JP7063433B2 - カソード機能層を有する固体酸化物燃料電池 - Google Patents
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Description
本願は、2016年3月18日に出願された米国仮特許出願第62/310,358号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の開示は、参照により本明細書中に援用される。
本発明は、Department of Energy Advanced Projects Research Agency-Energy (ARPA-E)によって供与された認可番号DEAR0000494のもとでの米国政府の支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
固体酸化物燃料電池であって、
カソードと、
前記カソードからアノードに酸素イオンを伝導するための固体電解質と、
水素含有燃料と前記固体電解質からの酸素イオンとを反応させるためのアノードと、
前記カソードと前記固体電解質との間に配置される、前記カソードと前記固体電解質との間の界面抵抗を低減させるための機能層と
を備える、電池。
(項目2)
前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目3)
前記カソードは、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、またはガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目4)
前記固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、またはガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目5)
前記アノードは、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとを含む複合物を備える、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目6)
前記機能層の厚さは、約1μm~約10μmの範囲に及ぶ、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目7)
前記機能層は、約0.5mol%~5mol%の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目8)
(i)前記機能層は、コバルトを含有し、かつ(ii)前記固体電解質の少なくとも一部は、コバルトを含有する、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目9)
前記固体電解質の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、項目8に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目10)
前記水素含有燃料は、水素または炭化水素のうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載の固体酸化物燃料電池。
(項目11)
(i)カソードと、(ii)アノードと、(iii)前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体電解質と、(iv)前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層とを備える、固体酸化物燃料電池を使用して、水素含有燃料を電気に電気化学的に転換する方法であって、前記方法は、
前記カソードにおいて酸素をイオン化し、それによって、酸素イオンを産出するステップと、
前記カソードから前記アノードに前記酸素イオンを伝導するステップであって、それによって、前記機能層が、前記カソードと前記固体電解質との間の界面抵抗を低減させる、ステップと、
前記アノードにおいて前記酸素イオンと前記燃料とを反応させ、それによって、電気を生成する、ステップと、
を含む、方法。
(項目12)
前記酸素イオンは、約400℃~約750℃の範囲に及ぶ温度において、前記燃料と反応される、項目11に記載の方法。
(項目13)
前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、項目11に記載の方法。
(項目14)
前記機能層の厚さは、約1μm~約10μmの範囲に及ぶ、項目11に記載の方法。
(項目15)
前記機能層は、約0.5mol%~5mol%の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、項目11に記載の方法。
(項目16)
(i)前記機能層は、コバルトを含有し、かつ(ii)前記固体電解質の少なくとも一部は、コバルトを含有する、項目11に記載の方法。
(項目17)
前記固体電解質の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、項目16に記載の方法。
(項目18)
固体酸化物燃料電池を加工する方法であって、前記方法は、
アノード層を提供するステップと、
前記アノード層にわたって固体電解質層を配置するステップと、
前記固体電解質層にわたって機能層を堆積させるステップと、
前記機能層にわたってカソード層を配置し、それによって、前記固体酸化物燃料電池を形成するステップと、
を含む、方法。
(項目19)
前記固体電解質層は、前記機能層が、堆積される前に、前記アノード層にわたって配置される、項目18に記載の方法。
(項目20)
前記アノード層は、テープ成形によって提供される、項目18に記載の方法。
(項目21)
前記アノード層にわたって前記固体電解質層を配置するステップは、前記アノード層に前記固体電解質層を積層させるステップを含む、項目18に記載の方法。
(項目22)
前記アノード層にわたって前記固体電解質層を配置する前に、前記固体電解質層を提供するステップをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目23)
前記固体電解質層を提供するステップは、テープ成形を含む、項目22に記載の方法。
(項目24)
前記カソード層が、前記機能層にわたって配置された後に、前記固体酸化物燃料電池を焼鈍するステップをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目25)
前記固体電解質層が、前記アノード層にわたって配置された後、約800℃~約1100℃の範囲に及ぶ温度において、約0.5時間~約5時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって、前記固体酸化物燃料電池の少なくとも一部が焼鈍される、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、項目18に記載の方法。
(項目27)
前記機能層の厚さは、約1μm~約10μmの範囲に及ぶ、項目18に記載の方法。
(項目28)
前記機能層は、約0.5mol%~5mol%の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、項目18に記載の方法。
(項目29)
(i)前記機能層は、コバルトを含有し、かつ(ii)前記固体電解質層の少なくとも一部は、コバルトを含有する、項目18に記載の方法。
(項目30)
前記固体電解質層の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、項目29に記載の方法。
(項目31)
少なくとも部分的に、前記固体酸化物燃料電池の動作の意図される温度に基づいて、前記機能層の厚さを選択するステップをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目32)
前記カソード層が、前記機能層にわたって配置された後、前記機能層および前記カソード層をともに焼鈍するステップをさらに含む、項目18に記載の方法。
(項目33)
前記焼鈍が、約800℃~約1100℃の範囲に及ぶ温度において、約0.5時間~約5時間の範囲に及ぶ時間期間にわたって実施される、項目32に記載の方法。
Claims (34)
- 固体酸化物燃料電池を使用して水素含有燃料を電気に電気化学的に転換する方法であって、前記固体酸化物燃料電池は、(i)カソードと、(ii)アノードと、(iii)前記アノードと前記カソードとの間に配置される固体電解質と、(iv)前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層とを備え、前記方法は、
前記カソードにおいて酸素をイオン化し、それによって、酸素イオンを産出することと、
前記カソードから前記アノードに前記酸素イオンを伝導することと、
前記アノードにおいて動作温度で前記酸素イオンと前記燃料とを反応させ、それによって、電気を生成することと、
前記機能層の厚さが5μm以下であるとき、550℃未満の温度を前記動作温度として選択することと、
前記機能層の厚さが5μm以上であるとき、550℃より大きい温度を前記動作温度として選択することと
を含み、(i)前記機能層は、コバルトを含有し、(ii)前記固体電解質は、第1の層と前記第1の層上に配置された第2の層とを備え、(iii)前記固体電解質の前記第1の層は、コバルトを含有し、かつ、前記機能層に隣接し、かつ、前記固体電解質の前記第2の層と前記機能層との間にあり、(iv)前記固体電解質の前記第2の層は、コバルトを含まない、方法。 - 前記550℃未満の温度は、前記機能層の厚さが0.1μm~5μmであるときに前記動作温度として選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記550℃より大きい温度は、前記機能層の厚さが5μm~20μmであるときに前記動作温度として選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記機能層の厚さが5μm以下であるとき、550℃未満かつ400℃より大きい動作温度が選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記機能層の厚さが5μm以上であるとき、550℃より大きいかつ800℃未満の動作温度が選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記機能層は、0.5mol%±10%~5mol%±10%の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記固体電解質の前記第1の層内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、請求項1に記載の方法。
- アノード層を提供することと、
前記アノード層にわたって前記固体電解質を配置することと、
前記固体電解質にわたって前記機能層を堆積させることと、
前記機能層にわたってカソード層を配置し、それによって、前記固体酸化物燃料電池を形成することと
を含む方法を介して、前記固体酸化物燃料電池を提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 固体酸化物燃料電池を加工する方法であって、前記方法は、
アノード層を提供することと、
前記アノード層にわたって固体電解質を配置することと、
前記固体電解質にわたって機能層を堆積させることと、
前記機能層にわたってカソード層を配置し、それによって、前記固体酸化物燃料電池を形成することと、
前記固体酸化物燃料電池の動作の意図される温度に少なくとも部分的に基づいて、前記機能層の厚さを選択することと
を含み、(i)前記機能層は、コバルトを含有し、(ii)前記固体電解質は、第1の層と前記第1の層上に配置された第2の層とを備え、(iii)前記固体電解質の前記第1の層は、コバルトを含有し、かつ、前記機能層に隣接し、かつ、前記固体電解質の前記第2の層と前記機能層との間にあり、(iv)前記固体電解質の前記第2の層は、コバルトを含まない、方法。 - 前記動作の意図される温度が550℃未満であるとき、前記機能層の厚さは、5μm以下として選択される、請求項10に記載の方法。
- 前記動作の意図される温度が550℃より大きいとき、前記機能層の厚さは、5μm以上として選択される、請求項10に記載の方法。
- 前記固体電解質は、前記機能層が堆積させられる前に、前記アノード層にわたって配置される、請求項10に記載の方法。
- 前記アノード層は、テープ成形によって提供される、請求項10に記載の方法。
- 前記アノード層にわたって前記固体電解質を配置することは、前記アノード層に前記固体電解質を積層させることを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記アノード層にわたって前記固体電解質を配置する前に、前記固体電解質を提供することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記固体電解質を提供することは、テープ成形を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記カソード層が前記機能層にわたって配置された後に、前記固体酸化物燃料電池を焼鈍することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記固体電解質が前記アノード層にわたって配置された後、800℃±10%~1100℃±10%の範囲に及ぶ温度において、0.5時間±10%~5時間±10%の範囲に及ぶ時間期間にわたって、前記固体酸化物燃料電池の少なくとも一部が焼鈍される、請求項18に記載の方法。
- 前記カソード層が前記機能層にわたって配置された後、前記機能層および前記カソード層をともに焼鈍することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記焼鈍が、800℃±10%~1100℃±10%の範囲に及ぶ温度において、0.5時間±10%~5時間±10%の範囲に及ぶ時間期間にわたって実施される、請求項20に記載の方法。
- 550℃未満の動作温度において動作するように構成される固体酸化物燃料電池であって、前記固体酸化物燃料電池は、
カソードと、
前記カソードからアノードに酸素イオンを伝導するための固体電解質と、
水素含有燃料と前記固体電解質からの酸素イオンとを反応させるためのアノードと、
前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層と
を備え、
前記機能層は、5μm以下の厚さを有し、(i)前記機能層は、コバルトを含有し、(ii)前記固体電解質は、第1の層と前記第1の層上に配置された第2の層とを備え、(iii)前記固体電解質の前記第1の層は、コバルトを含有し、かつ、前記機能層に隣接し、かつ、前記固体電解質の前記第2の層と前記機能層との間にあり、(iv)前記固体電解質の前記第2の層は、コバルトを含まない、固体酸化物燃料電池。 - 前記機能層の厚さは、0.1μm~5μmである、請求項22に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記固体酸化物燃料電池は、550℃未満かつ400℃より大きい動作温度において動作するように構成される、請求項22に記載の固体酸化物燃料電池。
- 550℃より大きい動作温度において動作するように構成される固体酸化物燃料電池であって、前記固体酸化物燃料電池は、
カソードと、
前記カソードからアノードに酸素イオンを伝導するための固体電解質と、
水素含有燃料と前記固体電解質からの酸素イオンとを反応させるためのアノードと、
前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層と
を備え、
前記機能層は、5μm以上の厚さを有し、(i)前記機能層は、コバルトを含有し、(ii)前記固体電解質は、第1の層と前記第1の層上に配置された第2の層とを備え、(iii)前記固体電解質の前記第1の層は、コバルトを含有し、かつ、前記機能層に隣接し、かつ、前記固体電解質の前記第2の層と前記機能層との間にあり、(iv)前記固体電解質の前記第2の層は、コバルトを含まない、固体酸化物燃料電池。 - 前記機能層の厚さは、5μm~20μmである、請求項25に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記固体酸化物燃料電池は、550℃より大きくかつ800℃未満の動作温度において動作するように構成される、請求項25に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記固体電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート、サマリウムドープセリア、または、ガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項22または請求項25に記載の固体酸化物燃料電池。
- カソードと、
前記カソードからアノードに酸素イオンを伝導するための固体電解質と、
水素含有燃料と前記固体電解質からの酸素イオンとを反応させるためのアノードと、
前記カソードと前記固体電解質との間に配置される機能層と
を備える固体酸化物燃料電池であって、
(i)前記機能層は、コバルトを含有し、(ii)前記固体電解質は、第1の層と前記第1の層上に配置された第2の層とを備え、(iii)前記固体電解質の前記第1の層は、コバルトを含有し、かつ、前記機能層に隣接し、かつ、前記固体電解質の前記第2の層と前記機能層との間にあり、(iv)前記固体電解質の前記第2の層は、コバルトを含まない、固体酸化物燃料電池。 - 前記固体電解質の少なくとも一部内のコバルトの濃度は、前記機能層内のコバルトの濃度未満である、請求項29に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記機能層は、コバルトドープガドリニウムドープセリアまたはコバルトドープサマリウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項22、25、または、29のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記カソードは、ランタンストロンチウムコバルトフェライト、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト、バリウムストロンチウムコバルトフェライト、サマリウムストロンチウムコバルタイト、サマリウムドープセリア、またはガドリニウムドープセリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項22、25、または、29のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記アノードは、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとを含む複合物を備える、請求項22、25、または、29のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。
- 前記機能層は、0.5mol%±10%~5mol%±10%の範囲に及ぶ組成のコバルトを含有する、請求項22、25、または、29のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。
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