%とした。得られたLST28−3Y5の混合物を、約1500℃の温度で約
6時間の期間自由焼成した。導電性試験を、約4モル%のH2および約96モル%のN2
のフォーミングガス雰囲気において、約1000℃の温度で行った。
約6時間の期間自由焼成した後のバー試料(4mm×5mm×30mm)における、4−
プローブ法により測定した。前記バー試料を、フォーミングガスにおいて、約800℃の
温度で約16時間の期間保持した。ついで、前記バー試料を、5℃/分の加熱速度で、約
1000℃の高温まで加熱し、フォーミングガスにおいて、4時間保持した。1000℃
での導電性を、2つのプローブに一定の電流を通過させ、別の2つのプローブにおける電
圧低下を測定することにより測定し、オームの法則により算出した。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST28
−3Y10の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上記導電性
試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3Y10において行った。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST28
−3Y15の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上記導電性
試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3Y15において行った。
的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的に安
定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST28
−3Y20の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上記導電性
試験を、前記自由焼成工程後におけるLST28−3Y20において行った。
前記各例示となる相互接続材料(LST28−3Y5、LST28−3Y10、LST2
8−3Y15およびLST28−3Y20)の体積導電性(S/cm)を説明する。
Saint−Gobain Corp.から入手可能なLSTN4.0と、Tosoh
USAから入手可能な部分的に安定化したジルコニア(約3.0モル%のY2O3によ
り部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分
的に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約5体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y5の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。実施
例8に記載の導電性試験を、約4モル%のH2と約96モル%のN2とのフォーミングガ
ス雰囲気において、約800℃の温度、約900℃の温度および約1000℃の温度で行
った。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約10体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y10の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上
記導電性試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y10において行った
。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約15体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y15の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上
記導電性試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y15において行った
。
部分的に安定化したZrO2)とを、ボールミル粉砕して混合物を形成した。前記部分的
に安定化したジルコニアを、前記混合物の全体積の約20体積%とした。得られたLST
N4.0−3Y20の混合物を、約1500℃の温度で約6時間の期間自由焼成した。上
記導電性試験を、前記自由焼成工程後におけるLSTN4.0−3Y20において行った
。
前記各例示となる相互接続材料(LSTN4.0−3Y5、LSTN4.0−3Y10、
LSTN4.0−3Y15およびLSTN4.0−3Y20)の体積導電性(S/cm)
を説明する。
求の範囲が、本発明の真の範囲に含まれる、全ての上記修飾、改善および他の実施形態に
及ぶことを意図する。このため、法律により許容される最大限に、本発明の範囲は、下記
特許請求の範囲およびその均等物の最も広い許容可能な解釈により決定されるべきであり
、前述の詳細な説明により制限または限定されるべきではない。
味を、解釈または限定するのに使用されないであろうとの理解に供される。さらに、前述
の詳細な説明では、種々の特徴が共にグループ化され、または、本開示を合理化する目的
のために、1つの実施形態に記載されている場合がある。この開示は、クレームされた実
施形態が、各請求項に明確に列挙されたもの以外の更なる特徴を要求する意図を示すと解
釈されるべきではない。むしろ、下記特許請求の範囲が示すように、発明の主題は、前記
開示された実施形態のいずれかの全ての特徴より少ない特徴を対象にしている場合がある
。このため、下記特許請求の範囲は前記詳細な説明に包含され、各請求項は、個々にクレ
ームされる主題を規定するとして、それ自体独立している。
Claims (10)
- カソードと、
アノードと、
前記カソードおよび前記アノードの間に配置された相互接続と
を備える固体酸化物型燃料電池物品であって、
前記相互接続が、xが、0.001以上であり、およびxが、0.50以下であるLa x Sr 1−x TiO 3 を含むセラミック相互接続材料を含む第1の相と、部分的に安定化したジルコニアを含む第2の相とを備え、前記部分的に安定化したジルコニアは、前記相互接続の全体積の少なくとも15体積%で、50体積%以下の含有量であり、
前記相互接続が、前記相互接続と前記カソードとの界面において、第1の濃度の部分的に安定化したジルコニアを有する第1の分離した相互接続層を備え、
前記相互接続が、前記相互接続と前記アノードとの界面において、第2の濃度の部分的に安定化したジルコニアを有する第2の分離した相互接続層を備え、前記第1の濃度は、前記第2の濃度よりも少なくとも5%低い、
固体酸化物型燃料電池物品。 - 前記部分的に安定化したジルコニアが、ZrO2と安定化酸化物とを含み、前記部分的に安定化したジルコニアが、前記部分的に安定化したジルコニアの総モルにおける、0.1モル%以上の安定化酸化物を含み、前記部分的に安定化したジルコニアが、前記部分的に安定化したジルコニアの総モルにおける、8.0モル%以下の安定化酸化物を含む、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- 部分的に安定化したジルコニアを含む前記第2の相が、正方晶構造と単斜構造との間で相変換するように構成され、前記第2の相が、前記相変換中に体積を変化するように構成され、前記体積の変化が、3体積%と5体積%との間の範囲にある、請求項1および2のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- 前記安定化酸化物が、Y2O3、CeO2、CaOおよびMgOからなる群から選択される、少なくとも1つの安定化酸化物を含む、請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- 前記セラミック相互接続材料が、LaxSr1−xTi1−yNbyO3を含み、xが、0.001以上であり、およびxが、0.50以下であり、ならびにyが、0.001以上であり、およびyが、0.25以下である、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- 前記セラミック相互接続材料が、LaxSr1−xTi1−yMnyO3を含み、xが、0.001以上であり、およびxが、0.50以下であり、ならびにyが、0.001以上であり、およびyが、0.70以下である、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- カソードと、
アノードと、
前記カソードおよび前記アノードの間に配置された相互接続と
を備える固体酸化物型燃料電池物品であって、
前記相互接続が、ランタンドープされたチタン酸ストロンチウム(LST)材料を含む第1の相と、部分的に安定化したジルコニアを含む第2の相とを備え、前記部分的に安定化したジルコニアは、前記相互接続の全体積の少なくとも15体積%、40体積%以下の含有量であり、
前記相互接続が、前記相互接続と前記カソードの界面において、第1の濃度の部分的に安定化したジルコニアを有する第1の分離した相互接続層を備え、
前記相互接続が、前記相互接続と前記アノードの界面において、第2の濃度の部分的に安定化したジルコニアを有する第2の分離した相互接続層を備え、
部分的に安定化したジルコニアの前記第1の濃度は、前記相互接続と前記アノードの界面における前記第2の濃度よりも少なくとも5%低い、
固体酸化物型燃料電池物品。 - 前記LST材料が、0.5モル%のNb2O5と8.0モル%のNb2O5との間の範囲で、Nb2O5でドープされる、請求項7記載の固体酸化物型燃料電池物品。
- カソードと、
アノードと、
前記カソードおよび前記アノードの間に配置された相互接続と
を備える固体酸化物型燃料電池物品であって、
前記相互接続が、前記カソードに隣接して配置される第1の分離した相互接続層を備え、前記第1の分離した相互接続層が第1のセラミック相互接続材料を含み、
前記相互接続が、前記第1の分離した相互接続層と前記アノードとの間に配置される第2の分離した相互接続層を備え、前記第2の分離した相互接続層が、ランタンドープされたチタン酸ストロンチウム(LST)材料を含む第2のセラミック相互接続材料と、前記第2の分離した相互接続層の総体積における、少なくとも15体積%で、50体積%以下の部分的に安定化したジルコニアと、を含み、
前記第1の分離した相互接続層が部分的に安定化したジルコニアを含まない、
固体酸化物型燃料電池物品。 - 前記相互接続が、0.05体積%超5体積%未満の気孔率を有する、請求項9記載の固体酸化物型燃料電池物品。
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