特許 7376710 先進的な加熱方法およびシステム

(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】

(24)【登録日】2023-10-30

(45)【発行日】2023-11-08

(54)【発明の名称】先進的な加熱方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/88 20060101AFI20231031BHJP

   H01M 8/124 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/126 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/1246 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/1253 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/0213 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/0215 20160101ALI20231031BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20231031BHJP

   H05B 3/10 20060101ALI20231031BHJP

【ＦＩ】

H01M4/88 T

H01M8/124

H01M8/126

H01M8/1246

H01M8/1253

H01M8/0202

H01M8/0206

H01M8/021

H01M8/0213

H01M8/0215

H01M8/12 101

H05B3/10 B

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2022523853

(86)(22)【出願日】2020-10-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 US2020056985

(87)【国際公開番号】W WO2021081281

(87)【国際公開日】2021-04-29

【審査請求日】2022-06-16

(31)【優先権主張番号】62/925,210

(32)【優先日】2019-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/927,627

(32)【優先日】2019-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/941,358

(32)【優先日】2019-11-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】522162325

【氏名又は名称】ユティリティ・グローバル・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｕｔｉｌｉｔｙ Ｇｌｏｂａｌ， Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100189555

【弁理士】

【氏名又は名称】徳山 英浩

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(72)【発明者】

【氏名】ドーソン，マシュー

(72)【発明者】

【氏名】ファランドス，ニコラス

(72)【発明者】

【氏名】ドーソン，ジン

(72)【発明者】

【氏名】マットソン，クリス

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０３４２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２２２０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００３／０７６１５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／２０８５８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００１－５１４４４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｂ ３／００

Ｆ２６Ｂ ３／００

Ｆ２６Ｂ ２３／００

Ｈ０１Ｍ ４／８８

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １１／００

Ｃ２５Ｂ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面を有する材料を加熱する方法であって、
第１の波長スペクトルを放射する電磁放射線源に前記表面を曝露すること、および
サンプリング周波数で検出器を用いて前記表面からの第２の波長スペクトルを受信すること、を含み、
前記電磁放射線源はキセノンランプを備え、
前記第１の波長スペクトルと前記第２の波長スペクトルとは、１０％以下の重なりを有し、前記重なりは、波長に関する強度の積分値である、方法。

【請求項2】

前記検出器が前記第２の波長スペクトルを受信するときに、前記第１の波長スペクトルと前記第２の波長スペクトルとは１０％以下の重なりを有する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の波長スペクトルと前記第２の波長スペクトルは、５％以下の重なり、３％以下の重なり、１％以下の重なり、または０．５％以下の重なりを有する、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記検出器はパイロメータである、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記電磁放射線源に前記表面を曝露することにより、前記材料を少なくとも部分的に焼結させる、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記第２の波長スペクトルを温度に変換することと、
焼結を、温度、曝露時間、曝露回数、放射線源の出力、またはそれらの組み合わせに関連付けることと、を含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

焼結は、前記材料の微細構造画像、前記材料のスクラッチ接着試験、前記材料のスクラッチ硬度試験、前記材料の電気化学的性能試験、前記材料の膨張率測定、前記材料の導電率測定、またはそれらの組み合わせによって決定される、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記材料はセラミック材料である、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記キセノンランプに供給される電圧を調整して、前記電磁放射線源の出力、前記第１の波長スペクトル、またはその両方を変化させることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の波長スペクトルは、紫外線、近紫外線、近赤外線、赤外線、可視光線、レーザー、電子ビーム、マイクロ波、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記第２の波長スペクトルを温度に変換することと、
温度変化率に応じて前記サンプリング周波数を調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

前記サンプリング周波数は、温度変化率を局所的な最高温度と局所的な最低温度との差で除した正規化温度変化率よりも高い、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

１回の曝露時間は、１０ミリ秒以下、５ミリ秒以下、２ミリ秒以下、１ミリ秒以下、または０．１－１ミリ秒の範囲内である、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

全曝露時間は、１０秒以下、５秒以下、または１秒以下である、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記サンプリング周波数は、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以上、１０，０００Ｈｚ以上、または５０，０００Ｈｚ以上である、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

前記材料は、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ－ＣＧＯ、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、セリアイットリア安定化ジルコニア（ＣＹＺ）、セリアスカンジア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、ジルコニア、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、ドープＹＳＺ、着色ジルコニア、またはそれらの組合せから構成される、請求項１に記載の方法。

【請求項17】

加熱は２段階で行われ、第２段階の加熱後の前記材料の気孔率は、第１段階の加熱後の気孔率よりも小さい、請求項１に記載の方法。

【請求項18】

前記材料は、粒度分布を有する粒子であって、前記粒度分布が、以下の特性
ａ）前記粒度分布は、前記粒子の１０％がＤ１０以下の直径を有し、前記粒子の９０％がＤ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０が１．５から１００までの範囲にある、Ｄ１０およびＤ９０を有する、
ｂ）前記粒度分布は、第１のモードにおける平均粒子径が、第２のモードにおける平均粒子径の少なくとも５倍であるような二峰性である、または
ｃ）前記粒度分布は、前記粒子の５０％がＤ５０以下の直径を有し、Ｄ５０が４００ｎｍ以下である、Ｄ５０を有する、
のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の方法。

【請求項19】

Ｄ１０は５ｎｍから５０ｎｍまで、５ｎｍから１００ｎｍまで、もしくは５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にあるか、
Ｄ９０が５０ｎｍから５００ｎｍまで、もしくは５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあるか、または、
Ｄ９０／Ｄ１０が２から１００まで、４から１００まで、２から２０まで、２から１０まで、４から２０まで、もしくは４から１０までの範囲にある、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記材料は粒子を含み、前記粒子の第１の１０ｗｔ％以上がｄの平均直径を有し、前記粒子の第２の１０ｗｔ％以上が少なくとも５×ｄの平均直径を有し、前記粒子の第３の１０ｗｔ％以上が少なくとも２０×ｄの平均直径を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項21】

前記ｄは、１ｎｍから１００ｎｍまで、５ｎｍから５０ｎｍまで、または１０ｎｍから３０ｎｍまでの範囲にある、請求項２０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願）
本出願は、２０１９年１０月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／９２５，２１０号、２０１９年１０月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／９２７，６２７号および２０１９年１１月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／９４１，３５８号の、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に基づく利益を主張する。これらの各出願の全ての開示内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

（本発明の分野）
本発明は、概して、材料の加熱に関する。特に、本発明は、モニタリングを伴う先進的な加熱方法およびシステムに関する。

【背景技術】

【0003】

セラミックは、その硬度、耐熱性、耐腐食性などの特性により、多くの用途を持つ材料の一種である。セラミックが使用される前には、セラミック材料を焼結させるための先進的な加熱プロセスが必要である。焼結とは、材料を液化するまで溶融させることなく、熱または圧力で固体塊（ｓｏｌｉｄ ｍａｓｓ）を圧縮して形成するプロセスである。セラミックの焼結は、通常、炉の中でセラミックを焼成することによって行われる。セラミックの先進的な応用例としては、バイオセラミックス、ガスタービンエンジン、時計製造、電気化学デバイスなどがある。例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、セラミックが有用に用いられる電気化学デバイスの一種である。ＳＯＦＣの電解質は、このデバイスに必須かつ重要なパーツであり、多くの場合、セラミック材料である。電解質（およびＳＯＦＣの様々なパーツ）の製造は、複雑で高価なプロセスであり、セラミック材料を焼結させるための加熱を必要とする。このため、従来は炉による焼結が行われていた。本明細書では、炉を使用せずに、モニタリングを伴う先進的な加熱方法およびシステムを開示する。

【発明の概要】

【0004】

本明細書では、表面を有する材料を加熱する方法であって、第１の波長スペクトルを放射する電磁放射線源に前記表面を曝露することと、サンプリング周波数で検出器を用いて前記表面からの第２の波長スペクトルを受信することと、を含み、前記第１の波長スペクトルと前記第２の波長スペクトルとは、１０％以下の重なりを有し、前記重なりは、波長に関する強度の積分値である、方法を説明する。一実施形態では、前記第１の波長スペクトルと前記第２の波長スペクトルとは、５％以下の重なり、３％以下の重なり、１％以下の重なり、または０．５％以下の重なりを有する。一実施形態では、前記検出器は、パイロメータである。

【0005】

一実施形態では、前記放射線源に前記表面を曝露することによって、前記材料を少なくとも部分的に焼結させる。一実施形態では、上記方法は、前記第２の波長スペクトルを温度に変換することと、焼結を、温度、曝露時間、曝露回数、放射線源の出力、またはそれらの組み合わせに関連付けることと、を含む。一実施形態では、焼結は、前記材料の微細構造画像、前記材料のスクラッチ接着試験、前記材料のスクラッチ硬度試験、前記材料の電気化学的性能試験、前記材料の膨張率（ｄｉｌａｔｏｍｅｔｒｙ）測定、前記材料の導電率測定、またはそれらの組み合わせによって決定される。

【0006】

一実施形態では、前記放射線源はキセノンランプである。一実施形態では、上記方法は、前記キセノンランプに供給される電圧を調整して、前記放射線源の出力、前記第１の波長スペクトル、またはその両方を変化させることを含む。一実施形態では、前記第１の波長スペクトルは、紫外線、近紫外線、近赤外線、赤外線、可視光線、レーザー、電子ビーム、マイクロ波、またはそれらの組み合わせを含む。

【0007】

一実施形態では、上記方法は、前記第２の波長スペクトルを温度に変換することと、温度変化率に応じて前記サンプリング周波数を調整することと、を含む。一実施形態では、前記サンプリング周波数は、温度変化率を局所的な最高温度と局所的な最低温度との差で除した正規化温度変化率よりも高い。

【0008】

一実施形態では、１回の曝露時間は、１０ミリ秒（ｍｓ）以下、５ミリ秒以下、２ミリ秒以下、１ミリ秒以下、または０．１―１ミリ秒の範囲内である。一実施形態では、全曝露時間は、１０秒以下、５秒以下、または１秒以下である。一実施形態では、サンプリング周波数は、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以上、１０，０００Ｈｚ以上、または５０，０００Ｈｚ以上である。

【0009】

一実施形態では、前記材料は、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銀、フェライト鋼、ステンレス鋼、Ｃｒｏｆｅｒ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、セリアイットリア安定化ジルコニア（ＣＹＺ）、セリアスカンジア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、ジルコニア、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、ドープＹＳＺ、着色ジルコニア、カーボン、黒鉛、グラフェン、またはそれらの組合せを含む。一実施形態では、加熱は２段階で行われ、第２段階の加熱後の前記材料の気孔率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）は、第１段階の加熱後の気孔率よりも小さい。

【0010】

一実施形態では、前記材料は、粒度分布を有する粒子を含み、前記粒度分布は、以下の特性のうちの少なくとも１つを有する。前記粒度分布は、前記粒子の１０％がＤ１０以下の直径を有し、前記粒子の９０％がＤ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０が１．５から１００までの範囲にある、Ｄ１０およびＤ９０を有する。前記粒度分布は、第１のモードにおける平均粒子径が、第２のモードにおける平均粒子径の少なくとも５倍であるような二峰性である。または、前記粒度分布は、前記粒子の５０％がＤ５０以下の直径を有し、Ｄ５０が４００ｎｍ以下である、Ｄ５０を有する。

【0011】

一実施形態では、Ｄ１０は５ｎｍから５０ｎｍまで、５ｎｍから１００ｎｍまで、もしくは５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にあるか、Ｄ９０が５０ｎｍから５００ｎｍまで、もしくは５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあるか、または、Ｄ９０／Ｄ１０が２から１００まで、４から１００まで、２から２０まで、２から１０まで、４から２０まで、もしくは４から１０までの範囲にある。

【0012】

一実施形態では、前記材料は粒子を含み、前記粒子の第１の１０ｗｔ％以上がｄの平均直径を有し、前記粒子の第２の１０ｗｔ％以上が少なくとも５×ｄの平均直径を有し、前記粒子の第３の１０ｗｔ％以上が少なくとも２０×ｄの平均直径を有する。一実施形態では、前記ｄは、１ｎｍから１００ｎｍまで、５ｎｍから５０ｎｍまで、または１０ｎｍから３０ｎｍまでの範囲にある。

【0013】

さらなる態様および実施形態は、図面、詳細な説明、および特許請求の範囲において本明細書の以下に提供される。特に明記されていない限り、本明細書で説明された特徴は組み合わせ可能であり、そのような組み合わせはすべて本開示の範囲内である。

【図面の簡単な説明】

【0014】

以下の図面は、本明細書に記載されるいくつかの実施形態を説明するために提供される。図面は、単に例示であり、請求項に記載された発明の範囲を限定することを意図しておらず、請求項に記載された発明のすべての潜在的な特徴または実施形態を示すことを意図していない。図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず、場合によっては、説明のために、図面のいくつかの要素は、図面の他の要素よりも拡大されていることがある。

【0015】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係る、堆積と、電磁放射線（ＥＭＲ）を用いた加熱とを統合した方法およびシステムを示す図である。

【図2】図２は、本開示の一実施形態に係る、２つの繰り返しユニット（または２つの燃料電池）を有する燃料電池スタックを示す図である。

【図3】図３は、本開示の一実施形態に係る、電極（ＮｉＯ－ＹＳＺ）上に印刷され且つ焼結された電解質（ＹＳＺ）を示す走査電子顕微鏡画像（側面図）である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の説明は、本明細書に開示された発明の様々な態様および実施形態を示すものである。特定の実施形態が、本発明の範囲を規定することを意図していない。むしろ、実施形態は、請求項に記載された発明の範囲内に含まれる様々な組成物、および方法の非限定的な例を提供するものである。本明細書は、当業者の視点から読まれるものである。したがって、当業者にとって周知の情報は、必ずしも含まれていない。

【0017】

定義
以下の用語および句は、本明細書において別段の定めがない限り、以下に示される意味を有する。本開示は、本明細書で明示的に定義されていない他の用語および句を使用することができる。そのような他の用語および句は、当業者にとって本開示の文脈内でそれらが有するであろう意味を有するものとする。用語または句は、単数または複数で定義される場合がある。このような場合、単数形の用語は、反対のことが明示的に示されていない限り、その複数の対応物を含むことができ、その逆も可能であることが理解される。

【0018】

本明細書では、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈で明確に別記されない限り、複数の指示対象を含む。例えば、「１つの置換基」に言及されている場合、単一の置換基だけでなく、２つ以上の置換基などを包含する。本明細書では、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ」、「例として（ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ）」、「などの（ｓｕｃｈ ａｓ）」または「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、より一般的な対象物をさらに明確にする例を紹介することを意味する。別様に明確に示されない限り、そのような例は、本開示において示された実施形態を理解するための補助としてのみ提供され、いかなる様式で限定するものではない。これらの句はまた、開示された実施形態に対するどんな種類の優先性も示さない。

【0019】

本明細書では、組成物および材料は、特に指定されない限り、互換的に使用される。各組成物／材料は、複数の要素、相、および成分を有していてもよい。本明細書で使用される加熱は、組成物または材料にエネルギーを積極的に加えることを意味する。

【0020】

本開示において、焼結とは、材料を液化する程度に溶かすことなく、熱もしくは圧力またはそれらの組み合わせによって、材料の固体塊を形成するプロセスをいう。例えば、材料粒子は加熱されることによって集まって固体または多孔質の塊になることであって、材料粒子中の原子が粒子の境界を越えて拡散し、粒子同士が融合して１つの固体片を形成することである。本開示において、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は、上記現象が起こり始める温度を指す。

【0021】

先進的な加熱
本開示による先進的な加熱方法は、第１の波長スペクトルを放射する電磁放射線（ＥＭＲ）源に表面を曝露することによって、表面を有する材料を加熱することと、サンプリング周波数で検出器を用いて上記表面からの第２の波長スペクトルを受信することと、を含む。第１の波長スペクトルと第２の波長スペクトルとは、１０％以下の重なりを有している。ここで、重なりは、波長に関する強度の積分値である。様々な場合において、第１の波長スペクトルおよび第２の波長スペクトルは、５％以下の重なり、３％以下の重なり、１％以下の重なり、または０．５％以下の重なりを有する。一実施形態では、検出器は、パイロメータである。

【0022】

一実施形態では、放射線源に上記表面を曝露することによって、材料を少なくとも部分的に焼結させる。様々な場合、上記方法は、第２の波長スペクトルを温度に変換することと、焼結を、温度、曝露時間、曝露回数、放射線源の出力、またはそれらの組み合わせに関連付けることと、を含む。いくつかの実施形態では、焼結は、材料の微細構造画像（例えば、走査電子顕微鏡画像）、材料のスクラッチ接着試験、材料のスクラッチ硬度試験、材料の電気化学的性能試験、材料の膨張率測定、材料の導電率測定、またはそれらの組み合わせによって決定される。

【0023】

一実施形態では、放射線源はキセノンランプである。一実施形態では、上記方法は、キセノンランプに供給される電圧を調整して、放射線源の出力、第１の波長スペクトルまたはその両方を変化させることを含む。多様な実施形態では、第１の波長スペクトルは、紫外線、近紫外線、近赤外線、赤外線、可視光線、レーザー、電子ビーム、マイクロ波、またはそれらの組み合わせを含む。

【0024】

一実施形態では、第２の波長スペクトルを温度に変換することと、温度変化率に応じてサンプリング周波数を調整することと、を含む。例えば、サンプリング周波数は、正規化温度変化率よりも高い。正規化温度変化率とは、温度変化率を局所的な最高温度と局所的な最低温度との差で除したものである。

【0025】

一実施形態では、１回の曝露時間は、１０ミリ秒以下、５ミリ秒以下、２ミリ秒以下、１ミリ秒以下、または０．１－１ミリ秒の範囲内である。一実施形態では、全曝露時間は、１０秒以下、５秒以下、または１秒以下である。一実施形態では、サンプリング周波数は、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以上、１０，０００Ｈｚ以上、または５０，０００Ｈｚ以上である。例えば、サンプリング周波数が１００，０００Ｈｚのパイロメータが検出器として使用される。

【0026】

一実施形態では、加熱は２段階で行われ、第２段階の加熱後の材料の気孔率は、第１段階の加熱後の気孔率よりも小さい。場合によっては、第１段階の加熱によって、材料中の特定の成分を燃焼させる。場合によっては、第２段階の加熱によって、材料を部分的に焼結させる、実質的に焼結させる、または完全に焼結させる。場合によっては、第２段階の加熱によって、材料は完全に圧縮される（例えば、１％以下または０．１％以下の気孔率を有する）。

【0027】

一実施形態では、ＥＭＲ源は、キセノンランプを備える。一実施形態では、ＥＭＲは、１回の曝露、１０回以下の曝露、１００回以下の曝露、１０００回以下の曝露、または１０，０００回以下の曝露から構成されている。一実施形態では、ＥＭＲは、１０^－４～１０００Ｈｚ、１～１０００Ｈｚ、または１０～１０００Ｈｚの曝露周波数を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、５０ｍｍ以下の曝露距離を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、０．１ｍｓ以上または１ｍｓ以上の曝露時間を有する。一実施形態では、ＥＭＲには、１００Ｖ以上のコンデンサ電圧が印加される。

【0028】

さらなる実施形態では、ＥＭＲは１０から１５００ｎｍまでの範囲のピーク周波数を有し、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ^２の最小エネルギー密度を有する。このＥＭＲに材料を曝露することにより、加熱、乾燥、硬化、焼結、焼鈍し（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、封止、合金化、蒸発、再構築、発泡のうちの１つ以上の効果が得られる。

【0029】

一実施形態では、ＥＭＲは、１ジュール／ｃｍ^２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは１０ジュール／ｃｍ^２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１ワット以上の出力を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１０ワット以上の出力を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１００ワット以上の出力を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１０００ワット以上の出力を有する。一実施形態では、ＥＭＲのピーク周波数は、１０と１５００ｎｍとの間、５０と５５０ｎｍとの間、または１００と３００ｎｍとの間である。一実施形態では、材料は、ＥＭＲ源から５０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、１ｃｍ未満、または１ｍｍ未満離される。

【0030】

一実施形態では、上記方法は、ＥＭＲから基材までの距離、ＥＭＲの強度、ＥＭＲのスペクトル、曝露時間、曝露回数、曝露の繰り返し回数、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。一実施形態では、ＥＭＲの曝露は、１ｍｍ^２以上、１ｃｍ^２以上、１０ｃｍ^２以上、または１００ｃｍ^２以上の表面積を有する。

【0031】

一実施形態では、材料は、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銀、フェライト鋼、ステンレス鋼、Ｃｒｏｆｅｒ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、セリアイットリア安定化ジルコニア（ＣＹＺ）、セリアスカンジア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、ジルコニア、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、ドープＹＳＺ、着色ジルコニア、カーボン、黒鉛、グラフェン、またはそれらの組合せを含む。

【0032】

一実施形態では、材料は粒子を含む。粒子は、以下の特性の少なくとも１つを有する粒度分布を有する。粒度分布は、粒子の１０％がＤ１０以下の直径を有し、粒子の９０％がＤ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０が１．５から１００までの範囲にある、Ｄ１０およびＤ９０を有する。粒度分布は、第１のモードにおける平均粒子径が、第２のモードにおける平均粒子径の少なくとも５倍であるような二峰性である。または、粒度分布は、粒子の５０％がＤ５０以下の直径を有し、Ｄ５０が４００ｎｍ以下である、Ｄ５０を有する。一実施形態では、Ｄ５０は１００ｎｍ以下である。一実施形態では、Ｄ１０は、５ｎｍから５０ｎｍまで、５ｎｍから１００ｎｍまで、もしくは５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にあるか、Ｄ９０は、５０ｎｍから５００ｎｍまで、もしくは５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあるか、または、Ｄ９０／Ｄ１０は、２から１００まで、４から１００まで、２から２０まで、２から１０まで、４から２０まで、もしくは４から１０までの範囲にある。

【0033】

一実施形態では、Ｄ５０は、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、または５ｎｍ以下である。一実施形態では、第１のモードにおける平均粒子径は、第２のモードにおける平均粒子径の少なくとも１０倍、１５倍、または２０倍である。一実施形態では、粒子は、１ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にある直径を有し、Ｄ１０は、１ｎｍから１０ｎｍまでの範囲にあり、Ｄ９０は、５０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲にある。

【0034】

一実施形態では、上記粒子の第１の１０ｗｔ％以上はｄの平均直径を有し、上記粒子の第２の１０ｗｔ％以上は少なくとも５×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の１０ｗｔ％以上は少なくとも２０×ｄの平均直径を有する。一実施形態では、ｄは１ｎｍから１００ｎｍまで、５ｎｍから５０ｎｍまで、または１０ｎｍから３０ｎｍまでの範囲にある。一実施形態では、上記粒子の第３の１０ｗｔ％以上は、少なくとも３６×ｄ、少なくとも５０×ｄ、または少なくとも１００×ｄの平均直径を有する。一実施形態では、上記粒子の第２の１０ｗｔ％以上は、少なくとも６×ｄ、少なくとも７×ｄ、少なくとも８×ｄ、または少なくとも１０×ｄの平均直径を有する。

【0035】

一実施形態では、上記粒子の第１の２０ｗｔ％以上は、ｄの平均直径を有し、上記粒子の第２の２０ｗｔ％以上は、少なくとも５×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の２０ｗｔ％以上は、少なくとも２０×ｄの平均直径を有している。一実施形態では、上記粒子の第１の３０ｗｔ％以上は、ｄの平均直径を有し、上記粒子の第２の３０ｗｔ％以上は、少なくとも５×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の３０ｗｔ％以上は、少なくとも２０×ｄの平均直径を有している。

【0036】

一実施形態では、上記粒子の第２の１０ｗｔ％以上は、少なくとも６×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の１０ｗｔ％以上は、少なくとも３６×ｄの平均直径を有している。一実施形態では、上記粒子の第２の１０ｗｔ％以上は、少なくとも７×ｄまたは８×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の１０ｗｔ％以上は、少なくとも５０×ｄの平均直径を有している。一実施形態では、上記粒子の第２の１０ｗｔ％以上は、少なくとも１０×ｄの平均直径を有し、上記粒子の第３の１０ｗｔ％以上は、少なくとも１００×ｄの平均直径を有している。

【0037】

本明細書に開示される方法は、材料を焼結させる方法であって、第１段階において電磁放射線（ＥＭＲ）、伝導またはその両方を用いて材料を加熱すること、材料に接触することなく、最後のＥＭＲ曝露後、５秒以下である時間ｔ以内に材料の温度Ｔを測定すること、および、ＴをＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}と比較することを含む。一実施形態では、材料が非金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は材料の融点の４５％以上であり、材料が金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は材料の融点の６０％以上である。一実施形態では、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は、測定された温度を、材料の微細構造画像、材料のスクラッチ接着試験、材料のスクラッチ硬度試験、材料の電気化学的性能試験、材料の膨張率測定、材料の導電率測定、またはそれらの組み合わせに関連付けることによって予め決定されている。

【0038】

一実施形態では、ｔは４秒以下、３秒以下、２秒以下、または１秒以下である。一実施形態では、材料温度Ｔの測定は、赤外線センサ、赤外線カメラ、パイロメータ、ボロメータ、またはそれらの組み合わせを使用することを含む。

【0039】

一実施形態では、上記方法は、ＴがＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}の９０％未満である場合、第２段階においてＥＭＲ、伝導またはその両方を用いて材料を加熱することを含む。一実施形態では、第１段階または第２段階におけるＥＭＲは、１回の曝露、１０回以下の曝露、１００回以下の曝露、１０００回以下の曝露、または１０，０００回以下の曝露で与えられる。一実施形態では、第２段階のＥＭＲは、第１段階と同じ電圧、曝露回数、曝露時間、バースト周波数、ＥＭＲスペクトル、曝露距離、ＥＭＲエネルギー密度、またはそれらの組み合わせで用いられる。一実施形態では、第２段階の焼結後の材料の気孔率は、第１段階の焼結後の気孔率より小さい。一実施形態では、材料は、第１段階の焼結の後よりも第２段階の焼結の後の方がより高密度化されている。

【0040】

一実施形態では、材料は、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、ＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銀、フェライト鋼、ステンレススチール、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、ｃｒｏｆｅｒまたはその組み合わせのいずれかを含む。一実施形態では、材料は粒度分布を有する粒子であって、その粒度分布が、粒子の１０％はＤ１０以下の直径を有し、粒子の９０％はＤ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０は１．５から１００までの範囲にあるようなＤ１０およびＤ９０を含む、粒子を含む。一実施形態では、粒度分布は、動的光散乱またはＴＥＭによって決定される数分布である。一実施形態では、Ｄ１０は、５ｎｍから５０ｎｍまで、５ｎｍから１００ｎｍまで、もしくは５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲にあるか、Ｄ９０は、５０ｎｍから５００ｎｍまで、もしくは５０ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲にあるか、または、Ｄ９０／Ｄ１０は、２から１００まで、４から１００まで、２から２０まで、２から１０まで、４から２０までもしくは４から１０までの範囲にある。一実施形態では、粒子は、１ｎｍから１０００ｎｍの範囲の直径を有し、Ｄ１０は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にあり、Ｄ９０は、５０ｎｍから５００ｎｍの範囲にある。一実施形態では、材料は、１ｍｍ以下、５００ミクロン以下、３００ミクロン以下、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、１０ミクロン以下、５ミクロン以下、１ミクロン以下、または０．５ミクロン以下の厚さを有する。

【0041】

さらに本明細書では、材料を焼結するためのシステムであって、電磁放射線（ＥＭＲ）源と、レシーバであって、材料を収容し、当該材料が電磁放射線を受けることができるように構成され、かつ、当該材料に伝導熱を与えるように構成されたレシーバと、材料の温度を測定するように構成された非接触式温度センサと、を備えるシステムを開示する。一実施形態では、ＥＭＲ源はキセノンランプである。一実施形態では、非接触式温度センサは、赤外線センサ、赤外線カメラ、パイロメータ、ボロメータ、またはそれらの組み合わせを備える。一実施形態では、非接触式温度センサは、最後のＥＭＲ曝露後、時間ｔ以内に材料温度を測定するよう構成されており、ｔは５秒以下である。

【0042】

一実施形態では、上記システムは、コンピュータ可読媒体を含む。コンピュータ可読媒体は、プロセッサによって実行されるとき、プロセッサに、測定された材料温度ＴをＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}と比較させる命令を含む。一実施形態では、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は、測定された温度を、材料の微細構造画像、材料のスクラッチ接着試験、材料のスクラッチ硬度試験、材料の電気化学的性能試験、材料の膨張率測定、材料の導電率測定、またはそれらの組み合わせに関連付けることによって予め決定されている。一実施形態では、材料が非金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は材料の融点の４５％以上であり、材料が金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は材料の融点の６０％以上である。一実施形態では、上記命令によって、ＴがＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}の９０％未満である場合、プロセッサは、第２段階において、ＥＭＲ源に材料を加熱するように指示するか、レシーバに材料を伝導加熱するように指示するか、またはその両方を指示する。一実施形態では、上記命令によって、プロセッサは、最後のＥＭＲ曝露後時間ｔ以内に材料の温度を測定するように温度センサに指示する。

【0043】

一実施形態では、ｔは４秒以下、３秒以下、２秒以下、または１秒以下である。一実施形態では、上記システムは、レシーバ上に材料を堆積させるように構成された少なくとも１つの堆積ノズルを備える。一実施形態では、上記システムは、材料が電磁放射線を受ける前にレシーバ上の材料を乾燥させるように構成された非接触式乾燥機を備える。一実施形態では、非接触式乾燥機は、赤外線ヒーター、熱風送風機、紫外線（ＵＶ）光源、またはそれらの組み合わせを備える。場合によっては、ＵＶ光源は、発熱または吸熱の反応（例えば、重合反応）を開始させる。発熱反応または吸熱反応は、次に材料を乾燥させる効果を引き起こす。一実施形態では、乾燥機は、１ミリ秒から１分、１秒から３０秒、または３秒から１０秒の範囲にある期間、材料を乾燥させるように構成されている。

【0044】

一実施形態では、上記命令によって、プロセッサは、少なくとも１つの堆積ノズルに材料をレシーバ上に堆積するように指示するか、非接触式乾燥機に材料を乾燥させるように指示するか、ＥＭＲ源に材料を加熱するように指示、レシーバに材料を伝導加熱するように指示、もしくはその両方を行うように指示するか、または、温度センサに最後のＥＭＲ曝露後時間ｔ以内に材料の温度を測定するように指示する。一実施形態では、上記命令により、プロセッサは、測定された材料温度ＴをＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}と比較する。

【0045】

堆積および加熱の統合
さらに本明細書では、ａ）基材上に組成物を堆積させて薄片（ｓｌｉｃｅ）を形成すること、ｂ）薄片を１分以下乾燥させること、ｃ）電磁放射線（ＥＭＲ）、伝導またはその両方を用いて薄片を加熱すること、および、ｄ）薄片に接触せずに、最後のＥＭＲ曝露後、５秒以下である時間ｔ以内に薄片温度Ｔを測定すること、を含む製造方法を説明する。前述したような全ての態様の先進的な加熱方法は、成膜と加熱とが統合された方法およびシステムに適用可能である。

【0046】

一実施形態では、上記方法は、上記工程ａ）－ｄ）を繰り返して、薄片ごとに物体を製造することを含む。一実施形態では、上記物体は、触媒、触媒担体、触媒複合体、アノード、カソード、電解質、電極、インターコネクト、シール、燃料電池、電気化学ガス生成器、電気分解器、電気化学圧縮機、反応器、熱交換器、容器、またはそれらの組み合わせを含む。

【0047】

一実施形態では、上記方法は、ｅ）ＴをＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}と比較して、薄片の少なくとも一部が焼結されているかどうかを決定することを含む。一実施形態では、ＴがＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}の９０％以上である場合、薄片の少なくとも一部は焼結している。一実施形態では、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は、測定された温度を薄片の微細構造画像、薄片のスクラッチ試験、薄片の電気化学的性能試験、薄片の膨張率測定、薄片の導電率測定、またはそれらの組み合わせに関連付けることによって予め決定される。一実施形態では、組成物が非金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は当該組成物の融点の４５％以上であり、または、組成物が金属である場合、Ｔ_{ｓｉｎｔｅｒ}は当該組成物の融点の６０％以上である。一実施形態では、上記方法は、ＴがＴ_{ｓｉｎｔｅｒ}の９０％未満である場合、第２段階において、ＥＭＲ、伝導またはその両方を用いて薄片を加熱することを含む。一実施形態では、ｔは４秒以下、３秒以下、２秒以下、または１秒以下である。

【0048】

一実施形態では、組成物は、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、ＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｎｉ、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銀、フェライト鋼、ステンレス鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、ｃｒｏｆｅｒまたはそれらの組合せのいずれかを含む。一実施形態では、組成物は、粒度分布を有する粒子であって、その粒度分布が、粒子の１０％はＤ１０以下の直径を有し、粒子の９０％はＤ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０は１．５から１００までの範囲にあるようなＤ１０およびＤ９０を含む、粒子を含む。一実施形態では、薄片は、１ｍｍ以下、５００ミクロン以下、３００ミクロン以下、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、１０ミクロン以下、５ミクロン以下、１ミクロン以下、または０．５ミクロン以下の厚さを有する。

【0049】

一実施形態では、乾燥は、１秒から３０秒まで、または３秒から１０秒までの範囲にある期間行われる。一実施形態では、乾燥は非接触式乾燥機によって行われる。一実施形態では、非接触式乾燥機は、赤外線ヒーター、熱風送風機、紫外線光源、またはそれらの組み合わせを備える。場合によっては、紫外線光源は、発熱または吸熱する反応（例えば、重合反応）を開始させる。発熱反応または吸熱反応は、次に材料を乾燥させる効果を引き起こす。

【0050】

本明細書では、また、少なくとも１つの堆積ノズルと、電磁放射線（ＥＭＲ）源と、堆積レシーバとを含むシステムであって、堆積レシーバが、ＥＭＲ曝露と堆積とを同じ位置で受けるように構成されたシステムが開示される。場合によっては、レシーバは、第１の期間の堆積を受け、システム内の異なる位置に移動して第２の期間のＥＭＲ曝露を受けるように構成されている。

【0051】

図１を参照すると、６０１は堆積ノズルまたは材料噴出ノズルを表し、６０２はＥＭＲ源、例えばキセノンランプを表し、６０３は形成される物体を表し、６０４は付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）機械（ＡＭＭ）の一部としてのレシーバを表す。６０５は、堆積された薄片に関する情報（例えば、表面特性）を提供する測定手段を表す。例えば、６０５は、カメラ、顕微鏡またはレーザースキャナである。６０６は、非接触式乾燥機、例えば、赤外線ランプまたは赤外線ヒーターを表す。６０７は、検出器または非接触式温度センサ、例えば、パイロメータを表す。

【0052】

図１に示されるように、レシーバ６０４は、ノズルからの堆積物とＥＭＲ源からの放射線との両方を受けるように構成されている。様々な実施形態において、堆積ノズル６０１は移動可能である。様々な実施形態において、レシーバ６０４は可動である。様々な実施形態において、ＥＭＲ源６０２は、可動である。様々な実施形態において、物体は、触媒、触媒担体、触媒複合体、アノード、カソード、電解質、電極、インターコネクト、シール、燃料電池、電気化学ガス生成器、電気分解器、電気化学圧縮機、反応器、熱交換器、容器、またはそれらの組み合わせを含む。

【0053】

燃料電池
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気化学反応によって電気に変換する電気化学装置である。燃料電池には、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）など、さまざまな種類がある。燃料電池は、典型的には、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、任意にバリア層および／または任意に触媒を備える。ＳＯＦＣの様々な層は、ＳＯＦＣが機能するようになる前に、先進的な加熱を必要とする。そのため、本開示では、ＳＯＦＣを適用例として用いる。本開示の方法およびシステムは、加熱／焼結された材料が利用される他の分野にも適用可能である。

【0054】

アノードおよびカソードはどちらも電極である。燃料電池における電極、電解質、およびインターコネクトについての材料のリストは、ガス生成器または圧縮機などの他の電気化学デバイスにも適用可能である。また、これらのリストは例示に過ぎず、限定的なものではない。さらに、アノード材料およびカソード材料という呼称も、動作中の材料の機能（例えば、酸化性か還元性か）によって、材料がアノードとして使用されるかカソードとして使用されるかが決まるため、限定的なものではない。

【0055】

図２は，燃料電池スタックの中の２つの燃料電池を示したものである。図示された実施形態では、アノード、カソード、電解質、およびインターコネクトは、直方体または長方形の角柱である。項目５０１はアノードを模式的に表し、５０２はカソードを表し、５０３は電解質を表し、５０４はバリア層を表し、５０５は触媒を表し、５０６はインターコネクトを表している。２つの燃料電池繰り返しユニットまたは２つの燃料電池は、図示されているようにスタックを形成する。図から分かるように、一方の側で、インターコネクトは上部燃料電池（または燃料電池繰り返しユニット）のカソードの最大表面と接触し、反対側で、インターコネクトは下部燃料電池（または燃料電池繰り返しユニット）の触媒（任意的な）またはアノードの最大表面と接触している。これらの繰り返しユニットまたは燃料電池は、互いに積み重ねられ、その間で電気配線ではなくインターコネクトとの直接接触によってインターコネクトを共有することによって並列に接続される。このような構成は、横縞型（Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ－Ｉｎ－Ｓｅｒｉｅｓ）（ＳＩＳ）型燃料電池とは対照的である。

【0056】

カソード
一実施形態では、カソードは、ＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭなどのペロブスカイトを含む。一実施形態では、カソードは、ランタン、コバルト、ストロンチウム、マンガナイトを含む。一実施形態では、カソードは、多孔質である。一実施形態では、カソードは、ＹＳＺ、窒素、窒素ホウ素ドープグラフェン、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、ＳｒＣｏ０．５Ｓｃ０．５Ｏ３、ＢａＦｅ０．７５Ｔａ０．２５Ｏ３、ＢａＦｅ０．８７５Ｒｅ０．１２５Ｏ３、Ｂａ０．５Ｌａ０．１２５Ｚｎ０．３７５ＮｉＯ３、Ｂａ０．７５Ｓｒ０．２５Ｆｅ０．８７５Ｇａ０．１２５Ｏ３、ＢａＦｅ０．１２５Ｃｏ０．１２５、Ｚｒ０．７５Ｏ３を含む。一実施形態では、カソードは、ＬＳＣｏ、ＬＣｏ、ＬＳＦ、ＬＳＣｏＦを含む。一実施形態では、カソードは、ペロブスカイトのＬａＣｏＯ３、ＬａＦｅＯ３、ＬａＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬＳＭ－ＧＤＣ、ＬＳＣＦ－ＧＤＣ、ＬＳＣ－ＧＤＣを含む。ＬＳＣＦを含むカソードは、中間温度での燃料電池の動作に適している。

【0057】

一実施形態では、カソードは、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フェライト、およびランタンストロンチウムコバルトフェライトからなる群から選択される材料を含む。一実施形態では、カソードは、ランタンストロンチウムマンガナイトを含む。

【0058】

アノード
一実施形態では、アノードは、銅、酸化ニッケル、酸化ニッケル－ＹＳＺ、ＮｉＯ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＳＤＣ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、酸化モリブデン、ランタン、ストロンチウム、クロマイト、セリア、ペロブスカイト（例えば、ＬＳＣＦ［Ｌａ｛ｌ－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝Ｃｏ｛ｌ－ｙ｝Ｆｅ｛ｙ｝Ｏ３］、または、ＬＳＭ［Ｌａ｛ｌ－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝ＭｎＯ３］、ここで、ｘは通常、０．１５－０．２であり、ｙは０．７～０．８である）を含む。一実施形態では、アノードは、コーキングおよび硫黄被毒を低減するために、ＳＤＣ、ＢＺＣＹＹｂコーティングまたはバリア層を含む。一実施形態では、アノードは多孔質である。一実施形態では、アノードは、電解質材料と電気化学的活性材料との組み合わせ、電解質材料と導電性材料との組み合わせを含む。

【0059】

一実施形態では、アノードは、ニッケルおよびイットリア安定化ジルコニアを含む。一実施形態では、アノードは、酸化ニッケルおよびイットリア安定化ジルコニアを含む材料の還元によって形成される。一実施形態では、アノードは、ニッケルおよびガドリニウム安定化セリアを含む。一実施形態では、アノードは、酸化ニッケルおよびガドリニウム安定化セリアを含む材料の還元によって形成される。

【0060】

電解質
一実施形態では、燃料電池の電解質は、安定化ジルコニア、例えば、ＹＳＺ、ＹＳＺ－８、Ｙ０．１６Ｚｒ０．８４Ｏ２を含む。一実施形態では、電解質は、ドープＬａＧａＯ３、例えば、ＬＳＧＭ、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３を含む。一実施形態では、電解質は、ドープセリア、例えば、ＧＤＣ、Ｇｄ０．２Ｃｅ０．８Ｏ２を含む。一実施形態では、電解質は、安定化酸化ビスマス、例えば、ＢＶＣＯ、Ｂｉ２Ｖ０．９Ｃｕ０．１Ｏ５．３５を含む。

【0061】

一実施形態では、電解質は、酸化ジルコニウム、イットリア安定化酸化ジルコニウム（ＹＳＺ、ＹＳＺ８（８モル％ＹＳＺ）としても知られている）、セリア、ガドリニア、スカンジア、マグネシア、カルシアを含む。一実施形態では、電解質は十分な不透過性を有するので、著しいガス輸送を防止し、著しい電気伝導を防止し、またイオン伝導を可能にすることができる。一実施形態では、電解質は、ドープされた酸化物、例えば、酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ビスマス、酸化鉛、酸化ランタンを含む。一実施形態では、電解質は、ペロブスカイト、例えばＬａＣｏＦｅＯ３、ＬａＣｏＯ３、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２（ＧＤＣ）、Ｃｅ０．９Ｓｍ０．１Ｏ２（ＳＤＣもしくはサマリアドープセリア）、またはスカンジウム安定化ジルコニアを含む。

【0062】

一実施形態では、電解質は、ジルコニア、セリア、およびガリアからなる群から選択される材料を含む。実施形態において、材料は、スカンジウム、サマリウム、ガドリニウム、およびイットリウムからなる群より選択される安定化材料で安定化されている。実施形態において、材料は、イットリア安定化ジルコニアを含む。

【0063】

インターコネクト
一実施形態では、インターコネクトは、銀、金、白金、ＡＩＳＩ４４１、フェライト系ステンレス鋼、ステンレス鋼、ランタン、クロム、酸化クロム、クロマイト、コバルト、セシウム、Ｃｒ２Ｏ３を含む。一実施形態では、アノードは、Ｃｒ２Ｏ３上のＬａＣｒＯ３コーティング、またはＮｉＣｏ２Ｏ４もしくはＭｎＣｏ２Ｏ４コーティングを含む。一実施形態では、インターコネクトの表面は、コバルトおよび／またはセシウムでコーティングされている。一実施形態では、インターコネクトは、セラミックを含む。一実施形態では、インターコネクトは、ランタンクロマイトまたはドープランタンクロマイトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、金属、ステンレス鋼、フェライト鋼、ｃｒｏｆｅｒ、ランタンクロマイト、銀、金属合金、ニッケル、酸化ニッケル、セラミック、またはグラフェンを含む材料で作られている。

【0064】

触媒
様々な実施形態において、燃料電池は、触媒、例えば、白金、パラジウム、スカンジア、クロム、コバルト、セシウム、ＣｅＯ２、ニッケル、酸化ニッケル、亜鉛（ｚｉｎｅ）、銅、チタニア（ｔｉｔａｎｔｉａ）、ルテニウム、ロジウム、ＭｏＳ２、モリブデン、レニウム、バナジウム、マンガン、マグネシウム、鉄を含む。様々な実施形態において、触媒は、メタン改質反応を促進して、燃料電池において酸化される水素および一酸化炭素を生じる。非常に多くの場合、触媒はアノードの一部であり、特にニッケルアノードは固有のメタン改質特性を有する。一実施形態では、触媒は、質量比でｌ％―５％、または０．１％～１０％である。一実施形態では、触媒は、アノード表面上またはアノード内で使用される。様々な実施形態において、このようなアノード触媒は、有害なコーキング反応および炭素堆積物を低減する。様々な実施形態において、単純な酸化物バージョンの触媒が使用されるか、またはペロブスカイトが使用される。例えば、２質量％のＣｅＯ２触媒が、メタン式燃料電池に使用される。様々な実施形態において、触媒は、アノード上に浸漬されるか、またはコーティングされる。様々な実施形態において、触媒は、付加製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）により製造される。

【0065】

実施例
下記実施例は、本発明の様々な実施形態の開示の一部として提供される。このため、下で提供される情報はいずれも発明の範囲を限定するものではない。

【0066】

実施例１．燃料電池スタックの製造
この方法では、Ｃｅｒａｄｒｏｐ社製のＡＭＭモデルＮｏ．００１２３２３、Ｘｅｎｏｎ社製のＥＭＲモデルＮｏ．０９２３０９４２３を使用する。インターコネクト基材を置き、印刷を開始する。

【0067】

第１の工程として、ＡＭＭによってアノード層が製造される。この層は、下記表に示される組成を有するスラリーＡとして、ＡＭＭにより堆積される。この層は、赤外線ランプで熱を加えることによって乾燥される。このアノード層は、キセノンフラッシュ管からの電磁放射線に１秒間曝露することによって焼結される。

【0068】

電解質層は、下記表に示される組成を有するスラリーＢを堆積させるＡＭＭにより、アノード層の上面に形成される。この層は、赤外線ランプで熱を加えることによって乾燥させる。この電解質層は、キセノンフラッシュ管からの電磁放射線に６０秒間曝露することによって焼結される。

【0069】

次に、カソード層は、下記表に示される組成を有するスラリーＣを堆積させるＡＭＭにより、電解質層の上に形成される。この層は、赤外線ランプで熱を加えることによって乾燥される。このカソード層は、キセノンフラッシュ管からの電磁放射線に１／２秒間曝露することによって焼結される。

【0070】

インターコネクト層は、下記表に示される組成を有するスラリーＤを堆積させるＡＭＭにより、カソード層の上に形成される。この層は、赤外線ランプで熱を加えることによって乾燥される。このインターコネクト層は、キセノンフラッシュ管からの電磁放射線に３０秒間曝露することによって焼結される。

【0071】

次いで、インターコネクトの上にアノード層が形成されながら、これらの工程が６０回繰り返される。この結果、６１個の燃料電池を有する燃料電池スタックが完成する。

【表1】

【0072】

実施例２．焼結結果
図３を参照する。電解質１２０１（ＹＳＺ）は、電極１２０２上で印刷され、焼結される（ＮｉＯ－ＹＳＺ）。この走査電子顕微鏡画像は、焼結構造の側面図を示す。この図は、電解質と電極との間が気密接触していること、電解質が完全に高密度化されていること、および焼結された多孔質電極の微細構造を示している。

【0073】

本開示は、発明の異なる特徴、構造、または機能を実施するための例示的な実施形態を説明するものであることが理解されるべきである。構成要素、配置、および構造の例示的な実施形態は本開示を簡略化するために記載されているが、これらの例示的な実施形態は、単に例として提供され、本発明の範囲を限定することを意図しない。本明細書で提示される実施形態は、特に指定しない限り、組み合わせることができる。そのような組み合わせは本開示の範囲から逸脱しない。

【0074】

さらに、ある一定の用語が、特定の構成要素または工程を示すために、説明および特許請求の範囲を通して使用される。当業者が認識するように、様々な機関（ｅｎｔｉｔｉｅｓ）は、同じ構成要素または工程を異なる名称で呼ぶことができ、そのため、本明細書で記載された要素の命名規則は、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、本明細書で使用される用語および命名規則は、名称は異なるが機能は異ならない構成要素、特徴、および／または工程を区別することを意図していない。

【0075】

本開示は、様々な改変および代替形態が可能であるが、その特定の実施形態は、図面および説明において例として示される。しかしながら、図面および詳細な説明は、本開示を開示される特定の形態に限定することを意図しておらず、逆に、本開示の精神および範囲内にある全ての改変、等価物および代替物を包含することを意図していることが理解されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】