特許 5957534 固体酸化物型燃料電池の相互接続セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5957534

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月27日

(54)【発明の名称】固体酸化物型燃料電池の相互接続セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20160714BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20160714BHJP

   H01M 8/24 20160101ALI20160714BHJP

   H01M 4/86 20060101ALI20160714BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 Y

   H01M8/12

   H01M8/02 B

   H01M8/24 E

   H01M4/86 T

【請求項の数】15

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2014-541418(P2014-541418)

(86)(22)【出願日】2012年11月14日

(65)【公表番号】特表2014-535155(P2014-535155A)

(43)【公表日】2014年12月25日

(86)【国際出願番号】US2012065053

(87)【国際公開番号】WO2013074656

(87)【国際公開日】20130523

【審査請求日】2014年6月27日

(31)【優先権主張番号】61/560,177

(32)【優先日】2011年11月15日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】593150863

【氏名又は名称】サン−ゴバン セラミックス アンド プラスティクス，インコーポレイティド

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(74)【代理人】

【識別番号】100188857

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 智文

(74)【代理人】

【識別番号】100199277

【弁理士】

【氏名又は名称】西守 有人

(72)【発明者】

【氏名】ガンヨン・リン

(72)【発明者】

【氏名】イエシュワンス・ナレンダー

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・ディー・ピアトラス・

(72)【発明者】

【氏名】チャン・チャオ

(72)【発明者】

【氏名】ロバート・ジェイ・シリウスキー

(72)【発明者】

【氏名】キャロライン・レビー

(72)【発明者】

【氏名】サムエル・マーリン

(72)【発明者】

【氏名】アラヴィンド・モハンラム

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−２４０４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９８８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００４／０３４４９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２０１０−５３８９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１３８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１１３８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１４２９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０３２１３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４０７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２１７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−００３５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７９７２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０８ − ８／２４

Ｈ０１Ｍ ４／８６ − ４／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物型燃料電池物品の相互接続層と電極層との間に配置されたボンディング層であって、
１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成されており、
前記ボンディング層が、１２体積％と４０体積％との間の範囲の気孔率を有する、
ボンディング層。

【請求項2】

前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、２μｍより大きいｄ_５０および４μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布を有する、請求項１記載のボンディング層。

【請求項3】

前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、０．５μｍより大きいｄ_１０の、単峰性の粒径分布を有する、請求項１記載のボンディング層。

【請求項4】

前記イットリア安定化したジルコニア粉末が、３ｍ^２／ｇ以下の比表面積（ＳＳＡ）を有する、請求項１記載のボンディング層。

【請求項5】

前記イットリア安定化したジルコニア粉末の９９体積％以上の粒子が、１０μｍ未満の粒径の直径を有する、請求項１記載のボンディング層。

【請求項6】

前記電極層が、カソード層であり、前記ボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＭ）材料を含む、請求項１記載のボンディング層。

【請求項7】

前記電極層が、アノード層であり、前記ボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項１記載のボンディング層。

【請求項8】

第１の電極層と、
前記第１の電極層を覆う第１の電解質層と、
前記第１の電解質層を覆う第２の電極層と、
固体酸化物型燃料電池スタックにおける前記第２の電極層と第３の電極層との間に配置された相互接続セルであって、前記相互接続セルが、
相互接続層と、
前記相互接続層と前記第２の電極層との間に配置された第１のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含み、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成されており、
前記第１のボンディング層が１２体積％以上４０体積％以下の気孔率を有する、
第１のボンディング層と、
前記相互接続層と前記第３の電極層との間に配置された第２のボンディング層であって、イットリア安定化したジルコニアを含み、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布を有するイットリア安定化したジルコニア粉末から形成される第２のボンディング層とを備える相互接続セルと、
前記第３の電極層を覆う第２の電解質層と、
前記第２の電解質層を覆う第４の電極層とを備える、
固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項9】

前記第１のボンディング層または前記第２のボンディング層を形成するイットリア安定化したジルコニア粉末が、２μｍより大きいｄ_５０および４μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布を有する、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項10】

前記第２の電極層が、マンガン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＭ）材料を含むカソード層であり、前記第１のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＭ）材料を含む、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項11】

前記第２の電極層が、ニッケルと、イットリア安定化したジルコニアとを含むアノード層であり、前記第１のボンディング層が、さらに、ニッケルを含む、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項12】

前記第２のボンディング層が、さらに、マンガン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＭ）材料を含む、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項13】

前記相互接続層が、ニオブドープされたチタン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＴＮ）材料を含む、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項14】

前記第１のボンディング層または前記第２のボンディング層を形成するイットリア安定化したジルコニア粉末の９９体積％以上の粒子が、１０μｍ未満の粒径の直径を有する、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【請求項15】

前記相互接続セルが、６００時間以上の動作の期間内に、定常状態の面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）に達する、請求項８記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、化学反応により電気を発生させるデバイスである。種々の燃料電池の中でも、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、Ｏ_２が、カソードにおいて、酸素イオン（Ｏ^２−）に還元され、燃料ガス、例えば、Ｈ_２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。

【0003】

一部の例では、燃料電池アッセンブリは、スタックとして設計されている。前記スタックは、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む。各スタックは、他のスタックと組み合わせられて、全体のＳＯＦＣ物品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物品の組立てにおいて、電気的な相互接続は、一方のスタックのカソードと他方のスタックのアノードとの間に配置され得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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における温度の変動により引き起こされる損傷に対して脆弱であり得る。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る。積層された燃料電池と共に使用するための改善されたボンディング層が必要とされる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態に基づいて、固体酸化物型燃料電池物品のボンディング層が開示される。前記ボンディング層は、前記固体酸化物型燃料電池物品の相互接続層と電極層との間に配置される。前記ボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性の粒径分布（ＰＳＤ）を有するイットリア安定化したジルコニア（ＹＳＺ）粉末から形成され得る。

【0006】

別の実施形態に基づいて、固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルが開示される。前記相互接続セルは、相互接続層と、カソード・ボンディング層と、アノード・ボンディング層とを備える。前記カソード・ボンディング層は、前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とカソード層との間に配置される。前記アノード・ボンディング層は、前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とアノード層との間に配置される。前記カソード・ボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末から形成される。さらに、前記アノード・ボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末から形成される。

【0007】

別の実施形態に基づいて、固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルが開示される。前記相互接続セルは、相互接続層と、カソード・ボンディング層と、アノード・ボンディング層とを備える。前記カソード・ボンディング層は、前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とカソード層との間に配置される。前記アノード・ボンディング層は、前記固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続層とアノード層との間に配置される。前記カソード・ボンディング層および前記アノード・ボンディング層は、イットリア安定化したジルコニアを含む。前記相互接続セルは、約６００時間以上の動作の期間内に、定常状態の面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）に達する。

【0008】

別の実施形態に基づいて、第１の電極層と、前記第１の電極層を覆う第１の電解質層と、前記第１の電解質層を覆う第２の電極層と、前記第２の電極層と第３の電極層との間に配置された相互接続セルとを備える、固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。第２の電解質層は、前記第３の電極層を覆う。第４の電極層は、前記第２の電解質層を覆う。前記相互接続セルは、相互接続層と、第１のボンディング層と、第２のボンディング層とを備える。前記第１のボンディング層は、ＹＳＺを含み、前記相互接続層と前記第２の電極層との間に配置される。前記第１のボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末から形成される。前記第２のボンディング層は、ＹＳＺを含み、前記相互接続層と前記第３の電極層との間に配置される。前記第２のボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末から形成される。

【0009】

さらに別の実施形態に基づいて、第１の電極層と、前記第１の電極層を覆う第１の電解質層と、前記第１の電解質層を覆う第２の電極層と、前記第２の電極層と第３の電極層との間に配置された相互接続セルとを含む、固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。第２の電解質層は、前記第３の電極層を覆う。第４の電極層は、前記第２の電解質層を覆う。前記相互接続セルは、相互接続層と、第１のボンディング層と、第２のボンディング層とを備える。前記第１のボンディング層は、ＹＳＺを含み、前記相互接続層と前記第２の電極層との間に配置される。前記第２のボンディング層は、ＹＳＺを含み、前記相互接続層と前記第３の電極層との間に配置される。前記相互接続セルは、約６００時間以上の動作の期間内に、定常状態の面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）に達する。

【0010】

さらに別の実施形態に基づいて、固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルを形成する方法は、未焼成の相互接続セルを形成する工程を含む。前記未焼成の相互接続セルは、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末を含む第１の未焼成のボンディング層を含む。前記未焼成の相互接続セルは、さらに、前記第１の未焼成のボンディング層を覆う未焼成の相互接続層と、前記未焼成の相互接続層を覆う第２の未焼成のボンディング層とを備える。前記第２の未焼成のボンディング層は、約１μｍより大きいｄ_５０および約２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末を含む。前記方法は、さらに、前記第１の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第２の未焼成のボンディング層を焼成して、前記第１の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第２の未焼成のボンディング層を一体的に結合し、一体化された、高密度の相互接続セルを形成する工程を含む。

【0011】

別の実施形態に基づいて、一体化されたＳＯＦＣスタックを形成する方法が開示される。前記方法は、第１の未焼成の電極層、前記第１の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第２の未焼成の電極層を有する第１の未焼成のセル構造体を形成する工程を含む。前記方法は、第１の未焼成の電極層、前記第１の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第２の未焼成の電極層を有する第２の未焼成のセル構造体を形成する工程を含む。前記方法は、さらに、前記第１の未焼成のセル構造体と前記第２の未焼成のセル構造体との間に配置された未焼成の相互接続セルを形成する工程を含む。前記未焼成の相互接続セルは、未焼成の相互接続層と、第１の未焼成のボンディング層と、第２の未焼成のボンディング層とを備える。前記第１の未焼成のボンディング層は、前記相互接続層と前記第１の未焼成のセル構造体との間に配置される。前記第２の未焼成のボンディング層は、前記相互接続層と前記第２の未焼成のセル構造体との間に配置される。前記第１の未焼成のボンディング層は、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末を含む。前記第２の未焼成のボンディング層は、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末を含む。前記方法は、さらに、前記第１の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第２の未焼成のセル構造体を焼成して、前記第１の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第２の未焼成のセル構造体を一体的に結合し、一体化されたＳＯＦＣスタックを形成する工程を含む。

【0012】

本開示ならびに、当業者に明らかなその多くの特徴および利点は、添付の図面を参照することにより、より良好に理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に基づく固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルを形成する方法を説明する。

【図2】実施形態に基づくＳＯＦＣスタックにおける２つの電極バルク層間に配置された相互接続セルの図である。

【図3A】電気化学的試験前の、第１の二峰性のＹＳＺ粉末から形成されたボンディング層を備える相互接続セルの断面ＳＥＭ画像である。

【図3B】電気化学的試験後の図３Ａの相互接続セルの断面ＳＥＭ画像であり、パンクチャー効果と、結果として生じる相互接続のクラッキングを示す。

【図4】第２の二峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルの断面ＳＥＭ画像であり、長期試験後の、相互接続のクラッキングを示す。

【図5】前記第２の二峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルにおける、前記長期試験の間の、面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）を説明する。

【図6】第１の単峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルの断面ＳＥＭ画像であり、長期試験後の、相互接続のクラッキングを示す。

【図7】前記第１の単峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルにおける、前記長期試験の間の、面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）を説明する。

【図8】第２の単峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルの断面ＳＥＭ画像であり、長期試験後の、相互接続のクラッキングを示す。

【図9】第２の単峰性のＹＳＺ粉末から形成された相互接続セルにおける、前記長期試験の間の、面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）を説明する。

【図10】実施形態に基づくボンディング層の形成に使用され得る、例示となるＹＳＺ粉末のＳＥＭ画像である。

【図11】図１０の例示となるＹＳＺ粉末の粒径分布を説明する。

【図12】実施形態に基づく相互接続セルの断面ＳＥＭ画像である。図１２で説明される前記相互接続セルのボンディング層は、図１０の例示となるＹＳＺ粉末から形成された。

【図13】図１２で説明される前記相互接続セルのカソード・ボンディング層の孔径分布を説明する。

【図14】図１２で説明される前記相互接続セルのアノード・ボンディング層の孔径分布を説明する。

【図15】長期試験後の実施形態に基づく相互接続セルの断面ＳＥＭ画像であり、相互接続のクラッキングを示さない。図１５で説明される前記相互接続セルのボンディング層は、図１０の例示となるＹＳＺ粉末から形成された。

【図16】本願明細書に記載の実施形態に基づく、例示となる相互接続セルの面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）の長期試験の結果を説明する。

【図17】実施形態に基づく、一体化された固体酸化物型燃料電池スタックを形成する方法を説明する。

【図18】実施形態に基づく未焼成のＳＯＦＣセルスタックの具体的な実施形態を説明する。

【発明を実施するための形態】

【0014】

異なる図における同一の参照符号の使用は、類似または同一の項目を示す。

【0015】

本開示は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）物品、例えば、ＳＯＦＣスタックおよび、ＳＯＦＣスタックを形成する方法に関する。特定の粒径分布（ＰＳＤ）のイットリア安定化したジルコニア（ＹＳＺ）を含む材料が、ＳＯＦＣスタックの異なるＳＯＦＣセルにおける相互接続層と電極との間に配置されるボンディング層に使用され得る。このようなＹＳＺ粉末から形成されたボンディング層を含む相互接続セルは、改善された長期性能を示し得る。

【0016】

図１を参照すると、固体酸化物型燃料電池スタックの相互接続セルを形成する方法の具体的な実施形態が説明され、全体として１００と指定される。方法１００は、１０２において、未焼成の相互接続セルを形成する工程を含む。具体的な実施形態では、前記未焼成の相互接続セルは、０．７μｍより大きくあり得るｄ_５０および１．５μｍ以上であり得るｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末；より好ましくは、１μｍより大きくあり得るｄ_５０および２μｍより大きくあり得るｄ_９０を有し得るＹＳＺ粉末を含む未焼成のボンディング層を備え得る。一部の実施形態では、前記ＹＳＺ粉末は、２μｍより大きくあり得るｄ_５０および４μｍより大きくあり得るｄ_９０を有し得る。具体的な実施形態では、前記未焼成の相互接続セルは、さらに、前記未焼成のボンディング層を覆う未焼成の相互接続層と、前記未焼成の相互接続層を覆う第２の未焼成のボンディング層とを備える。前記第２の未焼成のボンディング層は、０．７μｍより大きくあり得るｄ_５０および１．５μｍ以上であり得るｄ_９０、より好ましくは、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の、単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末を含み得る。一部の実施形態では、前記ＹＳＺ粉末は、２μｍより大きくあり得るｄ_５０および４μｍより大きくあり得るｄ_９０を有し得る。前記ボンディング層における粗い粒子は、パンクチャー効果を有する場合がある。したがって、具体的な実施形態では、前記未焼成のＹＳＺ粉末の９９体積％以上の粒子は、１０μｍ未満の粒径の直径を有する。

【0017】

方法１００は、さらに、１０４において、前記未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成する工程を含む。具体的な実施形態では、前記未焼成の相互接続セルを焼成する工程は、第１の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および第２の未焼成のボンディング層を焼成（例えば、自由焼成、加熱プレス）して、前記第１の未焼成のボンディング層、前記未焼成の相互接続層および前記第２の未焼成のボンディング層を一体的に結合する工程を含む。

【0018】

出願人らは、本願明細書における実施形態に基づいて形成されたボンディング層を含むＳＯＦＣユニットセル、例えば、相互接続セルが、改善された電気化学的特性を有し得ることを見出した。例えば、前記相互接続セルにおけるクラッキングが低減され得る。別の例として、前記相互接続セルは、動作中における面積固有抵抗（ＡＳＲ）の低下に関して、改善された性能を示し得る。

【0019】

ＳＯＦＣスタックにおける相互接続層の１つの機能は、電子が１つのセルから別のものに移動し得るように、電子導電体を提供するためのコネクタとしてのものである。前記相互接続層の別の機能は、前記アノード側における燃料ガス、例えば、Ｈ_２またはＣＨ_４が、前記カソード側において、酸化剤、例えば、空気と直接混ざり合わないであろうことを確保するガスセパレータとしてのものである。前記相互接続層におけるあらゆるクラックは、電子伝導面積の低下の原因となる場合があり、ガスのクロスリークをさせる場合があり、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あらゆるクラックは、防止されるべきである。

【0020】

前記相互接続層は、前記ＳＯＦＣスタックの性能、例えば、出力密度が、面積固有抵抗（ＡＳＲ）の用語において、前記相互接続層の抵抗に（部分的に依存して）反比例するように、電子導電体およびガスセパレータを提供する。前記相互接続セルのより高いＡＳＲは、前記ＳＯＦＣスタックのより低い出力密度の原因となる場合がある。前記相互接続セルの経時的なＡＳＲ低下は、ＳＯＦＣスタック性能の低下、例えば、出力密度の低下をもたらす場合がある。したがって、低いＡＳＲを有する相互接続セルおよび低いＡＳＲ低下は、ＳＯＦＣスタックの性能の改善を可能にし得る。電気化学的（「Ｅ−ｃｈｅｍ」）試験は、前記相互接続セルのＡＳＲが、経時的に低下する、および／または、安定であるかどうか（すなわち、ＡＳＲの低下があるかどうか）を決定するのに使用され得る。

【0021】

本願明細書で使用する時、「定常状態」のＡＳＲの用語は、ＡＳＲが最も低くなる、長期ＡＳＲ試験曲線上の領域を意味する。すなわち、ＡＳＲ（オーム．ｃｍ^２）によるＡＳＲ試験曲線が、Ｙ軸上にプロットされ、時間（時間）が、Ｘ軸上にプロットされる。前記定常状態のＡＳＲは、おおよそゼロの傾斜を有する曲線の領域におけるＡＳＲ値である。言い換えれば、前記定常状態のＡＳＲは、前記ＡＳＲ値がＹ軸に沿って増加し始める時（すなわち、ＡＳＲ「低下」が始まる時）に近い時間で測定されるＡＳＲ値である。具体的な実施形態では、相互接続セルは、約６００時間以上の動作の期間内に、定常状態のＡＳＲに達し得る。

【0022】

具体的な実施形態では、前記相互接続セルのＡＳＲは、約６００時間以上、例えば、約７００時間以上、約８００時間以上、約９００時間以上、約１０００時間以上、約１１００時間以上、約１２００時間以上、約１３００時間以上、約１４００時間以上、約１５００時間以上、またはさらに、約１６００時間以上の期間内に、定常状態のＡＳＲに達し得る。

【0023】

本願明細書における実施形態に基づいて記載された層は、例えば、制限されず、キャスティング、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。

【0024】

図２は、実施形態に基づくＳＯＦＣスタックにおける２つの電極間に配置された相互接続セル２００の図を含む。具体的な実施形態では、図２の相互接続セル２００は、図１の方法１００により形成され得る。

【0025】

図２の相互接続セル２００は、相互接続層２０２と、第１のボンディング層２０４と、第２のボンディング層２０６とを備える。第１のボンディング層２０４は、前記ＳＯＦＣスタックにおける相互接続層２０２と第１の電極バルク層２０８との間に配置され得る。第２のボンディング層２０６は、前記ＳＯＦＣスタックにおける相互接続層２０２と第２の電極バルク層２１０との間に配置され得る。すなわち、第１のボンディング層２０４は、相互接続層２０２を覆い得る。相互接続層２０２は、第２のボンディング層２０６を覆い得る。説明された実施形態では、ボンディング層２０４、２０６は、相互接続層２０２と直接接触している。

【0026】

第１の電極バルク層２０８は、第１のボンディング層２０４と直接接触し得る。第１のボンディング層２０４は、相互接続層２０２と直接接触し得る。相互接続層２０２は、第２のボンディング層２０６と直接接触し得る。第２のボンディング層２０６は、第２の電極バルク層２１０と直接接触し得る。図２に説明される、例示となる非限定的な実施形態では、第１の電極バルク層２０８は、カソード・バルク層を備える。第１のボンディング層２０４は、カソード・ボンディング層を備える。さらに、第２の電極バルク層２１０は、アノード・バルク層を備える。第２のボンディング層２０６は、アノード・ボンディング層を備える。すなわち、図２に説明される実施形態では、前記カソード・バルク層は、前記２つの電極バルク層間に配置された相互接続層２０２（および、関連するボンディング層２０４、２０６）と共に、前記アノード・バルク層を覆う。または、前記アノード・バルク層は、前記２つの電極バルク層間に配置された相互接続層２０２（および、関連するボンディング層２０４、２０６）と共に、前記カソード・バルク層を覆ってもよい。例示の目的のみのために、第１のボンディング層２０４および第１の電極バルク層２０８は、それぞれ、前記カソード・ボンディング層およびカソード・バルク層と呼ばれるであろう。同様に、第２のボンディング層２０６および第２の電極バルク層２１０は、それぞれ、前記アノード・ボンディング層およびアノード・バルク層と呼ばれるであろう。

【0027】

具体的な実施形態では、カソード・ボンディング層２０４の気孔率は、約５体積％以上、例えば、約６体積％以上、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２０４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、約４３体積％以下、約４１体積％以下、またはさらに、約４０体積％以下でもよい。カソード・ボンディング層２０４は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の気孔率を有してもよいことが理解されるであろう。

【0028】

具体的な実施形態では、アノード・ボンディング層２０６の気孔率は、約５体積％以上、例えば、約６体積％以上、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２０６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、約４３体積％以下、約４１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２０６は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の気孔率を有してもよいことが理解されるであろう。

【0029】

例示となる非限定的な実施形態として、カソード・ボンディング層２０４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、カソード・ボンディング層２０４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２０４は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の平均厚みを有してもよいことが理解されるであろう。

【0030】

例示となる非限定的な実施形態として、アノード・ボンディング層２０６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、アノード・ボンディング層２０６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２０６は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の平均厚みを有してもよいことが理解されるであろう。

【0031】

カソード・バルク層２０８は、少なくとも約０．１０ｍｍ、例えば、少なくとも約０．１５ｍｍ、例えば、少なくとも約０．２０ｍｍ、またはさらに、少なくとも約０．２５ｍｍの平均厚みを有し得る。さらに、カソード・バルク層２０８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２０８は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の平均厚みを有してもよいことが理解されるであろう。

【0032】

アノード・バルク層２１０は、少なくとも約０．１０ｍｍ、例えば、少なくとも約０．１５ｍｍ、例えば、少なくとも約０．２０ｍｍ、またはさらに、少なくとも約０．２５ｍｍの平均厚みを有し得る。さらに、アノード・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。アノード・バルク層２１０は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の平均厚みを有してもよいことが理解されるであろう。

【0033】

具体的な実施形態では、図２で説明される各層は、未焼成の層として個々に形成され、互いに組み立てられ得る。または、前記層は、互いに連続して未焼成の状態で形成されてもよい。本願明細書において、「未焼成の」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。未焼成の物品は、乾燥しており、低含水量を有し得るが、焼成されていない、未焼成の物品である。未焼成の物品は、それ自体および、その上に形成された他の未焼成の層を支持するのに適した強度を有し得る。

【0034】

相互接続層２０２は、チタン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＴ）材料を含んでもよい。例えば、相互接続層２０２は、１つ以上のドーパントを有するドープされたＬＳＴ材料、例えば、Ｌａ_０．２Ｓｒ_０．８ＴｉＯ_３を含んでもよい。具体的な実施形態では、前記ＬＳＴ材料は、ニオブドープされたチタン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＴＮ）材料でもよい。例えば、前記ＬＳＴＮ材料は、約０．０１モル％以上、約１モル％以上、約２モル％以上または約３モル％以上のニオブドーパント含有量を有し得る。別の例としては、前記ＬＳＴＮ材料は、約１７モル％以下、例えば、約１６モル％以下、約１５モル％以下、約１４モル％以下、約１３モル％以下、またはさらに、約１２モル％以下のニオブドーパント含有量を有してもよい。前記ニオブドーパント含有量は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内であってもよい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、前記ニオブドーパント含有量は、約８モル％（４モル％のＮｂ_２Ｏ_５ドープされたＬＳＴ、ＬＳＴＮ４．０）である。

【0035】

相互接続層２０２は、材料の、特に薄く、平坦な層であり得る。例えば、相互接続層２０２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、相互接続層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。相互接続層２０２は、上記いずれの最小値と最大値との間の範囲内にあり得ることが理解されるであろう。

【0036】

相互接続層２０２は、本願明細書における実施形態に基づく相互接続セル２００の形成を容易にする、特定の粒径を有する粉末状の相互接続材料から形成され得る。例えば、前記粉末状の相互接続材料は、約１００ミクロン未満、例えば、約５０ミクロン未満、約２０ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約５ミクロン未満、またはさらに、約１ミクロン未満の平均粒径を有し得る。さらに、具体的な例では、前記粉末状の相互接続材料の平均粒径は、少なくとも約０．０１ミクロン、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．０８ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロン、またはさらに、少なくとも約０．４ミクロンであり得る。前記粉末状の相互接続材料は、上記いずれの最小値と最大値との範囲内の平均粒径を有してもよいことが理解されるであろう。

【0037】

カソード・バルク層２０８についての材料としては、一般的には、マンガン酸ランタン材料があげられる。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（Ｌａ_１−ｘＡ_ｘ）_ｙＭｎＯ_３−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、前記ペロブスカイト型結晶構造のＡ−部位上で、ランタン（Ｌａ）に関する材料内で置換される。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、Ｐｂ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２０８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２０４は、ＬＳＭ材料とイットリア安定化ジルコニアとを含み得る。前記ボンディング層における粗い粒子は、パンクチャー効果を有する場合がある。したがって、粗い粒子を実質的に含まない未焼成のＬＳＭ粉末が、カソード・ボンディング層２０４を形成するのに使用され得る。典型的な例としては、前記未焼成のＬＳＭ粉末における実質的に全て（すなわち、９９体積％）のＬＳＭ粒子が、１０μｍ未満の粒径の直径を有し得る。

【0038】

前記ドープされたマンガン酸ランタン・カソード材料の化学量論に関して、一実施形態に基づいて、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、（Ｌａ_１−ｘＡ_ｘ）_ｙＭｎＯ_３−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について置換されたドーパントの量を表す。さらに、前記カソードの化学量論に関して、前記一般式（Ｌａ_１−ｘＡ_ｘ）_ｙＭｎＯ_３−δにおけるｙの値は、前記結晶格子内の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から差し引かれることもでき、前記結晶格子内のＡ−部位上の原子の空孔の割合を表す。この開示の目的について、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、前記結晶構造内のＡ−部位が１００％占有でないため、「Ａ−部位欠乏」構造と呼ばれる。

【0039】

具体的な実施形態では、前記ドーパント材料は、Ｓｒ（ＬＳＭカソード）である。その場合、前記カソードの組成は、（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_ｙＭｎＯ_３−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。その場合、カソード・バルク層２０８は、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含む。前述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。

【0040】

具体的な実施形態では、アノード・バルク層２１０は、サーメット材料、すなわち、セラミックと金属材料との組合せを含み得る。例えば、アノード・バルク層２１０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、熱処理された未焼成の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２１０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２０６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。前記ボンディング層における粗い粒子は、パンクチャー効果を有する場合がある。したがって、粗い粒子を実質的に含まない未焼成のＮｉＯ粉末が、アノード・ボンディング層２０６を形成するのに使用され得る。典型的な例としては、前記未焼成のＮｉＯ粉末における実質的に全て（すなわち、９９体積％）のＮｉＯ粒子が、１０μｍ未満の粒径の直径を有し得る。具体的な実施形態では、アノード・ボンディング層２０６を形成するのに使用される材料に含まれるＹＳＺ粉末は、アノード・バルク層２１０を形成するのに使用される材料に含まれるＹＳＺ粉末とは異なる粒径分布を有し得る。

【0041】

電気化学的試験を、異なるＰＳＤ型を有するＹＳＺ粉末から形成されたボンディング層を含む相互接続セルについて行った。前記粒径は、例えば、Ｈｏｒｉｂａ（Ｈｏｒｉｂａ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．、Ｉｒｖｉｎｅ、ＣＡ）からのＰａｒｔｉｃａ ＬＡ−９５０レーザーによる、レーザー散乱測定により取得され得る。

【0042】

比較例１
「１８−５」ＹＳＺ粉末（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｒｐ．から入手）を、試験用に選択した。前記１８−５ＹＳＺ粉末は、０．７１μｍのｄ_１０、３．６６μｍのｄ_５０、９．３１μｍのｄ_９０の二峰性のＰＳＤ型および１．２ｍ^２／ｇの比表面積（ＳＳＡ）を有する。

【0043】

未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成した。例示の目的で、図２を参照すると、カソード・バルク層２０８は、約１３５０μｍの厚みの、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含んだ。アノード・バルク層２１０は、ニッケル酸化物およびＹＳＺを含み、約１３５０μｍの厚みを有した。相互接続層２０２は、約１１μｍの合計厚みを有するＬＳＴＮ４．０の１つの「層」を含んだ。

【0044】

カソード・ボンディング層２０４を、前記１８−５ＹＳＺ粉末と、０．５８μｍのｄ_１０、１．３８μｍのｄ_５０、２．６９μｍのｄ_９０および４．２３ｍ^２／ｇのＳＳＡを有する、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成のＬＳＭ粉末とから形成した。焼成前の未焼成のカソード・ボンディング層の組成は、３６．７０重量％のＬＳＭ、５５．０５重量％のＹＳＺおよび８．２５重量％のカーボンブラック（焼成中における気孔形成材としてのｃ−ブラック）を含んだ。前記一体化された、高密度のカソード・ボンディング層２０４は、約２５μｍの厚みを有した。

【0045】

アノード・ボンディング層２０６を、前記１８−５ＹＳＺ粉末と、０．４６μｍのｄ_１０、０．７４μｍのｄ_５０、１．５０μｍのｄ_９０および３．４３ｍ^２／ｇのＳＳＡのニッケル酸化物粉末とから形成した。焼成前の未焼成のアノード・ボンディング層の組成は、４２．０重量％のＮｉＯおよび５８．０重量％のＹＳＺを含んだ。前記一体化された、高密度のアノード・ボンディング層２０６は、約２５μｍの厚みを有した。

【0046】

図３Ａを参照すると、ＳＥＭ断面画像３００は、電気化学的（「Ｅ−ｃｈｅｍ」）試験前の、前記一体化された、高密度の相互接続セルを図示する。

【0047】

前記Ｅ−ｃｈｅｍ試験は、設定された高温、例えば、８００℃に、前記相互接続セルを加熱し、ついで、前記アノード側に燃料（Ｈ_２）を通過させ、前記カソード側に酸化剤（空気）を通過させて、設定された期間、前記高温で保持することを含んだ。前記アノード・バルク層および前記アノード・ボンディング層におけるＮｉＯは、加熱および保持中に、前記Ｈ_２により、金属Ｎｉに還元される。一定の電流密度（例えば、０．３Ａ／ｃｍ^２）を、２本の導電性ワイヤ（２つのプローブ）により、前記相互接続セルに印加し、２本の更なる導電性ワイヤ（２つの更なるプローブ）を、前記印加した電流により生じた前記相互接続セルの電圧を測定するのに使用した。これは、抵抗を測定する４−プローブ法と呼ばれる。ついで、前記セルの抵抗およびその中でもＡＳＲ（オーム．ｃｍ^２）を、オームの方程式および相互接続セルの活性化領域により算出し得る。ＡＳＲ低下を決定するために、前記長期試験中の前記電流が印加される間、経時的なＡＳＲ値を動的にモニターし得る。

【0048】

図３Ｂを参照すると、ＳＥＭ断面画像３０２は、電気化学的試験後の、図３Ａの、前記一体化された高密度の相互接続セルを図示する。短期試験に関して、最初のＡＳＲが測定され、ついで、前記相互接続セルを、室温に冷却した（通常、前記試験は、約２日間だけかかる。）。画像３０２は、前記１８−５ＹＳＺ粉末の粗い粒子に由来するパンクチャー効果および関連する相互接続のクラッキングを図示する。

【0049】

比較例２
「１５−２Ｒ２」ＹＳＺ粉末（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｒｐ．から入手）を、試験用に選択した。前記１５−２Ｒ２ＹＳＺ粉末は、０．６２μｍのｄ_１０、２．６２μｍのｄ_５０、９．５６μｍのｄ_９０の二峰性のＰＳＤ型および１．９３ｍ^２／ｇの比表面積（ＳＳＡ）を有する。

【0050】

未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成した。例示の目的で、図２を参照すると、カソード・バルク層２０８は、約１４００μｍの厚みの、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含んだ。アノード・バルク層２１０は、ニッケル酸化物およびＹＳＺを含み、約１４００μｍの厚みを有した。相互接続層２０２は、約２７μｍの合計厚みを有するＬＳＴＮ４．０の１または２つの「層」を含んだ。

【0051】

カソード・ボンディング層２０４を、前記１５−２Ｒ２ＹＳＺ粉末と、０．５８μｍのｄ_１０、１．３８μｍのｄ_５０、２．６９μｍのｄ_９０および４．２３ｍ^２／ｇのＳＳＡを有する、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成のＬＳＭ粉末とから形成した。焼成前の未焼成のカソード・ボンディング層の組成は、３６．７０重量％のＬＳＭ、５５．０５重量％のＹＳＺおよび８．２５重量％のカーボンブラック（焼成中における気孔形成材としてのｃ−ブラック）を含んだ。前記一体化された、高密度のカソード・ボンディング層２０４は、約２５μｍの厚みを有した。

【0052】

アノード・ボンディング層２０６を、前記１５−２Ｒ２ＹＳＺ粉末と、０．４６μｍのｄ_１０、０．７４μｍのｄ_５０、１．５０μｍのｄ_９０および３．４３ｍ^２／ｇのＳＳＡのニッケル酸化物粉末とから形成した。焼成前の未焼成のアノード・ボンディング層の組成は、４２．０重量％のＮｉＯおよび５８．０重量％のＹＳＺを含んだ。前記一体化された、高密度のアノード・ボンディング層２０６は、約２５μｍの厚みを有した。

【0053】

ついで、前記相互接続セルを、１４００時間の期間にわたって、（比較例１で上記した）電気化学的試験に供した。図４を参照すると、ＳＥＭ断面画像４００は、長期試験後の、前記一体化された、高密度の相互接続セルを図示する。図４は、画像４００において特定された４３個の水平クラックによる相互接続のクラッキング、および、前記粗い粒子に由来するパンクチャー効果を説明する。

【0054】

図５は、前記１５−２Ｒ２粉末から形成されたボンディング層を含む相互接続セルの面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）の、長期試験の結果を説明する。図５で説明されるように、薄い相互接続層（１３μｍ）を含む１つの相互接続セルは、前記試験開始後約５００時間以内に、定常状態のＡＳＲに達した。約５００時間で、前記定常状態のＡＳＲに達した後に、前記ＡＳＲは、５．５％／ｋｈの速度で低下した。厚い相互接続層（２７μｍ）を含む別の相互接続セルのＡＳＲは、１２００時間まで連続的に低下した。

【0055】

比較例３
「１７−１６８」ＹＳＺ粉末（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｒｐ．から入手）を、試験用に選択した。前記１７−１６８ＹＳＺ粉末は、０．４５μｍのｄ_１０、０．７７μｍのｄ_５０、１．５μｍのｄ_９０の単峰性のＰＳＤ型および４．３２ｍ^２／ｇの比表面積（ＳＳＡ）を有する。

【0056】

未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成した。例示の目的で、図２を参照すると、カソード・バルク層２０８は、約１４００μｍの厚みの、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含んだ。アノード・バルク層２１０は、ニッケル酸化物およびＹＳＺを含み、約１４００μｍの厚みを有した。相互接続層２０２は、約１３または２７μｍの合計厚みを有するＬＳＴＮ４．０の１または２つの「層」を含んだ。

【0057】

カソード・ボンディング層２０４を、前記１７−１６８ＹＳＺ粉末と、０．５８μｍのｄ_１０、１．３８μｍのｄ_５０、２．６９μｍのｄ_９０および４．２３ｍ^２／ｇのＳＳＡを有する、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成のＬＳＭ粉末とから形成した。焼成前の未焼成のカソード・ボンディング層の組成は、３６．７０重量％のＬＳＭ、５５．０５重量％のＹＳＺおよび８．２５重量％のカーボンブラック（焼成中における気孔形成材としてのｃ−ブラック）を含んだ。前記一体化された、高密度のカソード・ボンディング層２０４は、約２５μｍの厚みを有した。

【0058】

アノード・ボンディング層２０６を、前記１７−１６８ＹＳＺ粉末と、０．４６μｍのｄ_１０、０．７４μｍのｄ_５０、１．５０μｍのｄ_９０および３．４３ｍ^２／ｇのＳＳＡのニッケル酸化物粉末とから形成した。焼成前の未焼成のアノード・ボンディング層の組成は、４２．０重量％のＮｉＯおよび５８．０重量％のＹＳＺを含んだ。前記一体化された、高密度のアノード・ボンディング層２０６は、約２５μｍの厚みを有した。

【0059】

ついで、前記相互接続セルを、１０００時間の期間にわたって、（比較例１で上記した）電気化学的試験に供した。図６を参照すると、ＳＥＭ断面画像６００は、長期試験後の、前記一体化された、高密度の相互接続セルを図示する。図６は、画像６００において特定された１６個の水平クラックによる相互接続のクラッキングを説明する。

【0060】

図７は、前記１７−１６８粉末から形成されたボンディング層を含む相互接続セルの面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）の、長期試験の結果を説明する。図７で説明されるように、前記相互接続セルは、前記試験開始した実質的に直後に、急速なＡＳＲ低下を示した。前記ＡＳＲは、それぞれ、１３３％／ｋｈ、３０８％／ｋｈおよび４９３％／ｋｈの速度で低下した。

【0061】

比較例４
「１６−１９１」ＹＳＺ粉末（Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｒｐ．から入手）を、試験用に選択した。前記１６−１９１ＹＳＺ粉末は、０．４５μｍのｄ_１０、０．８４μｍのｄ_５０、１．６５μｍのｄ_９０の単峰性のＰＳＤ型および４．５９ｍ^２／ｇの比表面積（ＳＳＡ）を有する。

【0062】

未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成した。例示の目的で、図２を参照すると、カソード・バルク層２０８は、約１３５０μｍの厚みの、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含んだ。アノード・バルク層２１０は、ニッケル酸化物およびＹＳＺを含み、約１３５０μｍの厚みを有した。相互接続層２０２は、約２７μｍの合計厚みを有するＬＳＴＮ４．０の２つの「層」を含んだ。

【0063】

カソード・ボンディング層２０４を、前記１６−１９１ＹＳＺ粉末と、０．５８μｍのｄ_１０、１．３８μｍのｄ_５０、２．６９μｍのｄ_９０および４．２３ｍ^２／ｇのＳＳＡを有する、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成のＬＳＭ粉末とから形成した。焼成前の未焼成のカソード・ボンディング層の組成は、３６．７０重量％のＬＳＭ、５５．０５重量％のＹＳＺおよび８．２５重量％のカーボンブラック（焼成中における気孔形成材としてのｃ−ブラック）を含んだ。前記一体化された、高密度のカソード・ボンディング層２０４は、約２５μｍの厚みを有した。

【0064】

アノード・ボンディング層１２０６を、前記１６−１９１ＹＳＺ粉末と、０．４６μｍのｄ_１０、０．７４μｍのｄ_５０、１．５０μｍのｄ_９０および３．４３ｍ^２／ｇのＳＳＡのニッケル酸化物粉末とから形成した。焼成前の未焼成のアノード・ボンディング層の組成は、４２．０重量％のＮｉＯおよび５８．０重量％のＹＳＺを含んだ。前記一体化された、高密度のアノード・ボンディング層２０６は、約２５μｍの厚みを有した。

【0065】

ついで、前記相互接続セルを含むＳＯＦＣスタックを、１０００時間の期間にわたって、（比較例１で上記した）電気化学的試験に供した。図８を参照すると、ＳＥＭ断面画像８００は、長期試験後の、前記一体化された、高密度の相互接続セルを図示する。図８は、画像８００において特定された１５８個の水平クラックによる相互接続のクラッキングを図示する。

【0066】

図９は、前記１６−１９１粉末から形成されたボンディング層を含む相互接続セルの面積固有抵抗（ＡＳＲ）（オーム．ｃｍ^２）の、長期試験の結果を説明する。図９で説明されるように、前記相互接続セルは、前記試験開始後約２００時間以内に、定常状態のＡＳＲに達した。約２００時間で、前記定常状態のＡＳＲに達した後に、前記ＡＳＲは、約１．９％／ｋｈの速度で低下した。

【0067】

実施例
ＹＳＺ粉末（「１８−４８」ＹＳＺ粉末）を、試験用に選択した。前記１８−４８ＹＳＺ粉末は、０．８４μｍのｄ_１０、２．１４μｍのｄ_５０、４．３μｍのｄ_９０の単峰性のＰＳＤ型および１．６９ｍ^２／ｇの比表面積（ＳＳＡ）を有する。

【0068】

図１０は、例示となる１８−４８ＹＳＺ粉末のＳＥＭ画像１０００であり、図１１は、図１０の例示となる１８−４８ＹＳＺ粉末の粒径分布を説明するグラフである。さらに、前記例示となる１８−４８ＹＳＺ粉末の粒径分布の詳細は、表１に含まれる。

【0069】

【表1】

【0070】

未焼成の相互接続セルを焼成して、一体化された、高密度の相互接続セルを形成した。図１２は、前記一体化された、高密度の相互接続セルの一部を含むＳＥＭ断面画像である。前記カソード・バルク層は、約１３５０μｍの厚みの、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成を有するＬＳＭ材料を含んだ。前記アノード・バルク層は、ニッケル酸化物およびＹＳＺを含み、約１３５０μｍの厚みを有した。相互接続層１２０２は、約３６μｍの合計厚みを有するＬＳＴＮ４．０の２つの「層」を含んだ。

【0071】

カソード・ボンディング層１２０４を、前記１８−４８ＹＳＺ粉末と、０．５８μｍのｄ_１０、１．３８μｍのｄ_５０、２．６９μｍのｄ_９０および４．２３ｍ^２／ｇのＳＳＡを有する、（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２）_０．９８ＭｎＯ_３の組成のＬＳＭ粉末とから形成した。焼成前の未焼成のカソード・ボンディング層の組成は、３６．７０重量％のＬＳＭ、５５．０５重量％のＹＳＺおよび８．２５重量％のカーボンブラック（焼成中における気孔形成材としてのｃ−ブラック）を含んだ。前記一体化された、高密度のカソード・ボンディング層１２０４は、約２５μｍの厚みを有した。

【0072】

アノード・ボンディング層１２０６を、前記１８−４８ＹＳＺ粉末と、０．４６μｍのｄ_１０、０．７４μｍのｄ_５０、１．５０μｍのｄ_９０および３．４３ｍ^２／ｇのＳＳＡのニッケル酸化物粉末とから形成した。カソード・ボンディング層１２０４は、約２５μｍの厚みを有した。焼成前の未焼成のアノード・ボンディング層の組成は、４２．０重量％のＮｉＯおよび５８．０重量％のＹＳＺを含んだ。前記一体化された、高密度のアノード・ボンディング層１２０６は、約２５μｍの厚みを有した。

【0073】

図１２は、ボンディング層１２０４、１２０６を形成するために、前記１８−４８ＹＳＺ粉末を使用することにより、ＳＯＦＣスタックの性能を改善し得る、微細構造および気孔率をもたらすことを説明する。

【0074】

図１２のＳＥＭ画像は、実質的に均一な厚みの前記相互接続層（ＩＣ）、前記カソード・ボンディング層（ＣＢＬ）および前記アノード・ボンディング層（ＡＢＬ）を含む微小構造を図示する。前記微小構造は、さらに、前記ＩＣ／ＡＢＬとＩＣ／ＣＢＬとの間における良好な結合を示し、ならびに、前記ＡＢＬおよびＣＢＬにおける材料に起因する、実質的に欠陥が無い、例えば、クラックを含まず、および、パンクチャー効果を示さない高密度のＩＣ層を示す。さらに、前記ＣＢＬおよびＡＢＬは、還元後に、１２体積％と４０体積％との間の範囲の、良好な気孔率を有する（ＡＢＬの気孔率は、ＮｉＯがＮｉに還元された後に測定されるであろう。）。

【0075】

ＡＢＬおよびＣＢＬの両方に関して、還元後の特定の範囲の気孔率（例えば、約１２から４０体積％）は、ＳＯＦＣスタックの高い性能を可能にし得る。前記ＡＢＬおよびＣＢＬにおいて、高すぎる気孔率は、前記ＩＣ／ＣＢＬとＩＣ／ＡＢＬとの間における乏しい結合および乏しい接触の原因となる場合があり、前記相互接続セルについての高いＡＳＲをもたらす。前記ＡＢＬにおける低すぎる気孔率は、前記ＩＣ／ＡＢＬの界面およびＡＢＬにおける、前記燃料（例えば、Ｈ_２）の分圧を低下させ、前記ＡＢＬにおけるＮｉＯ還元および前記ＬＳＴＮ還元の速度を低下させ、または、妨げることさえある（ＬＳＴＮ材料は、Ｔｉ^４＋からＴｉ^３＋への還元が還元条件下において好ましいため、空気条件においてより、還元条件において、より高い導電性を有する。）。結果として、還元条件下、例えば、Ｈ_２において試験した場合、より多くのＴｉ^３＋が存在し、前記還元条件により、空気においてより、燃料ガス（Ｈ_２）におけるＬＳＴＮ材料の高い導電性が説明される。前記ＣＢＬにおける低すぎる気孔率は、ＩＣ／ＣＢＬの界面およびＣＢＬにおける、酸素の分圧を低下させる場合があり、燃料電池の動作中に、前記ＬＳＭ／ＹＳＺ界面において、ＬＳＭ相の安定性を低下させ、導電性−制限組成の形成を増加させる。

【0076】

気孔率に関して、画像分析ソフトウェアを使用して、カソード・ボンディング層１２０４の気孔率を、±２．０％の標準偏差を有する１６％と推定した。ＮｉＯ還元前において、アノード・ボンディング層１２０６の気孔率を、±２．１％の標準偏差を有する１２．６％と推定した。

【0077】

図１３は、電気化学的試験前の、カソード・ボンディング層１２０４の孔径分布を説明する。特に、図１３は、カソード・ボンディング層１２０４における、（ミクロンにおける）特定の最大長を有する孔の発生頻度を説明する。カソード・ボンディング層１２０４における孔の平均最大長は、±１．２８μｍの標準偏差を有する１．４２μｍである。

【0078】

図１４は、電気化学的試験前の、アノード・ボンディング層１２０６の孔径分布を説明する。特に、図１４は、アノード・ボンディング層１２０６における、（ミクロンにおける）特定の最大長を有する孔の発生頻度を説明する。アノード・ボンディング層１２０６における孔の平均最大長は、±１．５５μｍの標準偏差を有する１．５９μｍである。

【0079】

（図１０の前記例示となるＹＳＺ粉末から形成されたボンディング層を有する）一体化された、高密度の相互接続セルを、３２６０時間の期間にわたって、（比較例１で上記した）電気化学的試験に供した。図１５は、長期試験後の相互接続セルを示すＳＥＭ断面画像１５００である。図１５では、前記相互接続層を、１５０２と指定する。前記ボンディング層を、１５０４および１５０６と指定する。３２６０時間の試験後、相互接続層１５０２において、クラッキングは、実質的に観察されなかった。さらに、ボンディング層１５０４、１５０６のいずれかに由来する、粗いＹＳＺ粒子に関連するパンクチャー効果は存在しなかった（例えば、図３Ｂを参照のこと。）。

【0080】

図１５は、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末（例えば、実施例の「１８−４８」ＹＳＺ粉末）を含む材料から形成されたボンディング層を含む相互接続セルが、長期試験後において、前記相互接続層のクラッキングを、実質的に示さない場合があることを説明する。

【0081】

図１６は、２つの例示となる相互接続セルの面積固有抵抗（ＡＳＲ）の、（比較例１で上記した）長期電気化学的試験の結果を説明する。

【0082】

図１６は、約３６μｍの厚みを有するＬＳＴＮ４．０（例えば、それぞれ１８μｍの厚みを有するＬＳＴＮ４．０の２つの「層」）を含む相互接続層を有する、相互接続セルに関連するＡＳＲデータを説明する。約３６μｍの厚みを有する相互接続層の相互接続セルは、図１５のＳＥＭ断面画像において説明された、（ＡＳＲ試験前の）相互接続セル１５００に対応する。図１６に示すように、前記相互接続セルは、前記試験開始後約１７００時間以内に、定常状態のＡＳＲに達した。すなわち、前記相互接続セルは、最初の約１７００時間の試験において、ＡＳＲ低下を示さなかった。むしろ、前記ＡＳＲは、前記試験開始時における０．１８と０．２０オーム．ｃｍ^２との間から、約１７００時間における０．１６と０．１８オーム．ｃｍ^２との間に、約５％／ｋｈで低下した。約１７００時間において定常状態のＡＳＲに達した後、前記ＡＳＲは、１７００時間から３２６０時間の期間にわたって、約１．９％／ｋｈの速度で低下した。

【0083】

図１６は、さらに、約１８μｍの厚みを有するＬＳＴＮ４．０（例えば、１８μｍの厚みを有するＬＳＴＮ４．０の１つの「層」）を含む相互接続層を有する、相互接続セルに関連するＡＳＲデータを説明する。この場合、前記相互接続セルは、前記試験開始後約１１００時間以内に、定常状態のＡＳＲに達した。すなわち、前記相互接続セルは、最初の約１１００時間の試験において、ＡＳＲ低下を示さなかった。むしろ、前記ＡＳＲは、前記試験開始時における０．１４と０．１６オーム．ｃｍ^２との間から、約１１００時間における０．１２と０．１４オーム．ｃｍ^２との間に、約４％／ｋｈの速度で低下した。約１１００時間において定常状態のＡＳＲに達した後、前記ＡＳＲは、１１００時間から３２６０時間の期間にわたって、約３％／ｋｈの速度で低下した。

【0084】

図１６で説明された実施形態では、前記アノード・ボンディング層および前記カソード・ボンディング層は両方とも、図１０で説明された例示となるＹＳＺ粉末を含む材料から形成された。したがって、ボンディング層において、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の単峰性のＰＳＤを有するＹＳＺ粉末（例えば、図１０で説明された例示となるＹＳＺ粉末）を含む材料を使用することは、改善されたＡＳＲ性能を提供し得る。

【0085】

図１７を参照すると、一体化されたＳＯＦＣスタックを形成する方法の具体的な実施形態が説明され、全体として１７００と指定される。方法１７００は、１７０２において、第１の未焼成の電極層、前記第１の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第２の未焼成の電極層を有する第１の未焼成のセル構造体を形成する工程を含み得る。

【0086】

参考として、図１８は、一体化されたＳＯＦＣ構成（例えば、およびＳＯＦＣスタック）内に形成された、複数の未焼成の層を含む例示となるＳＯＦＣ物品１８００を説明する。定型的な例として、方法１７００は、第１の未焼成の電極層１８０４、第１の未焼成の電極層１８０４を覆う未焼成の電解質層１８０６および未焼成の電解質層１８０６を覆う第２の未焼成の電極層１８０８を有する第１の未焼成のセル構造体１８０２を形成する工程を含み得る。

【0087】

方法１７００は、１７０４において、第１の未焼成の電極層、前記第１の未焼成の電極層を覆う未焼成の電解質層および前記未焼成の電解質層を覆う第２の未焼成の電極層を有する第２の未焼成のセル構造体を形成する工程を含み得る。例えば、図１８を参照すると、方法１７００は、第１の未焼成の電極層１８１０、第１の未焼成の電極層１８１０を覆う未焼成の電解質層１８１２および未焼成の電解質層１８１２を覆う第２の未焼成の電極層１８１４を有する第２の未焼成のセル構造体１８０９を形成する工程を含み得る。

【0088】

方法１７００は、１７０６において、前記第１の未焼成のセル構造体と前記第２の未焼成のセル構造体との間に配置された未焼成の相互接続セルを形成する工程を含み得る。例えば、図１８を参照すると、方法１７００は、第１の未焼成のセル構造体１８０２と第２の未焼成のセル構造体１８０９との間に配置された未焼成の相互接続セル１８１６を形成する工程を含み得る。

【0089】

図１８で説明された実施形態では、未焼成の相互接続セル１８１６は、未焼成の相互接続層１８１８と、第１の未焼成のボンディング層１８２０と、第２の未焼成のボンディング層１８２２とを備える。例示となる、非限定的な実施形態として、未焼成の相互接続層１８１８は、ニオブドープされたチタン酸ランタン・ストロンチウム（ＬＳＴＮ）材料を含んでもよい。第１の未焼成のボンディング層１８２０は、未焼成の相互接続層１８１８と第１の未焼成のセル構造体１８０２との間に配置され得る。第２の未焼成のボンディング層１８２２は、未焼成の相互接続層１８１８と第２の未焼成のセル構造体１８０９との間に配置され得る。第１および第２の未焼成のボンディング層１８２０、１８２２は、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の単峰性の粒径分布を有するＹＳＺ粉末を含んでもよい。

【0090】

具体的な実施形態では、前記ＹＳＺ粉末は、２．５μｍより大きいｄ_９０の単峰性の中程度の粒径分布を有してもよい。さらに、前記ＹＳＺ粉末は、０．５μｍより大きい、またはさらに、０．６μｍより大きいｄ_１０の単峰性の粒径分布を有してもよい。さらに、前記ＹＳＺ粉末の実質的に全ての粒子が、１０μｍ未満の粒径の直径を有してもよい。具体的な実施形態では、前記ＹＳＺ粉末の比表面積（ＳＳＡ）は、４ｍ^２／ｇ以下、例えば、３ｍ^２／ｇ以下、またはさらに、２．５ｍ^２／ｇ以下であり得る。

【0091】

方法１７００は、さらに、１７０８において、前記第１の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第２の未焼成のセル構造体を焼成（例えば、自由焼成、加熱プレス）して、前記第１の未焼成のセル構造体、前記未焼成の相互接続セルおよび前記第２の未焼成のセル構造体を一体的に結合し、高密度の電解質層および相互接続層を含む、一体化されたＳＯＦＣスタックを形成する工程を含み得る。例えば、図１８を参照すると、方法１７００は、第１の未焼成のセル構造体１８０２、未焼成の相互接続セル１８１６および第２の未焼成のセル構造体１８０９を共に焼成して、第１の未焼成のセル構造体１８０２、未焼成の相互接続セル１８１６および第２の未焼成のセル構造体１８０９を一体的に結合し、高密度の電解質層および相互接続層を含む、一体化されたＳＯＦＣセルスタックを形成する工程を含み得る。

【0092】

具体的な例示となる実施形態では、第１の未焼成のセル構造体１８０２の第１の未焼成の電極層１８０４は、未焼成のカソード層でもよい。第２の未焼成のセル構造体１８０９の第２の未焼成の電極層１８１４は、未焼成のアノード層でもよい。この場合、前記焼成工程は、それぞれ、図２および１２で説明された一体化された、高密度の相互接続セル２００および１２００の形成をもたらし得る。

【0093】

具体的な実施形態では、前記未焼成のアノード・ボンディング層（例えば、第２の未焼成のボンディング層１８２２）に含まれる前記ＹＳＺ粉末は、前記未焼成のアノード層（例えば、第２の未焼成の電極層１８１４）の前記ＹＳＺ粉末とは異なる粒径分布を有し得る。すなわち、前記未焼成のアノード層に含まれるＹＳＺ粉末は、１μｍより大きいｄ_５０および２μｍより大きいｄ_９０の単峰性の粒径分布とは異なるＰＳＤ型を有し得る。

【0094】

上記開示の主題は、例示であり、制限的でないと見なされるべきである。添付の特許請求の範囲が、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。

【0095】

本開示の要約は、特許請求の範囲の範囲または意味を、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で提供される。さらに、前述の詳細な説明では、本開示を合理化する目的のために、種々の特徴が共にグループ化され、または、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更なる特徴を要求する意図を反映すると解釈されるべきではない。むしろ、下記特許請求の範囲を参照する場合、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を対象にしなくてもよい。このため、下記特許請求の範囲は、各請求項が、個々にクレームされた主題を規定するようにそれ自身を主張することにより、前記詳細な説明に包含される。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】