特許 6152171 固体酸化物燃料電池における層のための粉末混合物

(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】6152171

(24)【登録日】2017年6月2日

(45)【発行日】2017年6月21日

(54)【発明の名称】固体酸化物燃料電池における層のための粉末混合物

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20170612BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20170612BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20170612BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/86 U

   H01M8/12

   H01M4/88 T

【請求項の数】15

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2015-548057(P2015-548057)

(86)(22)【出願日】2013年12月17日

(65)【公表番号】特表2016-501435(P2016-501435A)

(43)【公表日】2016年1月18日

(86)【国際出願番号】US2013075865

(87)【国際公開番号】WO2014100040

(87)【国際公開日】20140626

【審査請求日】2015年8月5日

(31)【優先権主張番号】61/738,858

(32)【優先日】2012年12月18日

(33)【優先権主張国】US

(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

(72)【発明者】

【氏名】アラヴィンド・モハンラム

(72)【発明者】

【氏名】イエシュワンス・ナレンダー

(72)【発明者】

【氏名】ザカリー・アール・パターソン

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・ディー・ピアトラス

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５１３０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０８５７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２４５８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０９１６４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００６／０９２９１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０９−２４５８１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／８６ − ４／９８

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物燃料電池であって：
アノード層、
前記アノード層を覆う電解質層、および、
メジアン粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）を有するイオン伝導体粉末材料およびメジアン粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）を有する電子伝導体粉末材料の混合物から形成され、前記電解質層を覆うカソード機能層を含み、
前記イオン伝導体粉末材料の前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）が１．５μｍ以上および、１０μｍ以下であり、前記電子伝導体粉末材料の前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）が０．１μｍ以上および、５μｍ以下であり、
前記イオン伝導体粉末材料が前記カソード機能層に４０体積％以上の量で存在し、
前記カソード機能層が０．２点／μｍ^２以上４点／μｍ^２以下の範囲内の三重点境界点を含む、固体酸化物燃料電池。

【請求項2】

前記イオン伝導体粉末材料のメジアン粒径対前記電子伝導体粉末材料のメジアン粒径の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）が、０．７：１超かつ１０：１以下である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項3】

前記イオン伝導体粉末材料の体積対前記電子伝導体粉末材料の体積の比が、１．１：１超である、請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項4】

前記イオン伝導体粉末材料が前記カソード機能層に５０体積％以上の量で存在する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項5】

前記イオン伝導体粉末材料のメジアン粒径対前記電子伝導体粉末材料のメジアン粒径の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）が、０．７：１超かつ５：１未満である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項6】

前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）または前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）の少なくとも一方が、２．０μｍ以上である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項7】

カソードバルク層をさらに含み、前記カソード機能層が、前記電解質層と前記カソードバルク層の間にある、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項8】

前記カソード機能層が、１ｍｍ以下、少なくとも０．５μｍの厚さを有する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項9】

前記イオン伝導体粉末材料が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項10】

前記電子伝導体粉末材料が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含む、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。

【請求項11】

固体酸化物燃料電池用に構成される層を形成する方法であって：
メジアン粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）を有するイオン伝導体粉末材料およびメジアン粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）を有する電子伝導体粉末材料を付与することと；
前記イオン伝導体粉末材料および前記電子伝導体粉末材料の混合物からカソード機能層を形成することと、を含み、
前記イオン伝導体粉末材料の前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）が１．５μｍ以上および１０μｍ以下であり、
前記電子伝導体粉末材料の前記メジアン粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）が０．１μｍ以上および、５μｍ以下であり、
前記イオン伝導体粉末材料が前記カソード機能層に４０体積％以上の量で存在し、
前記カソード機能層が０．２点／μｍ^２以上４点／μｍ^２以下の範囲内の三重点境界点を含む、方法。

【請求項12】

前記カソード機能層が、アノード層、電解質層、カソードバルク層、またはこれらの組み合わせと共に焼結またはホットプレスされることによって形成される、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記イオン伝導体粉末材料のメジアン粒径対前記電子伝導体粉末材料のメジアン粒径の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）が、０．７：１超かつ５：１未満である、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記イオン伝導体粉末材料が酸化物を含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記電子伝導体粉末材料がランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

以下は、粉末混合物、該粉末混合物から形成される層、該層から形成される電極、該電極を含有する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、およびＳＯＦＣを形成する方法を対象とする。

【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、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として、硬質セラミック化合物金属（例えば、セリウムまたはジルコニウム）酸化物を用いる。いくつかの場合において、燃料電池アセンブリは、スタックとして設計されており、カソード、アノード、およびカソードとアノードとの間の固体電解質を含むことができる。各スタックは、サブアセンブリと見なされ得、他のスタックと合わされて完全なＳＯＦＣ物品を形成することができる。ＳＯＦＣ物品の組立において、電気的な相互接続が、１つ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設置され得る。

【0003】

典型的には、固体酸化物燃料電池において、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、該酸素イオンによって酸化されてアノードにおいて水を形成する。カソードの主な機能は、特に、酸素ガスの電気的還元のための反応部位を提供することである。カソード材料は、酸化環境において安定であり、かつ、十分な電子およびイオン伝導性、操作条件下での酸素ガス還元のための触媒活性、ガス拡散、ならびに周囲の成分との化学的および物理的適合性を有する必要がある。

【0004】

カソード反応速度論を促進するには、還元反応のための多数の三重点境界（ＴＰＢ）部位を含むことが典型的には望ましい。ＴＰＢ部位は、カソードのカソード機能層（ＣＦＬ）であって、カソードバルク層と電解質との間にあり、これらと直接物理接触する典型的には薄層に典型的には集中している。多孔質カソード構造は、ガス状の反応体がＴＰＢ部位内に確実に拡散することを助ける。

【0005】

しかし、ＳＯＦＣは、ＴＰＢ部位の量が変動し得る。特に、カソード機能層を形成するのに使用される異なる組成のセラミックスを含めた、ＳＯＦＣの種々の成分を形成するのに使用される材料は、適切に選択されなければＴＰＢ部位の量の低下およびＳＯＦＣ物品の性能（電力密度）の劣化をもたらし得る違った材料、化学および電気特性を示す。

【0006】

業界では、改良されたＳＯＦＣ物品が要求され続けている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本開示は、より良好に理解され得、その多数の特徴および利点が、添付の図を参照することによって当業者に明らかとなる。

【図1】図１は、本明細書に記載されている実施形態によるＳＯＦＣ単位セルサブアセンブリを示す。

【図2】図２は、本明細書に記載されている実施形態によるＳＯＦＣ単位セルサブアセンブリを示す。

【図3】図３は、本明細書に記載の実施形態の例によってポテンシオスタット／ガルバノスタットを用いて記録された３つの電流電圧（ＩＶ）曲線を示す、電力密度および電圧降下を求めるためのグラフを示す。

【0008】

当業者は、図における要素が、簡潔および明瞭のために示されていること、ならびに必ずしも縮尺通りに描かれていないことを認識する。例えば、図における要素のいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解の改善を助けるために他の要素に対して拡大されている可能性がある。異なる図における同じ参照符号の使用は、同様または同一の項目を示している。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図と組み合わせた以下の記載は、本明細書に開示されている教示の理解を補助するのに提供される。以下の議論は、該教示の具体的な実行および実施形態に焦点を当てる。この焦点は、該教示の記載を補助するのに提供され、該教示の範囲または適用可能性の限定として解釈されるべきではない。

【0010】

本明細書において用いられているとき、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、または任意の他の変形体は、非排他的な包含をカバーすることが意図される。例えば、特徴の列挙を含むプロセス、方法、物品または装置は、必ずしもこれらの特徴に限定されず、明確に列挙されていないまたはかかるプロセス、方法、物品もしくは装置に固有の他の特徴を含むことができる。さらに、反対であると明確に記述されていない限り、「または（ｏｒ）」は、包括的な−または−を称するのであって、排他的な−または−を称するのではない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下のいずれか１つによって満たされる：Ａが真（または存在）かつＢが偽（または存在しない）、Ａが偽（または存在しない）かつＢが真（または存在）、ならびにＡおよびＢの両方が真（または存在）。

【0011】

「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」の使用は、本明細書に記載の要素および構成成分を記載するのに使用される。これは、単に便宜上なされるものであり、本発明の範囲の一般的な意味を付与するためのものである。当該記載は、１つまたは少なくとも１つを含むと読み取られるべきであり、他のことが意味されていることが明らかでない限り、単数形は、複数形も含み、その逆も然りである。

【0012】

本明細書において用いられているとき、句「平均粒径」は、当該分野においてｄ_５０とも一般に称されるメジアン粒径を称する。

【0013】

別途定義されていない限り、本明細書において用いられている全ての技術的科学的用語は、本発明が属する分野において通常の知識を有する者によって一般に理解されているのと同じ意味を有する。材料、方法および例は、単に説明的であり、限定的であることは意図されていない。

【0014】

本明細書に記載の実施形態によると、ＳＯＦＣ用の電極の層を作製するように構成される原料粉末材料は、イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料を含有することができる。少なくとも、本明細書に記載の、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）対電子伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）の比を制御することにより、層、例えば、原料粉末から作製されるカソード機能層が、ＳＯＦＣにおいて、増加した空隙率、増加したＴＰＢ部位、および増加した電力密度を示すことができる。

【0015】

ここで図１を参照すると、ＳＯＦＣ単位セルは、アノード層１０３、カソード層１０５、およびアノード層１０３とカソード層１０５との間の電解質層１０１を含むことができる。図２にさらに示すように、アノード層１０３は、電解質に隣接するアノード機能層１０９と、アノード機能層１０９を覆うアノードバルク層１０７とを含むことができ、カソード層１０５は、電解質に隣接するカソード機能層１１１と、カソードバルク層１１３とを含むことができる。

【0016】

本明細書に示す単位セル１００における成分層を組み立てる前に、該層のそれぞれを個々に形成することができる。すなわち、該層を（例えば、グリーン層として）別個に形成し、一緒に単位セル１００に組み立てることができる。代替的には、該層を（例えば、グリーン状態で）互いに連続して形成してもよい。特定の実施形態において、グリーンＳＯＦＣ単位セル１００は、単一の焼結プロセス（例えば、単一の、自由焼結プロセス）、または圧力補助焼結プロセス（例えばホットプレス（ＨＰ）、焼結鍛造など）において焼結されてよく、また、共焼結プロセス（２つ以上の成分層を一緒に同時に焼結する）において焼結されて、焼結されたＳＯＦＣ単位セルを形成してもよい。

【0017】

本明細書において、「グリーン」物品への言及は、緻密化または粒成長に影響する焼結を経ていない材料への言及である。グリーン物品は、乾燥されて低含水量を有していてよいが焼成されていない未仕上げの物品である。グリーン物品は、それ自体およ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。

【0018】

以下により詳細に記載されている、本明細書における実施形態に従って記載されている層は、限定されないが、ホットプレス、鋳造、堆積、印刷、押出、積層、金型プレス、ゲル鋳造、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧縮、射出成形、およびこれらの組み合わせを含めた技術を通して形成され得る。１つの特定の例において、層のうち１つ以上が、ホットプレスを介して形成され得る。グリーン層が、まず、典型的にはテープ鋳造を通して形成され、後に積み重ねられて、共焼結またはホットプレスされる。

【0019】

アノード層１０３は、電解質層１０１に隣接し、かつカソード層１０５と対向して設置され得る。特に、アノード層１０３は、電解質層１０１と直接接触することができる。加えて、アノード層１０３は、相互接続層（図示せず）と直接接触することができる。ある一定の場合において、アノード層１０３と電解質層１０１との間に、またはアノード層１０３と相互接続層との間に任意の介在するバッファー層が存在していてもしていなくてもよい。

【0020】

特定の例において、アノード層１０３は、サーメット材、すなわち、セラミックおよび金属材料の組み合わせであってよい。いくつかの好適な金属として、例えば、ニッケルまたは銅を含めた遷移金属種を挙げることができる。アノード層１０３は、例えば、セラミック材料、特に酸化物材料を含めたイオン伝導体を含むことができる。例えば、アノード層１０３は、ニッケル、および、例えばイットリア安定化ジルコニアを含めたジルコニア系材料によって形成されていてよい。代替的には、アノード層１０３は、例えば、酸化ガドリニウム安定化セリアを含めたセリア系材料を含むことができる。ニッケルは、アノードグリーン材料に含まれるニッケル酸化物の還元を通して生成されてよい。代替的には、ある一定の他の種の酸化物材料、例えばチタネート、マンガナイト、クロマイト、これらの組み合わせなどがアノード層１０３に用いられてよいことが認識されよう。かかる酸化物は、ペロブスカイト材料であってもよいことが認識されよう。

【0021】

アノード層１０３は、薄くて実質的に平面状の材料層であることができる。アノード層１０３は、電解質層１０１または相互接続層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、アノード層１０３は、少なくとも約５０μｍ、例えば少なくとも約１００μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約７００μｍ、少なくとも約１ｍｍ、またはさらには少なくとも約１．５ｍｍの平均厚さを有することができる。さらに、アノード層１０３は、約５ｍｍ以下、例えば約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、またはさらには約２．５ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。アノード層１０３は、上記最小および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認識されよう。

【0022】

アノード層１０３は、本明細書における実施形態による単位セルの形成を促進する特定の粒子サイズを有する粉末電極材料から形成され得る。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、またはさらには約１μｍ未満の平均粒子サイズを有することができる。さらに、特定の例において、粉末電極材料の平均粒子サイズは、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、またはさらには少なくとも約０．４μｍであることができる。粉末電極材料は、上記最小および最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒子サイズを有することができることが認識されよう。

【0023】

アノード層１０３は、多孔質層であることができる。空隙率は、燃料をＳＯＦＣ物品に送達するのに利用され得るチャネルの形態であってよい。チャネルは、アノード層１０３の容積にわたって特定の様式で、例えば規則的な繰り返しパターンで配置されていてよい。任意の好適な技術を用いて空隙率および／またはチャネルを形成することができ、例として、パターン化ロールを圧縮ロールにおいて用い、プリフォームを通した押出を用いて、形作られた飛散物を取り込み、エンボス加工し、テープ内にチャネルを切削し、次いでテープを積層してチャネルを画定することが挙げられる。

【0024】

飛散物のための可能性のある種々の材料、例えば、カソードおよびアノード層内にチャネルまたは通路を形成するのに用いることができるグラファイトまたは繊維などが存在する。飛散物は、熱処理の際に揮発または脱ガスしてＳＯＦＣ物品を形成する材料から選択されてよい。一実施形態において、飛散物は、有機材料であってよい。飛散物のある一定の好適な例として、天然繊維、綿、靱皮繊維、コード用繊維、または動物繊維、例えばウールが挙げられる。代替的には、飛散物は、製造された材料、例えば、再生セルロース、二酢酸セルロース、三酢酸セルロース、デンプン、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリル、ポリビニル、ポリオレフィン樹脂、炭素もしくはグラファイト繊維、または液晶ポリマーであってよい。飛散物は、結着材、例えば合成ゴム、熱可塑性物質、またはポリビニル、および可塑化材料、例えばグリコールおよびフタレート群であってもよい。別の実施形態において、該材料は、パスタ、例えばスパゲッティであることができる。

【0025】

再び図２を参照すると、アノード層１０３は、アノードバルク層１０７およびアノード機能層１０９を含むことができる。アノードバルク層１０７は、アノード機能層１０９と直接接触することができ、アノード機能層１０９もまた、電解質層１０１と直接接触していてよい。他の実施形態において、アノードバルク層１０７は、アノード機能層１０９およびアノード接着層（図示せず）に直接接着していてよい。アノードバルク層１０７は、本明細書に記載のアノード層１０３と同じ材料を含むことができる。

【0026】

アノードバルク層１０７のグリーン材料は、アノード機能層１０９よりも概して粗い材料から形成されていてよい。特定の例において、アノードバルク層１０７は、第１粒子および第２粒子を含有することができる非凝集粒子から形成されていてよい。第１粒子は、第２の粒子サイズを超える平均粒子サイズ、例えば少なくとも１０倍超、少なくとも３０倍超、または少なくとも５０倍超の平均粒子サイズを有することができる。ある一定の実施形態において、第１粒子は、約１０μｍ〜１００μｍの間、約２５μｍ〜７５μｍの間、またはさらには約４０〜６０μｍの間の範囲を有する平均粒子サイズを有することができる。第２粒子は、約０．０１μｍ〜２０μｍの間、約０．０５μｍ〜１０μｍの間、またはさらには約０．１μｍ〜５μｍの間の範囲を有する平均粒子サイズを有することができる。

【0027】

アノードバルク層１０７は、アノード機能層１０９の平均厚さを超える平均厚さを有する、薄くて実質的に平面状の材料層であることができる。特に、アノードバルク層１０７は、約５ｍｍ以下、例えば約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、または約２．５ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。さらに、アノードバルク層１０７は、少なくとも約５０μｍ、例えば少なくとも約１００μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約１ｍｍ、または少なくとも約１．５ｍｍの平均厚さを有することができる。アノードバルク層１０７は、上記最小および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認識されよう。

【0028】

アノード機能層１０９は、電解質層１０１と直接接触していてよい。より特定的には、アノード機能層１０９は、電解質層１０１と直接結着していてよい。アノード機能層１０９は、本明細書に記載のアノード層１０３と同じ材料を含むことができる。アノード機能層１０９は、完成したＳＯＦＣ物品の好適な電気的および電気化学的特性を促進し、アノードと電解質との電気的および機械的接続を改善することができる。

【0029】

特定の例において、アノード機能層１０９のグリーン材料は、約１００μｍ以下、例えば約７５μｍ以下、ある一定の実施形態では約４５μｍ以下の平均粒子サイズを有することができる粉末から形成されていてよい。加えて、粉末は、第１粒子および第２粒子の混合物であってよく、ここで、第１粒子は、第２粒子よりも著しく微細な粒子サイズを有していてよい。例えば、ある一定の実施形態において、第１粒子は、第２粒子サイズを超える、例えば少なくとも２倍超、少なくとも３倍超、または少なくとも４倍超の平均粒子サイズを有することができる。ある一定の実施形態において、第１粒子は、約１μｍ〜５０μｍの間、約１．５μｍ〜２５μｍの間、またはさらには約２〜１０μｍの間の範囲を有する平均粒子サイズを有することができる。第２粒子は、約０．０１μｍ〜２０μｍの間、約０．０５μｍ〜１０μｍの間、またはさらには約０．１μｍ〜５μｍの間の範囲内の平均粒子サイズを有することができる。かかる粒子サイズは、アノード機能層１０９内の好適な細孔サイズおよび粒サイズの形成を促進することができる。

【0030】

アノード機能層１０９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、またはさらには約５０μｍ以下の平均厚さを有する、薄くて実質的に平面状の材料層であることができる。さらに、アノード機能層１０９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、またはさらには少なくとも約２０μｍの平均厚さを有することができる。アノード機能層１０９は、上記最小および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認識されよう。

【0031】

再び図１を参照すると、ＳＯＦＣ単位セルは、カソード層１０５を含むことができる。一実施形態において、カソード層１０５は、無機材料からなっていてよい。ある一定の好適な無機材料として、酸化物を挙げることができる。カソード層１０５は、希土類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、カソード層１０５は、元素、例えばランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびこれらの組み合わせを含むことができる。

【0032】

１つの特定の実施形態において、カソードのための材料として、マンガン酸ランタン材料を挙げることができる。カソードは、カソード組成物がペロブスカイト型結晶構造であることを前提として、ドープトマンガン酸ランタン材料からなっていてよい。したがって、ドープトマンガン酸ランタン材料は、アルカリ土類金属、鉛、または約０．４〜０．９Åの間の原子比率を有する概して二価のカチオンから選択され得るドーパント材料を有していてよい。一実施形態によると、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。特定の実施形態によると、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。

【0033】

カソード層１０５は、電解質層１０１または相互接続層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、カソード層１０５は、少なくとも約５０μｍ、例えば少なくとも約１００μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約１ｍｍ、またはさらには少なくとも約１．５ｍｍの平均厚さを有することができる。さらに、カソード層１０５は、約５ｍｍ以下、例えば約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、またはさらには約２ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。別の例において、カソード層１０５は、約２ｍｍ以下、例えば約１．９ｍｍ以下、約１．８ｍｍ以下、約１．７ｍｍ以下、または約１．６ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。カソード層１０５は、上記最小および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認識されよう。

【0034】

再び図２を参照すると、カソード層１０５は、カソードバルク層１１３およびカソード機能層１１１を含むことができる。カソードバルク層１１３は、本明細書に記載のカソード材料のいずれかからなっていてよく、本明細書に記載のカソード層１０５の特性のいずれかを有していてよい。

【0035】

カソードバルク層１１３は、電解質層１０１またはカソード機能層１１１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、カソード層１０５は、少なくとも約５０μｍ、例えば少なくとも約１００μｍ、少なくとも約３００μｍ、少なくとも約５００μｍ、少なくとも約７００μｍ、少なくとも約１ｍｍ、またはさらには少なくとも約１．５ｍｍの平均厚さを有することができる。さらに、カソード層１０５は、約５ｍｍ以下、例えば約４ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、またはさらには約２ｍｍ以下の平均厚さを有することができる。別の例において、カソード層１０５は、約２ｍｍ以下、例えば約１．９ｍｍ以下、約１．８ｍｍ以下、約１．７ｍｍ以下、または約１．６ｍｍ以下である平均厚さを有することができる。カソード層１０５は、上記最小および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認識されよう。

【0036】

一実施形態によると、カソード機能層１１１は、本明細書に記載のカソードと同じ材料を含むことができる。また、カソード機能層１１１は、材料の組み合わせ、例えば、カソードバルク層１１３および電解質層１０１の材料の組み合わせを含むことができる。例えば、特定の実施形態において、カソード機能層１１１は、電子伝導材料およびイオン伝導材料の組み合わせを含むことができる。

【0037】

ある一定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料として、無機材料、例えばセラミック材料を挙げることができる。例えば、イオン伝導体粉末材料として、酸化物材料を挙げることができる。いくつかの好適な酸化物として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、より特定的には、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）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、およびこれらの組み合わせなどの元素を含むことができる安定化剤またはドーパントなどの他の元素を組み込むことができるジルコニア系材料を挙げることができる。特定の実施形態において、イオン伝導体材料として、一般にはＹＳＺと称されるＹ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２を挙げることができる。特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料は、８モル％Ｙ_２Ｏ_３がドープされたＺｒＯ_２（すなわち、８モル％Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２）または１０モル％Ｙ_２Ｏ_３がドープされたＺｒＯ_２（すなわち、１０モル％Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２）からなっていてよい。他の例示的なイオン伝導体粉末材料として、安定化イットリウム−ジルコネート（例えば、Ｙ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）を挙げることができる。より特定的な実施形態において、イオン伝導体粉末材料は、ＹＳＺから本質的になっていてよい。

【0038】

ある一定の実施形態において、電子伝導体粉末材料は、無機材料を含むことができる。ある一定の好適な無機材料は、酸化物を含むことができる。電子伝導体粉末材料は、希土類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、電子伝導体粉末材料は、元素、例えばランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、およびこれらの組み合わせを含むことができる。１つの特定の実施形態において、電子伝導体粉末材料は、マンガン酸ランタン材料を含むことができる。電子伝導体粉末材料は、ドープトマンガン酸ランタン材料を含むことができる。特定の実施形態において、ドーパント材料は、アルカリ土類金属、鉛、または約０．４〜０．９Åの間の原子比率を有する概して二価のカチオンから選択されてよい。このように、一実施形態によると、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。特定の実施形態によると、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。特定の実施形態において、電子伝導体粉末材料は、ＬＳＭから本質的になっていてよい。さらにより特定的な実施形態において、カソード機能層１１１は、ＹＳＺおよびＬＳＭから本質的になっていてよい。

【0039】

ある一定の実施形態において、特性、例えばイオン伝導体粉末材料対電子伝導体粉末材料の特定の平均径比が、従来の１：１の比と比較して、ＳＯＦＣにおいて、カソード機能層１１１として、増加した電力密度を示すことが驚くべきことに見出された。例えば、ある一定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）対電子伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）は、約０．７：１超、例えば約０．８：１超、約０．９：１超、約１：１超、約１．１：１超、約１．５：１超、約１．８：１超、約１．９：１超、またはさらには約２：１超であってよい。ある一定のさらなる実施形態において、該比は、約１０：１未満、約５：１未満、約４：１未満、約３：１未満、約２．５：１未満、約２．１：１未満、約２．０：１未満、またはさらには約０．９：１未満であってよい。また、該比は、本明細書に記載の比のいずれかの間およびこれらを含む範囲内であってよい。例えば、特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）対電子伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）は、約１．９：１〜約２．１：１の範囲であってよい。別の特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）対電子伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｅ）}）の比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）は、約０．８：１〜約１．１：１の範囲であってよい。

【0040】

ある実施形態において、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}またはイオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）の少なくとも一方は、粗くてよい。ある一定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）は、粗くてよい。例えば、特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）は、約０．５μｍ以上、約０．８μｍ以上、約１μｍ以上、約１．５μｍ以上、約１．８μｍ以上、約２μｍ超、約２．２μｍ以上、さらには約２．５μｍ以上、またはさらには約２．７以上であってよい。他の特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｉ）}は、約１０μｍ以下、約５μｍ以下、約４．５μｍ以下、約４μｍ以下、約３．５μｍ以下、約３．１μｍ以下、約３．０μｍ以下、またはさらには約２．９μｍ以下であってよい。また、イオン伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｉ）}は、本明細書に記載のイオン伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｉ）}のいずれかの間およびこれらを含む範囲内であってよい。特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｉ）}は、２．６μｍ〜３．０μｍの範囲であってよい。別の特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｉ）}は、２．７μｍ〜２．９μｍの範囲であってよい。

【0041】

ある一定の実施形態において、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}は、粗くてよい。例えば、特定の実施形態において、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}は、約０．１μｍ以上、約０．５μｍ以上、約１μｍ以上、約１．５μｍ以上、約２．０μｍ以上、約２．５μｍ以上、またはさらには約３．０μｍ以上であってよい。他の実施形態において、電子伝導体粉末材料のｄ_５０は、約５０μｍ以下、約１０μｍ以下、約５μｍ以下、約４．５μｍ以下、約４．０μｍ以下、約３．５μｍ以下、約３μｍ以下、約２．５μｍ以下、約２μｍ以下、またはさらには約１．５μｍ以下であってよい。また、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}は、本明細書に記載の電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}のいずれかの間およびこれらを含む範囲内であってよい。例えば、特定の例において、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}は、約１．２μｍ〜約１．６μｍの範囲内であってよい。別の特定の例において、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}は、約２．８μｍ〜約３．２μｍの範囲内であってよい。

【0042】

ある一定の実施形態において、特性、例えば、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせが、比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有するカソード機能層と比較して、ＳＯＦＣにおいて、カソード機能層１１１として、増加した電力密度を示すことが驚くべきことに見出された。例えば、特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせは、約２．５μｍ以上、例えば約２．６μｍ以上、約２．７μｍ以上、約２．８μｍ以上、約２．９μｍ以上、またはさらには約３．０μｍ以上の、イオン伝導体粉末材料の平均粒径を含むことができる。他の特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせは、約３．５μｍ以下、例えば約３．４μｍ以下、約３．３μｍ以下、約３．２μｍ以下、約３．１μｍ以下、またはさらには約３．０μｍ以下の、イオン伝導体粉末材料の平均粒径を含むことができる。また、電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせにおけるイオン伝導体粉末材料の平均粒径は、本明細書に記載のイオン伝導体粉末材料の平均粒径のいずれかの範囲であってよい。特定の例において、電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせにおけるイオン伝導体粉末材料の平均粒径は、２．６μｍ〜３．１０μｍの範囲であってよい。

【0043】

非限定的な実施形態において、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせは、約２．５μｍ以上、例えば約２．６μｍ以上、約２．７μｍ以上、約２．８μｍ以上、約２．９μｍ以上、またはさらには約３．０μｍ以上の、電子伝導体粉末材料の平均粒径を含むことができる。他の特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせは、約３．５μｍ以下、例えば約３．４μｍ以下、約３．３μｍ以下、約３．２μｍ以下、約３．１μｍ以下、またはさらには約３．０μｍ以下の、電子伝導体粉末材料の平均粒径を含むことができる。また、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせにおける電子伝導体粉末材料の平均粒径は、本明細書に記載の電子伝導体粉末材料の平均粒径のいずれかの範囲であってよい。特定の例において、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせにおける電子伝導体粉末材料の平均粒径は、２．８μｍ〜３．２μｍの範囲であってよい。別の態様において、原料粉末は、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比を含むことができる。ある一定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、１：１超、１．１：１以上、１．２：１以上、１．３：１以上、１．４：１以上、１．５：１以上、１．６：１以上、１．７：１以上、１．８：１以上、１．９：１以上、２．０：１以上、２．１：１以上、２．２：１以上、２．３：１以上、またはさらには２．４：１以上であってよい。ある一定のさらなる実施形態において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、２．５：１以下、２．４：１以下、２．３：１以下、２．２：１以下、２．１：１以下、２．０：１以下、１．９：１以下、１．８：１以下、１．７：１以下、１．６：１以下、またはさらには１．５：１以下であってよい。特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、本明細書に記載の、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比のいずれかの間およびこれらを含む範囲内であってよい。例えば、特定の例において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、１．４：１〜１．６：１の範囲内であってよい。

【0044】

さらに別の態様において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末は、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末と実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の平均粒径を有する原料粉末から形成されたカソード機能層と比較して、ＳＯＦＣにおいて、カソード機能層１１１として、増加した電力密度を示すことが驚くべきことに見出された。例えば、１つの特定の例において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、１．８：１〜２．４：１の範囲内であってよい。別の特定の例において、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比は、２．１：１〜２．３：１の範囲内であってよい。

【0045】

イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末と実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）とは、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末の１０％以内、例えば８％以内、５％以内、またはさらには２％以内の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）を有することを意味することが認識されよう。

【0046】

また、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するとは、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である原料粉末のイオン伝導体粉末材料または電子伝導体粉末材料のいずれかの１０％以内、例えば８％以内、５％以内、またはさらには２％以内の平均粒径を有することを意味することも認識されよう。

【0047】

さらなる実施形態において、イオン伝導体粉末材料は、約２０体積％以上、約３０体積％以上、約３５体積％以上、４０体積％以上、５０体積％以上、またはさらには６０体積％以上の量で存在していてよい。なおさらなる実施形態において、イオン伝導体粉末材料は、約８０体積％以下、約７５体積％以下、約７０体積％以下、または約６５体積％以下の量で層に存在していてよい。特定の実施形態において、イオン伝導体粉末材料の体積は、本明細書に記載のイオン伝導体粉末材料の体積％のいずれかの間およびこれらを含む範囲内であってよい。

【0048】

ある一定の実施形態において、カソード機能層１１１は、μｍ^２当たり約０．２以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約０．５以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１以上のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約１．５以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１．８以上のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約２．３以上のＴＰＢ点を有することができる。さらなる実施形態において、カソード機能層１１１は、μｍ^２当たり約０．２のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約０．５のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約１．５超のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１．８以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約２．３以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点の範囲内のμｍ^２当たりのＴＰＢ点の範囲を有することができる。ある一定の実施形態において、層、および、特に、本明細書に記載のカソード機能層は、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が１：１であるカソード機能層よりも多くの、μｍ^２当たりのＴＰＢ点を有することができる。特に、本明細書に記載の層においては、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が１：１であるカソード機能層よりも少なくとも５％多く、少なくとも１０％多く、少なくとも１５％多く、少なくとも２０％多く、少なくとも２５％多く、またはさらには少なくとも約３０％多くてよい。μｍ^２当たりの、より多数のＴＰＢ点が、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が１：１であるＣＦＬと比較して、本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0049】

カソード機能層１１１は、完成したＳＯＦＣ物品の好適な電気特性を促進することができ、電解質とカソードとの間の電気的、電気化学的および機械的接続を改善することができる。特に、カソード機能層１１１は、特に多孔質層であってよい。ある一定の実施形態において、本明細書に記載のイオン伝導体粉末材料対電子伝導体粉末材料の平均粒径比、特に１．５：１超の比を有するカソード機能層１１１は、イオン伝導体粉末材料対電子伝導体粉末材料の平均粒径比が約１：１である層よりも高い空隙率を示すことができる。ある一定の実施形態において、本明細書に記載の実施形態によるカソード機能層１１１は、第１空隙率を有することができる。別のカソード機能層は、第２空隙率を有し、ここで、該別のカソード機能層は、該別のカソード機能層のイオン伝導体粉末材料対電子伝導体粉末材料の平均粒径比が約１：１であることを除いてカソード機能層１１１と実質的に同一である。第１空隙率は、第２空隙率よりも５％以上、１０％以上、１５％以上、２０％以上、またはさらには２５％以上高くてよい。特定の実施形態において、カソード機能層１１１は、約１０％超、約１５％超、約１７％超、約１８％超、約１９％超、約２０％超、約２２％超、約２３％超、約２４％超、またはさらには約２５％超の空隙率を有することができる。より高い空隙率が、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が１：１であるＣＦＬと比較して、本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0050】

カソード機能層１１１は、カソードバルク層１１３の平均厚さ未満である平均厚さを有する、薄くて実質的に平面状の材料層であってよい。特に、カソード機能層１１１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、またはさらには約５０μｍ以下の平均厚さを有することができる。さらに、カソード機能層１１１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、またはさらには少なくとも約２０μｍの平均厚さを有することができる。カソード機能層１１１は、上記最小および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認識されよう。

【0051】

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。いくつかの好適な酸化物として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、より特定的には、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）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、およびこれらの組み合わせなどの元素を含むことができる安定化剤またはドーパントなどの他の元素を組み込むことができるジルコニア系材料を挙げることができる。好適な電解質材料の特定の例として、Ｓｃ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２、Ｙｂ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２、Ｓｃ_２Ｏ_３−ドープトおよびＣｅＯ_２−ドープトＺｒＯ_２、およびこれらの組み合わせを挙げることができる。電解質層１０１は、セリア（ＣｅＯ_２）、より特定的には、セリア系材料、例えばＳｍ_２Ｏ_３−ドープトＣｅＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３−ドープトＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＣｅＯ_２、およびＣａＯ−ドープトＣｅＯ_２を含むこともできる。電解質材料１０１は、ランタニド系材料、例えばＬａＧａＯ_３を含むこともできる。ランタニド系材料は、限定されないが、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらの組み合わせが挙げられる特定の元素がドープされていてよい。いくつかの例示的な電解質材料として、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｎ_０．２Ｏ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｎ_０．１５Ｃｏ_０．５Ｏ_３、Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｎ_０．２Ｏ_３、ＬａＳｒＧａＯ_４、ＬａＳｒＧａ_３Ｏ_７、またはＬａ_０．９Ａ_０．１ＧａＯ_３：式中、Ａは、群Ｓｒ、Ｃａ、またはＢａからの元素の１つを表す；が挙げられる。１つの特定の実施形態によると、電解質層１０１は、８モル％Ｙ_２Ｏ_３がドープされたＺｒＯ_２（すなわち、８モル％Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２）からなっていてよい。８モル％Ｙ_２Ｏ_３は、特定のドーパント、例えばＡｌおよび／またはＭｎを有して、電解質材料の焼結を促進することができる。他の例示的な電解質材料として、ドープトイットリウム−ジルコネート（例えば、Ｙ_２Ｚｒ_２Ｏ_７）、ドープトガドリニウム−チタネート（例えば、Ｇｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７）およびブラウンミラライト（例えば、Ｂａ_２Ｉｎ_２Ｏ_６またはＢａ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）を挙げることができる。

【0052】

電解質層１０１は、特に、薄い平面状の材料層であってよい。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、またはさらには約２５μｍ以下の平均厚さを有することができる。さらに、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、または少なくとも約１０μｍの平均厚さを有することができる。電解質層１０１は、上記最小および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認識されよう。

【0053】

電解質層１０１は、鋳造、堆積、印刷、押出、積層、金型プレス、ゲル鋳造、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧縮、射出成形、およびこれらの組み合わせを介して形成され得る。電解質層１０１は、他の層の形成と別個にまたはこれの後に形成され得る。例えば、電解質層１０１は、他の予め形成された層（例えば、アノード層１０３またはカソード層１０５）の一方に形成され得る。とりわけ、特定の実施形態において、電解質層１０１の形成は、グリーン単位セル１００を形成する前に必ずしも焼結されず、次いで単一の焼結プロセス（例えば、単一の、自由焼結プロセス）において焼結されるグリーン材料層の形成を含む。

【0054】

電解質層１０１は、本明細書における実施形態による単位セルの形成を促進する特定の粒子サイズを有する粉末電解質材料から形成され得る。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、またはさらには約１μｍ未満の平均粒子サイズを有することができる。さらに、特定の例において、粉末電解質材料の平均粒子サイズは、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、またはさらには少なくとも約０．２μｍであってよい。粉末電解質材料は、上記最小および最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒子サイズを有することができることが認識されよう。

【0055】

ある一定のさらなる実施形態において、ＳＯＦＣは、アノード層を覆う相互接続層をさらに含んでいてよい。

【0056】

相互接続層は、無機材料を含めた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る。より特定的には、相互接続層は、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、カルシウム（Ｃａ）、ガリウム（Ｇａ）、コバルト（Ｃｏ）、イットリア（Ｙ）、およ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。ある一定の場合において、相互接続層は、酸化クロム系材料、ニッケル酸化物系材料、コバルト酸化物系材料、およびチタン酸化物系材料（例えば、ランタンストロンチウムチタネート）を含むことができる。特に、相互接続層は、ＬａＳｒＣｒＯ_３、ＬａＭｎＣｒＯ_３、ＬａＣａＣｒＯ_３、ＹＣｒＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＬａＣｏＯ_３、ＣａＣｒＯ_３、ＣａＣｏＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、ＬａＣｒＯ_３、ＣａＮｉＯ_３、ＣａＣｒＯ_３、およびこれらの組み合わせなどの材料からなっていてよい。特に、相互接続層は、ＬＳＴ（またはＹＳＴ）を含むことができ、１種以上のドーパントを有する、ＮｂドープトＬＳＴ、例えばＬａ_０．２Ｓｒ_０．８ＴｉＯ_３から本質的になっていてよい。相互接続材料は、Ａ部位不足材料を含んでいてよく、ここで、例えば、ランタンまたはストロンチウムカチオンによって典型的には占められるいくつかの格子部位が空であり、そのため該材料が非化学量論的組成物を有することが認識されよう。

【0057】

相互接続層は、特に薄い平面状の材料層であってよい。例えば、相互接続層は、約１ｍｍ以下、例えば約５００μｍ以下、約３００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１００μｍ以下、約８０μｍ以下、約５０μｍ以下、またはさらには約３５μｍ以下の平均厚さを有することができる。さらに、相互接続層は、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、または少なくとも約１０μｍの平均厚さを有することができる。相互接続層は、上記最小および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認識されよう。

【0058】

相互接続層は、例えば、鋳造、堆積、印刷、押出、積層、金型プレス、ゲル鋳造、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧縮、射出成形、およびこれらの組み合わせを含めた、電解質層１０１の形成と同様のプロセスを用いて形成され得る。相互接続層は、他の層の形成とは別個にまたはこの後に形成され得、その結果、相互接続層が、該他の予め形成された層（例えば、アノード層１０３）の一方に形成され得るようになっている。とりわけ、特定の実施形態において、相互接続層の形成は、グリーン単位セル１００を形成する前に必ずしも焼結されず、次いで単一の焼結プロセス（例えば、単一の、自由焼結プロセス）において焼結されるグリーン材料層の形成を含む。

【0059】

相互接続層は、本明細書における実施形態による単位セルの形成を促進する特定の粒子サイズを有する粉末相互接続材料から形成され得る。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、またはさらには約１μｍ未満の平均粒子サイズを有することができる。さらに、特定の例において、粉末相互接続材料の平均粒子サイズは、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、またはさらには少なくとも約０．４μｍであってよい。粉末相互接続材料は、上記最小および最大値のいずれかを含む範囲内の平均粒子サイズを有することができることが認識されよう。

【0060】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１であるカソード機能層をＳＯＦＣにおいて使用するとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１未満、例えば約１：１であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を有するＳＯＦＣの最大電力密度よりも高い最大電力密度を有することができる。特定の実施形態において、最大電力密度は、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１未満、例えば約１：１である層を有するＳＯＦＣの最大電力密度より５％以上高く、１０％以上高く、または１５％以上高くてよい。イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１未満、例えば約１：１であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より高い最大電力密度が、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0061】

イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比を有するということは、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層の１０％以内、例えば８％以内、５％以内、またはさらには２％以内のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比を有することを意味することが認識されよう。

【0062】

また、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層と実質的に同様の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するこということは、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層の１０％以内、例えば８％以内、５％以内、またはさらには２％以内の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有することを意味することも認識されよう。

【0063】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有するカソード機能層が、ＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有し、かつ、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を有するＳＯＦＣの最大電力密度より高い最大電力密度を有することができる。特定の実施形態において、最大電力密度は、比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有する層を含むＳＯＦＣの最大電力密度より５％以上高く、１０％以上高く、または１５％以上高くてよい。比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有し、かつ、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より高い最大電力密度が、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0064】

また、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有するということは、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載の層のイオン伝導体粉末材料の１０％以内、例えば８％以内、５％以内、またはさらには２％以内のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有することを意味することも認識されよう。

【0065】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上であるカソード機能層が、ＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載の層と実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料もしくは電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を含むＳＯＦＣの最大電力密度より高い最大電力密度を有することができる。特定の実施形態において、最大電力密度は、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下である層を含むＳＯＦＣの最大電力密度より５％以上高く、１０％以上高く、または１５％以上高くてよい。イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料もしくは電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より高い最大電力密度が、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0066】

ある一定の実施形態において、層、特に、電子伝導体粉末材料の平均粒径ｄ_{５０（ｅ）}またはイオン伝導体粉末材料の平均粒径（ｄ_{５０（ｉ）}）の少なくとも一方が約１．５μｍ以上であるカソード機能層がＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層のイオン伝導体材料の平均粒径または電子伝導体材料の平均粒径の少なくとも一方が約１．５μｍ未満であることを除いて固体酸化物燃料電池と実質的に同一である別のＳＯＦＣの電力密度より約５％以上高い最大電力密度を有することができる。

【0067】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超であるカソード機能層がＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５未満、例えば約１：１であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を有するＳＯＦＣの電圧降下よりも小さい電圧降下を有することができる。高電流密度における電圧降下は、酸素ガス相のガス拡散制限の尺度である。特定の実施形態において、電圧降下は、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１未満、例えば約１：１である層を含むＳＯＦＣの電圧より少なくとも５％小さく、少なくとも１０％小さく、または少なくとも１５％小さくてよい。イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１未満、例えば約１：１であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様の電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より低い電圧降下が、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0068】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有するカソード機能層が、ＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有し、かつ、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載の層と実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を有するＳＯＦＣの電圧降下より低い電圧降下を有することができる。特定の実施形態において、電圧降下は、比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有する層を含むＳＯＦＣの最大電力密度より５％以上高く、１０％以上高く、または１５％以上高くてよい。比較的より微細な平均粒径を有するイオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料の一方または両方を有し、かつ、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より低い電圧降下が、イオン伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径と電子伝導体粉末材料の比較的粗い平均粒径との組み合わせを有する本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0069】

ある一定の実施形態において、層、特に、本明細書に記載のようにイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上であるカソード機能層がＳＯＦＣにおいて使用されるとき、該ＳＯＦＣは、層、特に、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載の層と実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料もしくは電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するカソード機能層を有するＳＯＦＣの電圧降下よりも大きい電圧降下を有することができる。特定の実施形態において、電圧降下は、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下である層を含むＳＯＦＣの最大電力密度よりも５％以上高く、１０％以上高く、または１５％高くてよい。イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．７：１以下であり、かつ、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載のＣＦＬと実質的に同様の平均粒子サイズ比（ｄ_{５０（ｉ）}：ｄ_{５０（ｅ）}）、または実質的に同様のイオン伝導体粉末材料もしくは電子伝導体粉末材料の平均粒径を有するＣＦＬとの比較において、より低い電圧降下が、イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が１．８：１以上である本明細書に記載のＣＦＬによって達成され得ることは、完全に驚くべきことであり、予想外のことであった。

【0070】

別の態様によると、固体酸化物燃料電池用に構成される層を形成する方法は：イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料を付与することと；イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料から層、例えば機能層を形成することとを含むことができる。原料粉末および得られる層は、上記パラメータまたは特性のいずれかを含有することができる。

【0071】

図１に示されている単位セル１００において成分層を組み立てる前に、層の各々が別個に形成されてよい。すなわち、層が（例えば、グリーン層として）別途形成されてよく、一緒に組み立てられて単位セル１００としてよい。代替的には、層が（例えば、グリーン状態で）互いの上に連続して形成されてよい。グリーン層の形成後、スタック全体が、例えば、単位セル１００を形成するための焼結によって熱処理されてよい。

【0072】

本明細書における実施形態による記載されている層は、限定されないが、ホットプレス、共焼結、共焼成、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、鋳造、堆積、印刷、押出、積層、金型プレス、ゲル鋳造、スプレーコーティング、スクリーン印刷、ロール圧縮、射出成形、およびこれらの組み合わせを含めた技術によって形成され得る。１つの特定の例において、該層の１つ以上が、ホットプレスを介して形成され得る。他の特定の実施形態において、層が、共焼結によって形成されてよい。

【0073】

ある一定の実施形態において、層（または単位セル、すなわち複数のグリーン層）が、１０００℃以上、１０５０℃以上、またはさらには１１００℃以上の温度で形成され得る。さらなる実施形態において、層（または単位セル、すなわち複数のグリーン層）が１５００℃以下、１４５０℃以下、またはさらには１４００℃以下の温度で形成され得る。層は、上記最小および最大値のいずれかを含む範囲内の温度で形成され得ることが認識されよう。

【0074】

ある一定の実施形態において、層（または単位セル、すなわち複数のグリーン層）は、約０〜２０ＭＰａの間、約２〜１８ＭＰａの間、約４〜１６ＭＰａの間、またはさらには約６〜１４ＭＰａの間の範囲の圧力で形成され得る。特定の実施形態において、層が大気圧で形成され得る。

【0075】

本開示は、当該分野の現状からの出発を表す。本明細書に記載のように、また、以下の実施例によってさらに示されるように、本明細書に記載の実施形態が、当該分野における従来の知識に基づいて予期されていたよりも少なくとも電力密度において有意に良好な性能を示すことが予想外かつ驚くべきことに発見された。例えばＸ．Ｊ．Ｃｈｅｎら、“Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｃａｔｈｏｄｅ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ”Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，ｖｏｌ，４９，ｐ．１８５１−１８６１（２００４）を参照されたい。

【0076】

［項１］固体酸化物燃料電池の層を形成するように構成される原料粉末材料であって：イオン伝導体粉末材料と；電子伝導体粉末材料と；を含み、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が、約１．５：１超である、原料粉末材料。
［項２］固体酸化物燃料電池のための電極であって：機能層と；バルク層とを含み、機能層が、イオン伝導体粉末材料と；電子伝導体粉末材料；とを含む原料粉末材料から形成されており；イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である、電極。
［項３］固体酸化物燃料電池であって、イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料から形成される層を含み、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１である、固体酸化物燃料電池。
［項４］固体酸化物燃料電池がアノードとカソードとを含み、カソードが：カソード機能層としての層と；バルクカソード層とを含む、項３に記載の固体酸化物燃料電池。
［項５］固体酸化物燃料電池が、層のイオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１：１であることを除き固体酸化物燃料電池と実質的に同一である別のＳＯＦＣの電力密度より５％以上、１０％以上、または１５％以上高い最大電力密度を有する、項３〜４のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池。
［項６］固体酸化物燃料電池用に構成される層を形成する方法であって：イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料を付与することと；イオン伝導体粉末材料および電子伝導体粉末材料から層を形成することと；を含み、イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が約１．５：１超である、方法。
［項７］層が鋳造によってグリーン状態に形成される、項６に記載の方法。
［項８］鋳造後、層が焼結またはホットプレスされる、項７に記載の方法。
［項９］層が、さらなる層と共に焼結またはホットプレスされる、項８に記載の方法。
［項１０］層が、１０００℃以上、１０５０℃以上、またはさらには１１００℃以上の温度で焼結またはホットプレスされる、項８に記載の方法。
［項１１］層が、１５００℃以下、１４５０℃以下、またはさらには１４００℃以下の温度で焼結またはホットプレスされる、項８に記載の方法。
［項１２］層が、約０ＭＰａ〜２０ＭＰａ、約２〜１８ＭＰａの間、約４〜１６ＭＰａの間、またはさらには約６〜１４ＭＰａの間の範囲の圧力で焼結またはホットプレスされる、項８に記載の方法。
［項１３］層が、大気圧で焼結される、項８に記載の方法。
［項１４］層が、カソード機能層であり、固体酸化物燃料電池が、カソード機能層に隣接するカソードバルク層およびカソード機能層に隣接する電解質層をさらに含む、上記項のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池または方法。
［項１５］層が、カソード機能層であり、固体酸化物燃料電池が、カソード機能層に隣接するカソードバルク層およびカソード機能層に隣接する電解質層をさらに含み、固体酸化物燃料電池が、アノード機能層およびアノードバルク層をさらに含む、上記項のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池または方法。
［項１６］アノード機能層が、酸化物を含み、酸化物が、ＮｉＯを含む、項１５に記載の固体酸化物燃料電池または方法。
［項１７］層が、共焼結によって形成される、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、電極、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項１８］層が、カソード機能層である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、電極、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項１９］イオン伝導体粉末材料の平均粒径が、約０．５μｍ以上、約１μｍ以上、約１．５μｍ以上、または約１．８μｍ以上である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２０］イオン伝導体粉末材料の平均粒径が、約２μｍ超、約２．２μｍ以上、または約２．５μｍ以上である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２１］電子伝導体粉末材料の平均粒径が、約０．１μｍ以上、約０．５μｍ以上、または約１μｍ以上である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２２］電子伝導体粉末材料の平均粒径が、５０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下、４μｍ以下、３μｍ以下、または２μｍ以下である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２３］イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が、約１０：１未満、約５：１未満、約４：１未満、約３：１未満、約２．５：１未満である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２４］イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が、約１．８：１超である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２５］イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が、約１．９：１超である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２６］イオン伝導体粉末材料の平均粒径対電子伝導体粉末材料の平均粒径の比が、約２：１以上である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２７］イオン伝導体粉末材料が、無機材料を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２８］イオン伝導体粉末材料が、酸化物材料を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項２９］イオン伝導体粉末材料が、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３０］イオン伝導体粉末材料が、安定化剤またはドーパントを含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３１］安定化剤またはドーパントが、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）、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素の少なくとも１種を含む、項２４に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３２］イオン伝導体粉末材料が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３３］イオン伝導体粉末材料が、８モル％Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２または１０モル％Ｙ_２Ｏ_３−ドープトＺｒＯ_２を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３４］イオン伝導体粉末材料が、Ｙ_２ＺｒＯ_７を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３５］イオン伝導体粉末材料が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から本質的になる、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３６］電子伝導体粉末材料が、無機材料を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３７］電子伝導体粉末材料が、酸化物材料を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３８］電子伝導体粉末材料が、希土類元素を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項３９］電子伝導体粉末材料が、ランタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、またはこれらの組み合わせを含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４０］電子伝導体粉末材料が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４１］電子伝導体粉末材料が、（Ｌａ_０．８０Ｓｒ_０．２０）_０．９８ＭｎＯ_３−δを含む、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４２］電子伝導体粉末材料が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）から本質的になる、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４３］層におけるイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が、１：１超、１．１：１以上、１．２：１以上、または１．３：１以上である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４４］イオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が、２．５：１以下、２．２：１以下、２：１以下、または１．８：１以下であることができる、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４５］層におけるイオン伝導体粉末材料の体積対電子伝導体粉末材料の体積の比が、１：１超２．５：１以下、１．１：１以上２．２：１以下、１．２：１以上２：１以下、または１．３：１以上１．８：１以下の範囲である、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４６］イオン伝導体粉末材料が、２０体積％以上、３０体積％以上、または３５体積％以上の量で層に存在する、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４７］イオン伝導体粉末材料が、８０体積％以下、７０体積％以下、または６５体積％以下の量で層に存在する、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４８］イオン伝導体粉末材料が、２０体積％〜８０体積％、３０体積％〜７０体積％、または３５体積％〜６５体積％の範囲で層に存在する、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項４９］層が、μｍ^２当たり約０．２以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約０．５以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１以上のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約１．５以上のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１．８以上のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約２．３以上のＴＰＢ点を有する、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項５０］層が、μｍ^２当たり約０．２以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約０．５以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約１．５超のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、μｍ^２当たり約１．８以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点、またはさらにはμｍ^２当たり約２．３以上のＴＰＢ点〜μｍ^２当たり４以下のＴＰＢ点の範囲内のμｍ^２当たりのＴＰＢ点の範囲を有する、上記項のいずれか一項に記載の粉末材料、固体酸化物燃料電池、または方法。
［項５１］層が、約１ｍｍ以下、約７００μｍ以下、約５００μｍ以下、約２００μｍ以下、約１５０μｍ以下、約１００μｍ以下、または約５０μｍ以下の厚さを有する、上記項のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池または方法。
［項５２］層が、少なくとも約０．５μｍ、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、またはさらには少なくとも約２０μｍの平均厚さを有する、上記項のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池または方法。

【実施例】

【0077】

実施例１：粒子サイズ比および体積分率の比較
実施例１は、Chenらの提案（実施例Ｂ）によって作製した層を用いて本明細書に記載の層の最大電力密度、電圧降下、および単位面積当たりのＴＰＢ点を比較する。比が１：１未満である実施例Ａも比較する。原料粉末を選択し、以下の表１に示すように組み合わせた：

【表1】

【0078】

次いで、実施例Ａ〜Ｅの粉末混合物のそれぞれを、まず、該粉末を水性スラリーに分散させることによってカソード機能層とした。実施例Ａ〜Ｄにおける各スラリーは、３６．７重量％のＬＳＭ、５５．０重量％のＹＳＺ、および８．３重量％のグラファイト細孔形成剤を含有した。各スラリーを約６０μｍの厚さにテープキャストした。機能性のＳＯＦＣを製造するために、図２に示すさらなる層（アノードバルク層、アノード機能層、電解質およびカソードバルク層）を同様のプロセスであるが別個のテープとして作製した；各層の詳細を以下の表２に記載する。各層のディスク（直径２８ｍｍ）を機械によって穿孔し、図２に示すようにかつ表２に定量化されているように層状にした。層を高温（２００°Ｆ）および高圧（１０，０００ｐｓｉ）で積層した。積層構造を最高温度１２８０℃および最大圧力１２ＭＰａでホットプレスし、カソード機能層を含有するＳＯＦＣを形成した。カソード機能層を顕微鏡法によって以下に示すように分析し、％ＣＦＬ空隙率および単位面積当たりのＴＰＢ点を求め、以下に示すように電気化学試験によって分析し、最大電力密度、およびガス拡散抵抗による電圧降下を測定した。

【表2】

【0079】

最大電力密度
最大電力密度は、ＳＯＦＣの面積に正規化された、ＳＯＦＣが生成することができる最大電力量の尺度である。最大電力密度を測定するために、ＳＯＦＣの縁をガラスでシールして、ガスの漏れを防止した。次いで、ＳＯＦＣを、水素をアノード層に、空気をカソード層に送達することができる装置に搭載する。フォーミングガス−窒素中４％の水素−を３００ｓｃｃ／分でアノードに流す。セルを４℃／分で８００℃まで加熱する。アノード層に流れる水素濃度を少しずつ増大させ、ＮｉＯをニッケルに還元する。開回路電圧（ＯＣＶ）が、アノード層に流れる１００％水素ガスによって安定であるとき、３つの電流電圧（ＩＶ）曲線を、図３に示すようにポテンシオスタット／ガルバノスタットを用いて記録する。ＳＯＦＣの最大電力密度を、ＳＯＦＣの活性面積に正規化した、最大電流＊電圧によって定義する。

【0080】

ガス拡散抵抗による電圧降下
高電流密度における電圧降下は、酸素ガス相の拡散限界の尺度である。電圧降下を測定するために、上記ＩＶ曲線を、拡散が律速因子であると期待される特定の最大電力密度（０．８Ａ／ｃｍ^２）で分析した。この点における電圧を開回路電圧から減算し、電圧降下を得る。より高い電圧降下は、酸素運搬制限に起因するより低いセル性能と相関する。

【0081】

単位面積当たりのＴＰＢ点
単位面積当たりのＴＰＢ点を測定するために、ＳＯＦＣを樹脂に搭載し、研磨して走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）に供した。３相（ＬＳＭ、ＹＳＺ、および細孔）のコントラストが高くなるようにカソード機能層の画像を撮った。３相の交差点の数をカウントし、画像面積で除算することによって各画像について単位面積当たりのＴＰＢ点を算出した。各カソード機能層についてかかる画像を少なくとも５つ撮り、上記のように分析して統計的信頼を確立した。

【0082】

％ＣＦＬ空隙率
％ＣＦＬ空隙率を測定するために、上記のようにＳＯＦＣを作製し走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）において撮像した。カソード機能層の画像を、顕微鏡の原子番号コントラストに基づいて３つの区別可能な影：白（ＬＳＭ相）、灰色（ＹＳＺ相）、および黒（細孔）；にセグメント化される自動ソフトウェアアプリケーションを用いて処理した。ソフトウェアにより黒（細孔）領域の面積をカウントし、画像の全体面積によって除算して、ＣＦＬ空隙率を得た。

【0083】

試験の結果を以下の表３に示す：

【表3】

【0084】

記載全般または例における上記のアクティビティの全てが必要とされるわけではないこと、特定のアクティビティの一部が必要とされない場合があること、上記に加えて１つ以上のさらなるアクティビティが実施され得ることに注意されたい。また、さらに、アクティビティが列挙されている順序は、必ずしもこれらが実施される順序ではない。

【0085】

明確のために本明細書にて別個の実施形態の文脈において記載されているある一定の特徴は、単一の実施形態において、組み合わされて付与されてもよい。反対に、簡潔化のために単一の実施形態の文脈において記載されている種々の特徴は、別個にまたは任意のサブコンビネーションにおいて付与されてもよい。さらに、範囲で記述されている値への言及は、該範囲内の各値およびあらゆる値を含む。

【0086】

課題に対しての利益、他の利点、および解決策を、具体的な実施形態に関して上に記載している。しかし、課題に対しての利益、利点、および解決策、ならびにあらゆる利益、利点または解決策を生じさせるまたはより明白にすることができるあらゆる特徴は、特許請求の範囲のいずれかまたは全ての厳密な、所要の、または必須の特徴として解釈されてはならない。

【図1】

【図2】

【図3】