TW202315198A - 具有層疊陽極及電解質層之固態氧化物燃料電池及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種固態氧化物燃料電池(SOFC)，該SOFC包括厚度為100微米或更小之陶瓷電解質、與該電解質之第一側層疊之陽極及位於與該第一側相對之該電解質之第二側上的陰極。

Description

具有層疊陽極及電解質層之固態氧化物燃料電池及其製造方法
本發明之實施例大體上關於固態氧化物燃料電池(SOFC)及其製造方法。
在諸如SOFC系統之高溫燃料電池系統中，使氧化流通過燃料電池之陰極側，而使燃料流通過燃料電池之陽極側。氧化流通常為空氣，而燃料流可為諸如甲烷、天然氣、丙烷、戊烷、乙醇或甲醇之烴燃料。在750℃與950℃之間的典型溫度下操作之燃料電池使得能夠將帶負電氧離子自陰極流輸送至陽極流，其中該離子與游離氫或烴分子中之氫合併而形成水蒸汽且/或與一氧化碳合併而形成二氧化碳。
來自帶負電離子之過量電子經由在陽極與陰極之間完整的電路引導回至燃料電池之陰極側，從而產生流經電路之電流。
根據各種實施例，固態氧化物燃料電池(SOFC)包括厚度為100微米或更小之陶瓷電解質、與電解質之第一側層疊之陽極及位於與第一側相對之電解質之第二側上的陰極。
根據各種實施例，製造固態氧化物燃料電池(SOFC)之方法包含：個別地形成不與彼此接觸之陶瓷電解質前驅體層及至少一個陽極前驅體層；將所形成之至少一個陽極前驅體層堆疊以與陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸；使至少一個陽極前驅體層及陶瓷電解質前驅體層層疊；及形成至少一個陰極層。
優先權
本申請案為主張2021年6月11日申請之美國臨時申請案第63/209,778號及2022年1月7日申請之美國臨時申請案第63/297,696號之權益的非臨時申請案，該等案中之各者之內容以全文引用之方式併入本文中。
將參考附圖詳細描述各種實施例。在可能情況下，將在整個圖式中使用相同附圖標記來指代相同或相似部分。提及特定實例及實施方案係出於說明性目的，且不意欲限制本發明或申請專利範圍之範疇。
在各種實施例中，可藉由減小陶瓷電解質之厚度來降低SOFC之電阻率。然而，較薄電解質由於其中之缺陷及/或強加於其上之應力而更易於開裂。舉例而言，對於電解質支撐型電池，藉由絲網印刷或另一油墨沈積法沈積在陶瓷(亦即，燒結)電解質層上之相對厚之陽極油墨之燒製(亦即，黏合劑燃盡及燒結)對陶瓷電解質造成應力。若電解質相對較薄，則燒製可能會使陶瓷電解質開裂。
在各別熱還原及氧化步驟期間，陽極中之導電相在金屬相(例如鎳相)與金屬氧化物相(例如氧化鎳相)之間進行熱循環。舉例而言，陽極可初始地形成有金屬氧化物相及陶瓷相，接著在還原(例如，含氫)環境中進行熱還原步驟以將金屬氧化物相轉換成金屬相。在熱還原及/或氧化步驟期間，陽極體積改變，此對電解質強加拉伸或壓縮應力，從而可能會使較薄電解質開裂。
在本發明之一實施例中，電解質前驅體層及一或多個陽極前驅體層係在彼此不接觸之情況下個別地形成。接著，將電解質前驅體層及一或多個陽極前驅體層堆疊在一起且藉由任何適合的壓製方法層疊至半SOFC中。
舉例而言，電解質前驅體層及一或多個陽極前驅體層可藉由薄帶成形(tape casting)或另一適合的陶瓷或金屬陶瓷前驅體層製造方法個別地形成。隨後，乾燥一或多個陽極前驅體層且使其彼此接觸且與經乾燥電解質前驅體層之第一側接觸，且諸如藉由熱等靜壓壓製或另一適合的壓製方法壓製在一起以形成複合材料(例如，生坯複合材料)。接著，對複合材料進行1300℃及1400℃燒結以形成半SOFC (亦即，用於陰極之單片基板)。半SOFC包括含有接觸陶瓷電解質層之第一側之一或多個金屬陶瓷陽極層的單片結構。
因為電解質在同一燒結步驟期間與一或多個陽極層燒結在一起，因此陶瓷(亦即，燒結)電解質不經受陽極燒製步驟之應力。此使電解質開裂或斷裂減少。因此，可減小電解質厚度以降低SOFC之電阻率而不會顯著增加電解質損壞，諸如開裂。舉例而言，電解質之厚度可為100微米或更小，諸如5微米至100微米，例如5微米至25微米或50微米至100微米。
燒結半SOFC中之孔隙率可藉由選擇薄帶中之有機材料(例如，黏合劑、分散劑等)之所需體積分率、藉由控制特定薄帶中之陶瓷或金屬陶瓷前驅體粒度分佈及/或藉由在薄帶成形方法期間將諸如聚合材料，諸如聚(甲基丙烯酸甲酯) (PMMA)之細粒或小球之成孔劑添加至薄帶中來加以控制。成孔劑在熱等靜壓壓製或燒結期間揮發以在電解質層及/或一或多個陽極層中形成孔隙。
在一實施例中，一或多個陰極層接著形成於與陶瓷電解質層之第一側相對之陶瓷電解質層之第二側上。一或多個陰極層可藉由諸如絲網印刷之油墨沈積法形成，接著在950℃至1150℃之溫度下燒製一或多個陰極層以在半SOFC (亦即，含有層疊陶瓷電解質及金屬陶瓷陽極之燒結單片基板)上形成陰極。結果，形成完整SOFC。
在各種實施例中，使用薄帶成形或另一適合的方法由電解質個別地形成一或多個陰極層。接著，使一或多個陰極層與電解質前驅體層之第二表面接觸，且藉由熱等靜壓壓製或另一適合的方法壓製在一起。壓製可在電解質前驅體層與一或多個陽極前驅體層接觸或不接觸時進行。隨後，將一或多個陰極層與電解質前驅體層燒結在一起，且視情況與一或多個陽極前驅體層燒結在一起。
圖1A繪示根據本發明之各種實施例之例示性電解質支撐型燃料電池10A。
參看圖1，燃料電池10A可為含有安置於陰極30 (例如，第一電極)與陽極40 (例如，第二電極)之間的電解質20之SOFC。
電解質20之厚度可小於110微米，諸如為50微米至100微米，例如為55微米至75微米。電解質20可包含離子導電陶瓷，諸如摻雜氧化鋯、摻雜氧化鈰及/或任何其他適合的離子導電陶瓷氧化物材料。舉例而言，電解質20可包括氧化釔(yttria)穩定之氧化鋯(YSZ)、氧化釔-氧化鈰穩定之氧化鋯(YCSZ)、氧化鈧(scandia)穩定之氧化鋯(SSZ)、氧化鐿(ytterbia)-氧化鈰-氧化鈧(scandia)穩定之氧化鋯(YCSSZ)或其摻合物。在YCSSZ中，氧化鈧可以等於9 mol%至11 mol%，諸如10 mol%之量存在，氧化鈰可以大於0 mol%且等於或小於3 mol%，例如0.5 mol%至2.5 mol%，諸如1 mol%之量存在，且氧化鐿可以大於0 mol%且等於或小於2.5 mol%，例如0.5 mol%至2 mol%，諸如1 mol%之量存在，如美國專利第8,580,456號中所揭示，該專利以引用之方式併入本文中。在YCSZ中，氧化釔可以等於8 mol%至10 mol%之量存在，且視情況而言，氧化鈰可以等於0 mol%至3 mol%之量存在。在其他實施例中，電解質可包括氧化釤(samaria)、氧化釓(gadolinia)或氧化釔摻雜型氧化鈰。
陰極30可包括諸如導電鈣鈦礦材料或金屬之導電材料。陰極30可包含一或多個層。
在一個實施例中，陰極30可包括接觸電解質20之第二側的視情況選用之陰極障壁層32。陰極障壁層32可包含諸如氧化釤、氧化釓及/或氧化鐠(praseodymia)摻雜型氧化鈰之摻雜氧化鈰。舉例而言，陰極障壁層32可包含10 mol%至20 mol% Sm 2O 3、Gd 2O 3及/或Pr 2O 3摻雜型CeO 2。陰極障壁層32可具有5微米至10微米之厚度且可具有0%至10%之孔隙率。
陰極障壁層32允許使用諸如基於(LaSr)(FeCo)之鈣鈦礦之更具反應性上覆陰極層材料，該等材料將另外與電解質20反應以形成不合需要之鋯酸鹽。此外，陰極障壁層32充當減少或阻止Co及/或Fe自上覆陰極層進一步遷移至電解質20中之擴散障壁層。Co及/或Fe向電解質中之遷移不合需要地降低電解質20之離子導電性。
陰極30亦包括陰極功能層34。陰極功能層34可比陰極障壁層32厚，且可具有15微米至50微米，諸如25微米至30微米之厚度。陰極功能層34可具有比陰極障壁層32大之孔隙率，且可包括導電材料，諸如導電鈣鈦礦，諸如亞錳酸鑭鍶(LSM)、鈷酸鑭鍶(La,Sr)CoO 3(「LSCo」)、鐵酸鑭鍶鈷(La,Sr)(Co,Fe)O 3(LSCF)、鐵酸鑭鍶(LSF)、亞錳酸鑭鈣(LCM)、鐵酸鑭鍶錳(LSMF)、亞鉻酸鑭鍶(LSCr)等或諸如Pt之金屬。
在一個實施例中，陰極功能層34可包括導電組分及離子導電組分，如2019年4月2日頒佈之美國專利第10,249,883號中所描述，該專利以全文引用之方式併入本文中。離子導電組分包含基於氧化鈰之陶瓷組分，諸如氧化釤摻雜型氧化鈰(SDC)、氧化釓摻雜型氧化鈰(GDC)或氧化釔摻雜型氧化鈰(YDC)中之至少一者。舉例而言，基於氧化鈰之陶瓷組分具有式Ce (1-x)A xO 2，其中A包含釤(Sm)、釓(Gd)或釔(Y)中之至少一者，其中x在約0.1至0.4範圍內。導電組分包含導電陶瓷，諸如亞錳酸鑭鍶(LSM)、亞錳酸鑭鈣(LCM)、鐵酸鑭鍶鈷(LSCF)、鐵酸鑭鍶(LSF)、鐵酸鑭鍶錳(LSMF)及亞鉻酸鑭鍶(LSCr)或鈷酸鑭鍶(LSCo)。陰極功能層34可含有10 wt%至90 wt%，諸如55-75 wt%基於氧化鈰之陶瓷組分及10 wt%至90 wt%，諸如25-45 wt%導電組分。
陰極30亦包括視情況選用之陰極接觸層36。與陰極功能層34相比，陰極接觸層36可更厚且更導電。陰極接觸層36之厚度可為40微米至100微米，諸如50微米至60微米。陰極功能層34可包括導電材料，諸如導電鈣鈦礦，諸如亞錳酸鑭鍶(LSM)、鈷酸鑭鍶(La,Sr)CoO 3(「LSCo」)、鐵酸鑭鍶鈷(La,Sr)(Co,Fe)O 3(LSCF)、鐵酸鑭鍶(LSF)、亞錳酸鑭鈣(LCM)、鐵酸鑭鍶錳(LSMF)、亞鉻酸鑭鍶(LSCr)等或諸如Pt之金屬。
陽極40可包含一或多個層，該一或多個層包括至少一個金屬陶瓷，該至少一個金屬陶瓷包括金屬相及陶瓷相。金屬相可包括金屬催化劑，且陶瓷相可包括一或多種陶瓷材料。金屬相可極精細地分散在陶瓷相之陶瓷基質內，以便限制在金屬相氧化之情況下可能發生之損壞。舉例而言，金屬相之平均晶粒尺寸可小於500奈米，諸如為100奈米至400奈米。
陽極40之陶瓷相可包含任何適合的離子導電陶瓷材料，諸如摻雜氧化鈰及/或摻雜氧化鋯。舉例而言，陶瓷相可包括但不限於氧化釓摻雜型氧化鈰(GDC)、氧化釤摻雜型氧化鈰(SDC)、氧化鐠摻雜型氧化鈰(PDC)、氧化鐿摻雜型氧化鈰(YDC)、氧化鈧穩定之氧化鋯(SSZ)、氧化鐿-氧化鈰-氧化鈧穩定之氧化鋯(YCSSZ)、氧化釔穩定之氧化鋯(YSZ)或其類似物。舉例而言，陶瓷材料可包含摻雜氧化鈰，諸如氧化釤、氧化釓及/或氧化鐠摻雜型氧化鈰，例如10 mol%至20 mol% Sm 2O 3、Gd 2O 3及/或Pr 2O 3摻雜型CeO 2。
金屬相可包括充當電子導體之諸如鎳(Ni)之金屬催化劑。金屬催化劑可處於金屬狀態或可處於氧化物狀態。舉例而言，當金屬催化劑處於氧化狀態時，其形成金屬氧化物。因此，陽極40可在燃料電池10A作業之前及/或期間在還原氛圍中退火，以將金屬催化劑還原為金屬狀態。
根據一個實施例，處於氧化物狀態之金屬相可包括金屬催化劑及摻雜劑(亦即，合金元素)。舉例而言，金屬相可由式D xNi 1-xO表示，其中D為選自Al、Ca、Ce、Cr、Fe、Mg、Mn、Nb、Pr、Ti、V、W或Zr、其任何氧化物或其任何組合之摻雜劑(呈任何氧化狀態)，如2020年6月9日頒佈且以全文引用之方式併入本文中之美國專利10,680,251中所描述。X可在0至1範圍內，諸如為0.01至0.1，且y可在1至2範圍內。在其他實施例中，x可在0.01至0.04範圍內。舉例而言，x可為0.02且y可為1或2。
因此，金屬相可包含1原子%至10原子% (「at%」)金屬氧化物摻雜劑及99原子%至90原子%金屬催化劑。舉例而言，如在還原之前所製造，金屬相可包含2原子%至4原子%金屬氧化物摻雜劑及98原子%至96原子%金屬催化劑。
根據各種實施例，陽極40可包括金屬相，該金屬相包括摻雜有MgO之NiO。舉例而言，金屬相可包括Mg xNi 1-xO，其中x在上文所描述之範圍內。在陽極製造之後且在燃料電池作業之前或期間，藉由在高溫下(例如，在750℃-950℃範圍內之溫度下)暴露於還原環境(例如，燃料)來還原金屬相。經還原金屬相可由式D xM 1-x表示。
陽極40可為具有功能梯度組態之耐受氧化之電極。舉例而言，如圖1A中所展示，陽極40可包括安置於電解質20之第一側上或上方之第一層42及安置於第一層42上之第二層44。第一層42可經安置成比第二層44更接近於電解質20。第一層42可經組態以電化學方式氧化燃料。第二層44可經組態用於電子傳導且可作為重整催化劑操作。
第一層42可比第二層44薄。舉例而言，第一層42之厚度可為5微米至40微米，諸如15微米至20微米，而第二層44之厚度可為20微米至60微米，諸如30微米至40微米。第一層42可具有與第二層44相同或不同之孔隙率。舉例而言，兩個層之孔隙率在5%至20%範圍內。
第一層42及第二層44可各自包括金屬陶瓷，該金屬陶瓷包括金屬相及陶瓷相，如上文所描述。第一層42及第二層44之金屬相及/或陶瓷相可包括相同或不同材料。在一些實施例中，第一層42及第二層44中之一或兩者可僅包括單相。舉例而言，第二層44可包括金屬相，且可忽略陶瓷相。
在一些實施例中，第一層42可包括按重量計比第二層44多之陶瓷相及比第二層44少之金屬相。包括於第一層42中之陶瓷相與金屬相之重量百分比比率可在99:1至50:50範圍內。舉例而言，第一層42可包括按第一層42之總重量計80 wt%至95 wt%陶瓷相及1 wt%至30 wt%，諸如5 wt%至20 wt%金屬相。
第二層44中之陶瓷相與金屬相之重量百分比比率可在0:100至50:50範圍內。舉例而言，第二層44可包括按第二層44之總重量計15 wt%至40 wt%，諸如20 wt%至35 wt%陶瓷相及60 wt%至85 wt%，諸如65 wt%至80 wt%金屬相。摻雜劑可位於第一層42及第二層44中之至少一者中，諸如僅位於第一層42中、僅位於第二層44中或位於第一層42及第二層44中。
在一個實施例中，形成SOFC 10A之方法包含藉由薄帶成形個別地形成陶瓷電解質前驅體層、第一陽極前驅體層及第二陽極前驅體層，接著將第一薄帶成形陽極前驅體層及第二薄帶成形陽極前驅體層堆疊以與薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸，且隨後對與薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸之第一薄帶成形陽極前驅體層及第二薄帶成形陽極前驅體層進行熱等靜壓壓製以形成生坯複合材料。該方法進一步包含燒結生坯複合材料以形成包含陶瓷電解質20以及第一金屬陶瓷陽極層42及第二金屬陶瓷陽極層44之半SOFC，且在燒結步驟之後在與第一側相對之陶瓷電解質20之第二側上形成至少一個陰極層30。
圖1B繪示根據本發明之另一實施例之陽極支撐型SOFC 10B。
陽極支撐型SOFC 10B與電解質支撐型SOFC 10A之不同之處在於存在額外陽極支撐層46及厚度減小之電解質20。陽極支撐型SOFC 10B之其餘層可與電解質支撐型SOFC 10A之其餘層相同，且將不再加以描述。
在陽極支撐型SOFC 10B中，電解質20厚度可為50微米或更小，諸如5微米至50微米，例如5微米至25微米。電解質20比陽極40薄。
陽極支撐層46之厚度可大於陽極40之第一層42及第二層44之組合厚度。陽極支撐層46厚度可為50微米至200微米。陽極支撐層可包含金屬陶瓷材料，該金屬陶瓷材料包括20 wt%至45 wt%，諸如25 wt%至35 wt%陶瓷相及55 wt%至80 wt%，諸如65 wt%至75 wt%金屬相。陽極支撐層46之陶瓷相及金屬相組成可與陽極40之第一層42及第二層44之陶瓷相及金屬相組成相同。可替代地，陽極支撐層46之陶瓷相可包含8 mol%至10 mol%氧化釔穩定之氧化鋯或8 mol%至10 mol%氧化釔及0.1 mol%至3 mol%氧化鈰穩定之氧化鋯。在一個實施例中，陽極支撐層46中之平均陶瓷相粒度可為0.5微米至2微米，而陽極支撐層46中之平均金屬相粒度可為2微米至10微米(亦即，大於陶瓷相之平均粒度)。
在一個實施例中，形成SOFC 10B之方法包括對陽極支撐前驅體層進行薄帶成形且將陽極支撐前驅體層與第二陽極前驅體層層疊，接著進行上述燒結以形成金屬陶瓷陽極支撐層46。另外或可替代地，具有不同組成及厚度之層疊薄帶可用於製造陽極、電解質及/或障壁層。
圖2繪示根據本發明之各種實施例之燃料電池堆100的平面視圖。
如本文所使用之術語「燃料電池堆」意謂可視情況共用共同燃料入口及排氣通路或上升管之複數個堆疊燃料電池。如本文所使用之「燃料電池堆」包括不同電氣實體，該電氣實體含有兩個連接至電力調節設備及堆之電力(亦即，電)輸出端的端板。因此，在一些組態中，自此類不同電氣實體輸出之電力可與其他堆分開控制。如本文所使用之術語「燃料電池堆」亦包括不同電氣實體之一部分。舉例而言，堆可共用相同端板。在此情況下，堆共同地包含不同電氣實體，諸如柱狀物(column)。在此情況下，無法獨立地控制自兩個堆輸出之電力。
參看圖2，堆100包括燃料電池10 (例如，圖1A之SOFC 10A或圖1B之SOFC 10B)，該等燃料電池彼此上下堆疊且由互連件50分隔開。互連件50包括流道52，該等流道經組態以將燃料或空氣提供至燃料電池10。互連件50亦可操作以串聯地電連接燃料電池10。
圖3繪示根據本發明之各種實施例之包括圖2之堆100之燃料電池系統熱箱120的平面視圖。
參看圖3，展示熱箱120包括燃料電池堆100。然而，熱箱120可包括兩個或更多個堆100。堆100可包括彼此上下堆疊之電連接之燃料電池10 (例如，10A或10B)，其中互連件50安置於燃料電池10之間；及端板60。熱箱120可包括其他組件，諸如燃料管道、空氣管道、密封件、電接觸件等，且可併入包括裝置組件之其餘部分的燃料電池系統中。互連件50及/或端板60可包含任何適合的不透氣及導電材料，諸如鉻-鐵合金，諸如含有4 wt%至6 wt%鐵及餘量鉻之合金。互連件50電連接鄰近燃料電池10且為燃料及空氣到達燃料電池10提供通道。
已出於說明及描述目的呈現了本發明之先前描述。其不欲為窮盡性的或將本發明限於所揭示之確切形式，且根據以上教示內容作出修改及改變係可能的，或可自本發明之實踐中獲得修改及改變。描述係為了解釋本發明之原理及其實際應用而加以選擇。本發明之範疇意欲由所附申請專利範圍及其等效方案界定。
應瞭解，各種所揭示之實施例可涉及結合該特定實施例描述之特定特點、元件或步驟。亦應瞭解，儘管關於一個特定實施例描述了特定特點、元件或步驟，但其可在各種未說明組合或排列中與替代實施例互換或合併。
亦應理解，當元件或層稱為「處於另一元件或層上」或「連接至另一元件或層」時，其可直接處於另一元件或層上或直接連接至另一元件或層，或可存在介入元件或層。相比之下，當元件稱為「直接處於另一元件或層上」或「直接連接至另一元件或層」時，不存在介入元件或層。應理解，出於本發明之目的，「X、Y及Z中之至少一者」可解釋為僅X、僅Y、僅Z或兩個或更多個項目X、Y及Z之任何組合(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。
範圍可在本文中表述為自「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表述此類範圍時，實例包括自一個特定值及/或至另一特定值。類似地，當藉由使用先行詞「約」將值表述為近似值時，應理解，特定值形成另一態樣。在一些實施例中，「X」之值可包括+/- 1% X之值。應進一步理解，該等範圍中之各者之端點值在與另一端點值相關以及獨立於另一端點值之情況下均為有效的。
10:燃料電池 10A:電解質支撐型燃料電池;電解質支撐型SOFC 10B:陽極支撐型SOFC 20:電解質;陶瓷電解質 30:陰極;陰極層 32:陰極障壁層 34:陰極功能層 36:陰極接觸層 40:陽極 42:第一層;第一金屬陶瓷陽極層 44:第二層;第二金屬陶瓷陽極層 46:陽極支撐層;金屬陶瓷陽極支撐層 50:互連件 52:流道 60:端板 100:燃料電池堆 120:燃料電池系統熱箱
圖1A及圖1B為根據本發明之各種實施例之燃料電池的橫截面視圖。
圖2為根據本發明之各種實施例之燃料電池堆的橫截面視圖。
圖3為根據本發明之各種實施例之燃料電池系統的熱箱的橫截面視圖。
10B:陽極支撐型SOFC
20:電解質；陶瓷電解質
30:陰極；陰極層
32:陰極障壁層
34:陰極功能層
36:陰極接觸層
40:陽極
42:第一層；第一金屬陶瓷陽極層
44:第二層；第二金屬陶瓷陽極層
46:陽極支撐層；金屬陶瓷陽極支撐層

Claims (20)

  1. 一種固態氧化物燃料電池(SOFC)，其包含： 厚度為100微米或更小之陶瓷電解質； 與該電解質之第一側層疊之陽極；及 位於與該第一側相對之該電解質之第二側上的陰極。
  2. 如請求項1之SOFC，其中該陰極係藉由油墨沈積法沈積在該電解質之該第二側上。
  3. 如請求項1之SOFC，其中該陽極包含： 與該電解質層疊且包含金屬陶瓷之第一層，該金屬陶瓷包含陶瓷相及包含金屬催化劑之金屬相；及 與該第一層層疊且包含該陶瓷相及該金屬相之第二層， 其中該第一層係安置於該第二層與該電解質之間，且該第二層含有比該第一層高之該金屬相:該陶瓷相比。
  4. 如請求項3之SOFC，其中該陽極之該第二層進一步包含摻雜劑，該摻雜劑選自Al、Ca、Ce、Cr、Fe、Mg、Mn、Nb、Pr、Ti、V、W或Zr、其任何氧化物或其任何組合。
  5. 如請求項4之SOFC，其中該第二層之該金屬相包含： 約2原子%至約4原子%該摻雜劑；及 約98原子%至約96原子%該金屬催化劑； 該第二層之該摻雜劑包含MgO； 該第二層之該金屬催化劑包含NiO；且 該第二層之該金屬相包含Mg xNi 1-xO或Mg xNi 1-x，其中x在約0.01至約0.04範圍內。
  6. 如請求項3之SOFC，其中： 該第一層包含以該第一層之總重量計約80 wt%至約95 wt%該陶瓷相及約5 wt%至約20 wt%該金屬相；且 該第二層包含以該第二層之總重量計約20 wt%至約35 wt%陶瓷相及約65 wt%至約95 wt%該金屬相。
  7. 如請求項3之SOFC，其中該電解質厚度為50微米至100微米，且該SOFC包含電解質支撐型SOFC。
  8. 如請求項3之SOFC，其進一步包含陽極支撐層，該陽極支撐層之厚度大於該陽極之該第一層及該第二層之厚度總和。
  9. 如請求項8之SOFC，其中： 該陽極支撐層包含金屬陶瓷，該金屬陶瓷具有平均尺寸比陶瓷相粒子大之金屬相粒子； 該電解質厚度為5微米至25微米；且 該SOFC包含電解質支撐型SOFC。
  10. 如請求項1之SOFC，其中： 該陰極包含位於該電解質之該第二側與陰極功能層之間的陰極障壁層；且 該陰極障壁層包含氧化釤(samaria)、氧化釓(gadolinia)或氧化鐠(praseodymia)摻雜型氧化鈰(ceria)；且 該陰極功能層包含導電組分及離子導電組分。
  11. 一種製造固態氧化物燃料電池(SOFC)之方法，其包含： 個別地形成不與彼此接觸之陶瓷電解質前驅體層及至少一個陽極前驅體層； 將所形成之至少一個陽極前驅體層堆疊以與該陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸； 使該至少一個陽極前驅體層及該陶瓷電解質前驅體層層疊；及 形成至少一個陰極層。
  12. 如請求項11之方法，其中： 該個別地形成該陶瓷電解質前驅體層及該至少一個陽極前驅體層之步驟包含藉由薄帶成形(tape casting)個別地形成該陶瓷電解質前驅體層及該至少一個陽極前驅體層； 該堆疊步驟包含將至少一個薄帶成形陽極前驅體層堆疊以與薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸；且 該層疊步驟包含對與該薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸之該至少一個薄帶成形陽極前驅體層進行熱等靜壓壓製以形成生坯複合材料。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包含燒結該生坯複合材料以形成包含陶瓷電解質及至少一個金屬陶瓷陽極層之半SOFC，且在該燒結步驟之後在與該第一側相對之該陶瓷電解質之第二側上形成該至少一個陰極層。
  14. 如請求項13之方法，其中該形成該至少一個陰極層之步驟包含絲網印刷該至少一個陰極層，且其中該陶瓷電解質之厚度為100微米或更小。
  15. 如請求項13之方法，其中： 該至少一個陰極層包含位於該陶瓷電解質之第二側與陰極功能層之間的陰極障壁層；且 該陰極障壁層包含氧化釤、氧化釓或氧化鐠摻雜型氧化鈰；且 該陰極功能層包含導電組分及離子導電組分。
  16. 如請求項11之方法，其中： 該個別地形成該陶瓷電解質前驅體層及該至少一個陽極前驅體層之步驟包含藉由薄帶成形個別地形成該陶瓷電解質前驅體層、第一陽極前驅體層及第二陽極前驅體層； 該堆疊步驟包含將第一薄帶成形陽極前驅體層及第二薄帶成形陽極前驅體層堆疊以與薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸； 該層疊步驟包含對與該薄帶成形陶瓷電解質前驅體層之第一側接觸之該第一薄帶成形陽極前驅體層及該第二薄帶成形陽極前驅體層進行熱等靜壓壓製以形成生坯複合材料；且 進一步包含燒結該生坯複合材料以形成包含陶瓷電解質以及第一金屬陶瓷陽極層及第二金屬陶瓷陽極層之半SOFC，且在該燒結步驟之後在與該第一側相對之該陶瓷電解質之第二側上形成該至少一個陰極層。
  17. 如請求項16之方法，其中該第一金屬陶瓷陽極層係安置於該第二陽極金屬陶瓷層與該陶瓷電解質之間，且該第二陽極金屬陶瓷層含有比該第一陽極金屬陶瓷層高之金屬相:陶瓷相比。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包含進行陽極支撐前驅體層之薄帶成形且使該陽極支撐前驅體層與該第二陽極前驅體層層疊，接著進行該燒結以形成金屬陶瓷陽極支撐層。
  19. 如請求項18之方法，其中： 該金屬陶瓷陽極支撐層具有平均尺寸比陶瓷相粒子大之金屬相粒子； 該陶瓷電解質厚度為5微米至25微米；且 該SOFC包含電解質支撐型SOFC。
  20. 如請求項11之方法，其中該電解質厚度為50微米至100微米，且該SOFC包含電解質支撐型SOFC。
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