▶ ユティリティ グローバル，インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-07
(54)【発明の名称】燃料電池を製造し、その構成要素を処理する方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/02 20160101AFI20220131BHJP
H01M 8/1253 20160101ALI20220131BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20220131BHJP
H01M 8/0202 20160101ALN20220131BHJP
H01M 8/1213 20160101ALN20220131BHJP
H01M 8/124 20160101ALN20220131BHJP
H01M 4/88 20060101ALN20220131BHJP
【ＦＩ】
H01M8/02
H01M8/1253
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
H01M8/0202
H01M8/1213
H01M8/124
H01M4/88 K
H01M4/88 T
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021525032
(86)(22)【出願日】2019-11-05
(85)【翻訳文提出日】2021-06-25
(86)【国際出願番号】 US2019059924
(87)【国際公開番号】W WO2020097119
(87)【国際公開日】2020-05-14
(31)【優先権主張番号】62/819,289
(32)【優先日】2019-03-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/809,602
(32)【優先日】2019-02-23
(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】62/827,800
(32)【優先日】2019-04-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/869,322
(32)【優先日】2019-07-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/808,644
(32)【優先日】2019-02-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/674,695
(32)【優先日】2019-11-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/837,089
(32)【優先日】2019-04-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/912,626
(32)【優先日】2019-10-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/844,127
(32)【優先日】2019-05-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/779,005
(32)【優先日】2018-12-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/777,273
(32)【優先日】2018-12-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/888,319
(32)【優先日】2019-08-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/895,416
(32)【優先日】2019-09-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/847,472
(32)【優先日】2019-05-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/864,492
(32)【優先日】2019-06-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/777,338
(32)【優先日】2018-12-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/849,269
(32)【優先日】2019-05-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/805,250
(32)【優先日】2019-02-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/896,466
(32)【優先日】2019-09-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/786,341
(32)【優先日】2018-12-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/768,864
(32)【優先日】2018-11-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/784,472
(32)【優先日】2018-12-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/840,381
(32)【優先日】2019-04-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/863,390
(32)【優先日】2019-06-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/758,778
(32)【優先日】2018-11-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/767,413
(32)【優先日】2018-11-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/771,045
(32)【優先日】2018-11-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/773,071
(32)【優先日】2018-11-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/773,912
(32)【優先日】2018-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/780,211
(32)【優先日】2018-12-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/783,192
(32)【優先日】2018-12-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/791,629
(32)【優先日】2019-01-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/797,572
(32)【優先日】2019-01-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/798,344
(32)【優先日】2019-01-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/804,115
(32)【優先日】2019-02-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/814,695
(32)【優先日】2019-03-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/819,374
(32)【優先日】2019-03-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/824,229
(32)【優先日】2019-03-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/825,576
(32)【優先日】2019-03-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/834,531
(32)【優先日】2019-04-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/839,587
(32)【優先日】2019-04-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/844,126
(32)【優先日】2019-05-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/852,045
(32)【優先日】2019-05-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/856,736
(32)【優先日】2019-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/866,758
(32)【優先日】2019-06-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/875,437
(32)【優先日】2019-07-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/877,699
(32)【優先日】2019-07-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/904,683
(32)【優先日】2019-09-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/899,087
(32)【優先日】2019-09-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(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】62/928,326
(32)【優先日】2019-10-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/674,580
(32)【優先日】2019-11-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/674,629
(32)【優先日】2019-11-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/674,657
(32)【優先日】2019-11-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/756,257
(32)【優先日】2018-11-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/756,264
(32)【優先日】2018-11-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/757,751
(32)【優先日】2018-11-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521193902
【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
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】ホール，デイビッド アール．
(72)【発明者】
【氏名】ドーソン，マシュー
(72)【発明者】
【氏名】ドーソン，ジン
【テーマコード（参考）】
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H018AA06
5H018AS02
5H018AS03
5H018BB00
5H018BB01
5H018BB07
5H018BB08
5H018EE02
5H018EE05
5H018EE06
5H018EE10
5H018EE12
5H018EE13
5H018HH03
5H018HH05
5H018HH06
5H018HH10
5H126AA02
5H126AA06
5H126AA14
5H126BB06
5H126GG02
5H126GG06
5H126GG08
5H126GG12
5H126GG13
5H126HH00
5H126HH01
5H126HH04
5H126JJ03
5H126JJ05
5H126JJ06
5H126JJ10
(57)【要約】
本明細書で、燃料電池の構成要素を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露する工程を含む、燃料電池の構成要素を処理する方法が開示される。構成要素は、第１の材料を含む。ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有し、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。好ましくは、処理プロセスは、下記効果の１つ以上を有する：加熱、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡。一実施形態では、基材は、燃料電池における構成要素である。そのような構成要素は、アノード、カソード、電解質、触媒、バリア層、インターコネクト、リフォーマ、またはリフォーマ触媒を含む。一実施形態では、基材は、燃料電池における層または燃料電池における層の一部または燃料電池における層の組み合わせまたは燃料電池における部分層の組み合わせである。
【選択図】図４
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の構成要素を処理する方法であって、前記燃料電池の構成要素を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することであって、前記構成要素は、第１の材料を含む、曝露すること；
を含み、
前記ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有しかつ前記ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する、方法。
【請求項2】
前記第１の材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム（Ｙｔｔｉｒｕｍ）、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたは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マンガナイト（ＬＳＭ）、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コバルタイト（ＬＳＣ）、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）、ニッケル、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、セリウム、銀、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼、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3】
前記処理された構成要素は、亀裂を有しないまたは最小の亀裂を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記構成要素に第２の材料を付加することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記電磁放射線に前記第２の材料を曝露することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記第２の材料は、グラファイト、グラフェン、ナノダイヤモンド、またはそれらの組み合わせを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記燃料電池における前記構成要素中の前記第２の材料の体積分率は、５０％以下、または３０％以下、または２０％以下、または１０％以下、または３％以下、または１％以下である、請求項４に記載の方法。
【請求項8】
下記の少なくとも１つを制御することを含む、請求項１に記載の方法：前記電磁放射線から前記構成要素までの距離；
前記電磁放射線のエネルギー密度；
前記電磁放射線の電圧；
前記電磁放射線のスペクトル；
前記構成要素の曝露体積；
前記構成要素の曝露位置；
曝露期間；
バースト周波数；ならびに
曝露の数。
【請求項9】
スクリーン印刷、テープキャスティング、噴霧、スパッタリング、物理蒸着、および付加製造からなる群より選択される少なくとも１つの工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
付加製造は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記電磁放射線は、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、またはマイクロ波を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
基材上に材料を堆積させること；電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して前記材料を加熱することを含む燃料電池を製造する方法であって、前記堆積されかつ加熱された材料は、前記燃料電池の一部を形成する、方法。
【請求項13】
堆積させることは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
加熱することは、その場で実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記電磁放射線は、１曝露、または１０曝露以下、または１００曝露以下、または１０００曝露以下、または１０，０００曝露以下で実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記電磁放射線は、１０－４－１０００Ｈｚまたは１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚのバースト周波数を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項17】
前記電磁放射線は、５０ｍｍ以下の曝露距離を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記電磁放射線は、０．１ｍｓ以上または１ｍｓ以上の曝露期間を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記電磁放射線は、任意で１００Ｖ以上のコンデンサ電圧で、キセノンランプを用いて適用される、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
基材上に材料を堆積させること；その場で前記材料を加熱して前記材料の少なくとも一部を焼結させることを含む燃料電池を製造する方法であって、前記堆積されかつ加熱された材料は、前記燃料電池の一部である、方法。
【請求項21】
加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）、またはプラズマ、または熱流体、または発熱体、またはそれらの組み合わせを用いて実施される、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記電磁放射線は、キセノンランプにより提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
堆積させることは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項24】
堆積させることは、マルチノズル付加製造法を使用する、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下、２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２５７号、２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２６４号、２０１８年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７５７，７５１号、２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７７８号、２０１８年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／７６７，４１３号、２０１８年１１月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，８６４号、２０１８年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／７７１，０４５号、２０１８年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，０７１号、２０１８年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，９１２号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，２７３号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，３３８号、２０１８年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／７７９，００５号、２０１８年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／７８０，２１１号、２０１８年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／７８３，１９２号、２０１８年１２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／７８４，４７２号、２０１８年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７８６，３４１号、２０１９年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／７９１，６２９号、２０１９年１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７９７，５７２号、２０１９年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７９８，３４４号、２０１９年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０４，１１５号、２０１９年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０５，２５０号、２０１９年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０８，６４４号、２０１９年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０９，６０２号、２０１９年３月６日に出願された米国仮特許出願第６２／８１４，６９５号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，３７４号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，２８９号、２０１９年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８２４，２２９号、２０１９年３月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／８２５，５７６号、２０１９年４月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８２７，８００号、２０１９年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８３４，５３１号、２０１９年４月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／８３７，０８９号、２０１９年４月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／８４０，３８１号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２５号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２７号、２０１９年５月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／８４７，４７２号、２０１９年５月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４９，２６９号、２０１９年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５２，０４５号、２０１９年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５６，７３６号、２０１９年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／８６３，３９０号、２０１９年６月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／８６４，４９２号、２０１９年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８６６，７５８号、２０１９年７月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８６９，３２２号、２０１９年７月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８７５，４３７号、２０１９年７月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８７７，６９９号、２０１９年８月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８８８，３１９号、２０１９年９月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８９５，４１６号、２０１９年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／８９６，４６６号、２０１９年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８９９，０８７号、２０１９年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／９０４，６８３号、２０１９年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６２／９１２，６２６号、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、２０１９年１０月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９２８，３２６号の恩典を主張する。上記出願の各々の開示内容は、これにより、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下、２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２５７号、２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２６４号、２０１８年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７５７，７５１号、２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７７８号、２０１８年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／７６７，４１３号、２０１８年１１月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，８６４号、２０１８年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／７７１，０４５号、２０１８年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，０７１号、２０１８年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，９１２号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，２７３号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，３３８号、２０１８年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／７７９，００５号、２０１８年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／７８０，２１１号、２０１８年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／７８３，１９２号、２０１８年１２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／７８４，４７２号、２０１８年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７８６，３４１号、２０１９年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／７９１，６２９号、２０１９年１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７９７，５７２号、２０１９年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７９８，３４４号、２０１９年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０４，１１５号、２０１９年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０５，２５０号、２０１９年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０８，６４４号、２０１９年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０９，６０２号、２０１９年３月６日に出願された米国仮特許出願第６２／８１４，６９５号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，３７４号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，２８９号、２０１９年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８２４，２２９号、２０１９年３月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／８２５，５７６号、２０１９年４月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８２７，８００号、２０１９年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８３４，５３１号、２０１９年４月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／８３７，０８９号、２０１９年４月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／８４０，３８１号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２５号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２７号、２０１９年５月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／８４７，４７２号、２０１９年５月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４９，２６９号、２０１９年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５２，０４５号、２０１９年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５６，７３６号、２０１９年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／８６３，３９０号、２０１９年６月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／８６４，４９２号、２０１９年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８６６，７５８号、２０１９年７月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８６９，３２２号、２０１９年７月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８７５，４３７号、２０１９年７月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８７７，６９９号、２０１９年８月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８８８，３１９号、２０１９年９月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８９５，４１６号、２０１９年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／８９６，４６６号、２０１９年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８９９，０８７号、２０１９年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／９０４，６８３号、２０１９年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６２／９１２，６２６号、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、２０１９年１０月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９２８，３２６号の恩典を主張する。上記出願の各々の開示内容は、これにより、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
技術分野
この発明は燃料電池製造に関する。より特定的には、この発明は固体酸化物燃料電池または電気化学反応器を製造する方法に関する。
この発明は燃料電池製造に関する。より特定的には、この発明は固体酸化物燃料電池または電気化学反応器を製造する方法に関する。
【背景技術】
【0003】
燃料電池は電気化学反応を介して、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する電気化学装置である。時として、燃料電池により発生した熱もまた、使用可能である。多くの型の燃料電池が存在する。例えば、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、電極、電解質、触媒、およびガス拡散層を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）から構成される。触媒のインク、炭素、および電極が固体電解質上に噴霧され、または塗工され、カーボン紙がどちらの側にもホットプレスされて、電池の内側を保護し、また、電極としても作用する。電池の最も重要な部分は三相界面であり、そこでは、電解質、触媒、および反応物が混合し、よって、そこで、電池反応が実際に起こる。半反応物が混合しないように膜は導電性であってはならない。
【0004】
ＰＥＭＦＣは車両および全てのサイズの他のモバイル用途（例えば、携帯電話）のための良好な候補であり、なぜなら、それは小型であるからである。しかしながら、水管理が性能に極めて重要であり：水が多すぎると膜が水浸しになり、少なすぎるとそれを乾燥させてしまい；どちらの場合でも、電力出力が落ちる。水管理はＰＥＭ燃料電池システムにおいて困難な問題であり、主に、膜内の水が、分極により電池のカソードに向かって引きつけられるからである。さらに、膜上の白金触媒は一酸化炭素により容易に被毒する（ＣＯレベルは１ｐｐｍ以下である必要がある）。膜はまた、金属イオンのようなものに対し感受性であり、それらは金属バイポーラプレート、もしくは燃料電池システム中の金属構成要素の腐食により、または燃料および／または酸化剤中の混入物質から導入され得る。
【0005】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は電解質として固体酸化物材料を使用する異なるクラスの燃料電池である。ＳＯＦＣは、カソードからの負の酸素イオンをアノードへ伝導させる固体酸化物電解質を使用する。燃料（例えば、水素、一酸化炭素）による酸素イオンの電気化学酸化が、アノード側で起こる。いくつかのＳＯＦＣはプロトン伝導性電解質を使用し（ＰＣ－ＳＯＦＣ）、これは、電解質を通して酸素イオンの代わりにプロトンを輸送する。典型的には、酸素イオン伝導性電解質を使用するＳＯＦＣは、ＰＣ－ＳＯＦＣより高い動作温度を有する。加えて、ＳＯＦＣは典型的には、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などの低温燃料電池には典型的には必要である、高価な白金触媒材料を必要とせず、かつ一酸化炭素触媒被毒しやすくない。固体酸化物燃料電池は、住居および車両のための補助動力装置、ならびにデータセンタのための固定発電ユニットなどの、多種多様の用途を有する。ＳＯＦＣはインターコネクトを含み、それらは、セルが直列に接続され、かつ各セルにより発生した電気が合わされるように、各個々のセルの間に配置される。ＳＯＦＣの１つのカテゴリは横縞型（ＳＩＳ）ＳＯＦＣであり、この場合、電流は横方向の電解質に平行である。ＳＩＳ型ＳＯＦＣと対照的に、異なるカテゴリのＳＯＦＣは、横方向の電解質に垂直な電流を有する。これらの２つのカテゴリのＳＯＦＣは、異なって接続され、異なって製造される。
【0006】
燃料電池が適正に、かつ連続して機能するように、周辺機器（ＢＯＰ）のための構成要素が必要とされる。例えば、機械的周辺機器は、空気予熱器、リフォーマおよび／またはプレリフォーマ、アフターバーナー、水熱交換器、アノードテールガス酸化器を含む。他の構成要素もまた必要とされ、パワーエレクトロニクス、硫化水素センサ、およびファンを含む電気的周辺機器などである。これらのＢＯＰ構成要素は、しばしば複雑で高価である。燃料電池および燃料電池システムは、高度生産システムおよび方法を開発するのに必要でありかつ興味を引く単純な例であり、そのため、これらの効率的なシステムは、経済的に生成され、広く開発され得る。
【発明の概要】
【0007】
本明細書では、燃料電池の構成要素を処理する方法が開示され、方法は上記構成要素を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することを含み、構成要素は、第１の材料を含み；ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有し、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲ源は、キセノンランプを含む。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、ピーク波長は波長に対する相対放射照度に基づく。一実施形態では、第１の材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム（Ｙｔｔｉｒｕｍ）、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたは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マンガナイト（ＬＳＭ）、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コバルタイト（ＬＳＣ）、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）、ニッケル、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、ＮｉＯ－ＹＳＺ、銅（Ｃｕ）、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、セリウム、銀、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、処理済み構成要素は亀裂を有しない、または最小の亀裂を有する。
【0008】
一実施形態では、方法は、第２の材料を構成要素に付加することを含む。一実施形態では、方法は、第２の材料をＥＭＲに曝露することを含む。一実施形態では、第２の材料は、グラファイト、グラフェン、ナノダイヤモンド、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、燃料電池における構成要素中の第２の材料の体積分率は、５０％以下、または３０％以下、または２０％以下、または１０％以下、または３％以下、または１％以下である。
【0009】
一実施形態では、方法は、下記の少なくとも１つを制御することを含む：ＥＭＲから構成要素までの距離；ＥＭＲのエネルギー密度；ＥＭＲのスペクトル；ＥＭＲの電圧；構成要素の曝露体積；構成要素の曝露位置；曝露期間；バースト周波数；および曝露数。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波を含む。一実施形態では、ＥＭＲはキセノンランプにより提供される。
【0010】
一実施形態では、方法は、燃料電池の製造技術と組み合わされる。一実施形態では、上記製造技術は、スクリーン印刷、テープキャスティング、噴霧、スパッタリング、物理蒸着、付加製造を含む。一実施形態では、付加製造は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。
【0011】
本明細書で、材料を基材上に堆積させること；電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して材料を加熱することを含む燃料電池を製造する方法であって、堆積されかつ加熱される材料が、燃料電池の一部である、方法もまた記載される。一実施形態では、上記堆積は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、加熱はその場で実施される。一実施形態では、ＥＭＲは１曝露、または１０曝露以下、または１００曝露以下、または１０００曝露以下、または１０，０００曝露以下で実施される。一実施形態では、ＥＭＲは、１０－４－１０００Ｈｚまたは１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚのバースト周波数を有する。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または１ｍｓ以上の曝露期間を有する。一実施形態では、ＥＭＲは１００Ｖ以上のコンデンサ電圧を用いて適用される。一実施形態では、ＥＭＲはキセノンランプにより提供される。
【0012】
本明細書で、材料を基材上に堆積させること；材料をその場で加熱して材料の少なくとも一部を焼結させることを含み、堆積されかつ加熱される材料が、燃料電池の一部である、燃料電池を製造する方法が、さらに開示される。一実施形態では、加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）、またはプラズマ、または熱流体、または発熱体、またはそれらの組み合わせを用いて実施される。一実施形態では、ＥＭＲは、キセノンランプにより提供される。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波を含む。一実施形態では、堆積は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、堆積は、マルチノズル付加製造方法を使用する。
【0013】
一実施形態では、第１の燃料電池に第２の燃料電池が積層され、そのためインターコネクトが第１の燃料電池の電極の表面Ａと接触し、表面Ａは、第１の燃料電池の電極の平均表面積より大きい面積を有し；インターコネクトは、第２の燃料電池の電極の表面Ｂと接触し、表面Ｂは、第２の燃料電池の電極の平均表面積より大きい面積を有し、電極の平均表面積は、電極の表面の数で割った電極の総表面積である。一実施形態では、燃料電池は非ＳＩＳ型ＳＯＦＣである。
【0014】
さらなる態様および実施形態が、下記の図面、発明を実施するための形態および特許請求の範囲において提供される。特に指定がない限り、本明細書で議論される特徴は組み合わせ可能であり、そのような組み合わせは全て、この開示の範囲内にある。
【0015】
下記図面は、本明細書で記載されるある実施形態を説明するために提供される。図面は例示にすぎず、特許請求される発明の範囲を制限することを意図せず、かつ、特許請求される発明の可能性のある特徴または実施形態全てを示すことを意図しない。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、図面のある要素が、説明目的で、図面の他の要素に対して拡大される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】この開示の一実施形態による、アノード、電解質、およびカソードを含む燃料電池を示す。
【図2】この開示の一実施形態による、アノード、電解質、少なくとも１つのバリア層、およびカソードを含む燃料電池を示す。
【図3】この開示の一実施形態による、アノード、触媒、電解質、少なくとも１つのバリア層、およびカソードを含む燃料電池を示す。
【図4】この開示の一実施形態による、アノード、触媒、電解質、少なくとも１つのバリア層、カソード、およびインターコネクトを含む燃料電池を示す。
【図5】この開示の一実施形態による、燃料電池スタックを示す。
【図6】この開示の一実施形態による、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用する統合された堆積および加熱の方法およびシステムを示す。
【図7】この開示の一実施形態による、温度の関数としての、第１の組成物および第２の組成物のＳＲＴを示す。
【図8】この開示の一実施形態による、燃料電池の少なくとも一部を形成し加熱するためのプロセスフローを示す。
【図9】この開示の一実施形態による、最大高さプロファイル粗さを示す。
【図10】この開示の一実施形態による、電極（ＮｉＯ－ＹＳＺ）上に印刷され焼結された電解質（ＹＳＺ）を示す走査電子顕微鏡像（側面図）である。
【図11A】この開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の斜視図を示す。
【図11B】この開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の断面図を示す。
【図11C】この開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の上面図および底面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0017】
次の記載は、本明細書で開示される発明の様々な態様および実施形態を列挙する。いずれの特定の実施形態も発明の範囲を規定することを意図しない。むしろ、実施形態は、特許請求される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。記載は、当業者の観点から読まれるべきである。よって、当業者によく知られている情報は必ずしも含まれない。
【0018】
次の用語および句は、本明細書で別段の定めがない限り、下で示される意味を有する。この開示は本明細書で明確に規定されていない他の用語および句を採用し得る。そのような他の用語および句は、当業者へのこの開示との関連で有する意味を持つであろう。場合によっては、用語または句は単数形または複数形で規定され得る。そのような場合、それとは反対のことが明確に示されない限り、単数形のいずれの用語もその複数の対応物を含んでよく、逆の場合も同じであることが理解される。
【0019】
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」への言及は、単一の置換基ならびに２つ以上の置換基を包含する、などである。本明細書では、「例えば」、「例として」、「などの」または「を含む」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、いかなる様式でも制限することを意味しない。これらの句はまた、開示された実施形態へのどんな種類の優先性も示さない。
【0020】
本明細書では、組成物および材料は、他に特に規定がなければ、同じ意味で使用される。各組成物／材料は複数の要素、相、および成分を有し得る。加熱は本明細書では、能動的に組成物または材料にエネルギーを付加することを指す。この開示におけるその場で、は、処理（例えば、加熱）プロセスが、組成物または材料の形成プロセスの、同じ場所でまたは同じ装置内でのいずれかで実施されることを指す。例えば、堆積プロセスおよび加熱プロセスは同じ装置内で、かつ、同じ場所で、言い換えれば、装置を変えずに、かつ、装置内での場所を変えずに実施される。例えば、堆積プロセスおよび加熱プロセスは同じ装置内において、異なる場所で実施され、これもまた、その場で、と考えられる。
【0021】
付加製造（ＡＭ）は、材料を、通常一片ずつ、または、層の上に層を重ねて、接合させ、物体を作製する一群の技術を指す。ＡＭは、機械加工または切除による材料の一部の除去を含む減法製造法と対照的である。ＡＭはまた、積層造形、加法過程、加法技術、付加層製造、層製造、および自由形状製作と呼ばれる。ＡＭのいくつかの例は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、レーザーメタルデポジション（ＬＭＤ）、電子ビーム（ＥＢＡＭ）、および金属バインダ噴射である。３ＤプリンタはＡＭ機（ＡＭＭ）の１つの型である。インクジェットプリンタまたは超音波インクジェットプリンタもまた、ＡＭＭである。
【0022】
本明細書では、「歪み速度テンソル」または「ＳＲＴ」という句は、ある点の近くで、かつ、ある時間での材料の歪みの変化速度を指すことが意味される。それは、時間に関する歪みテンソルの導関数として規定できる。ＳＲＴまたはＳＲＴの差がこの開示において比較される場合、使用されるのは大きさである。
【0023】
本明細書では、横は、非ＳＩＳ型燃料電池における、層の積み重ね方向に垂直な方向を指す。よって、横方向は、燃料電池における層の積み重ね方向、または、堆積中に物体を形成する薄片の積み重ね方向に垂直な方向を指す。横はまた、堆積プロセスの広がりである方向を指す。
【0024】
この開示における合成ガス（すなわち、合成用ガス）は、主に、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素から構成される混合物を指す。
【0025】
この開示では、吸光度は、物質のある波長の電磁放射線（ＥＭＲ）を吸収する能力の尺度である。
【0026】
放射線の吸収は、放射線に曝露された時に物質により吸収されるエネルギーを指す。
【0027】
燃料電池の典型的な製造プロセスは時として、数十の機械を使用する１００を超える工程を必要とする可能性がある。この開示の一実施形態によれば、燃料電池を製造する方法は、たった１つの付加製造機（ＡＭＭ）を使用して燃料電池を製造することを含み、燃料電池は、アノード、電解質、およびカソードを含む。一実施形態では、燃料電池は、例えば、電解質とカソードの間、または電解質とカソードの間、または両方に少なくとも１つのバリア層を含む。少なくとも１つのバリア層もまた好ましくは、同じ単一のＡＭＭにより製造される。一実施形態では、ＡＭＭはまた、インターコネクトを生成し、インターコネクトをアノード、カソード、バリア層（複数可）、および電解質と一緒に組み立てる。
【0028】
一実施形態では、インターコネクト、アノード、電解質、およびカソードは、層の上に層を重ねて形成され、例えば、層の上に層を重ねて印刷される。発明の範囲内で、これらの層を形成する順序は変化させることができることに注意することが重要である。言い換えれば、アノードまたはカソードのどちらか一方は、他方の前に形成されてよい。当然、電解質は、それがアノードとカソードの間にあるように形成される。バリア層（複数可）、触媒層（複数可）およびインターコネクト（複数可）は、それらの機能を果たすために、燃料電池内の適切な位置に存在するように形成される。
【0029】
一実施形態では、インターコネクト、アノード、電解質、およびカソードの各々は、６つの面を有する。場合によっては、アノードはインターコネクト上に印刷され、インターコネクトと接触し；電解質はアノード上に印刷され、アノードと接触し；カソードは電解質上に印刷され、電解質と接触する。各プリントは、例えば、ＥＭＲを使用して焼結される。そのようなものとして、組立てプロセスおよび形成プロセスは同時に起こり、これは、従来の方法では可能ではない。その上、好ましい実施形態により、必要とされる電気接触および気密性もまた、同時に達成される。対照的に、従来の燃料電池組立てプロセスは、燃料電池構成要素または層の加圧または圧縮によりこれを達成することが要求される。加圧または圧縮プロセスは燃料電池層に望ましくない亀裂を引き起こす可能性がある。
【0030】
様々な実施形態では、単一のＡＭＭが、第１の燃料電池を製造し、燃料電池は、アノード、電解質、カソード、少なくとも１つのバリア層、およびインターコネクトを含む。様々な実施形態では、単一のＡＭＭが、第２の燃料電池を製造する。様々な実施形態では、単一のＡＭＭは、第１の燃料電池を第２の燃料電池と共に組立てて、燃料電池スタックを形成する。様々な実施形態では、ＡＭＭを用いる生成は、何回でも好きなだけ繰り返され；および燃料電池スタックは、ＡＭＭを用いて組立てられる。一実施形態では、燃料電池の様々な層は、ＡＭＭにより周囲温度を超えて、例えば、１００℃超、１００℃～５００℃、１００℃～３００℃で生成される。様々な実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、それが形成され／組立てられた後に加熱される。一実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、５００℃を超える温度で加熱される。一実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、５００℃～１５００℃の温度で加熱される。
【0031】
様々な実施形態では、ＡＭＭは、そこで燃料電池の製造が起こるチャンバを含む。このチャンバは燃料電池の生成を可能にする高温に耐えることができる。一実施形態では、この高温は少なくとも３００℃である。一実施形態では、この高温は少なくとも５００℃である。一実施形態では、この高温は少なくとも８００℃である。一実施形態では、この高温は少なくとも１０００℃である。一実施形態では、この高温は少なくとも１５００℃である。場合によっては、このチャンバはまた、燃料電池の加熱がチャンバ内で起こることを可能にする。様々な加熱方法、例えばレーザー加熱／硬化、電磁波加熱、熱流体加熱、またはチャンバと関連する加熱要素が、適用される。加熱要素は、加熱面または加熱コイルまたは加熱ロッドであってよく、チャンバ内の内容物が所望の温度範囲まで加熱されるようにチャンバと関連付けられる。様々な実施形態では、ＡＭＭのチャンバは、例えば、可動部（例えば、可動スタンプまたはプランジャー）を介して、内側の燃料電池（複数可）に圧力を適用できる。様々な実施形態では、ＡＭＭのチャンバは、圧力に耐えることができる。チャンバは、流体により加圧され、要望通り減圧され得る。チャンバ内の流体はまた、必要に応じ変更され／置き換えられ得る。
【0032】
一実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、ＥＭＲを使用して加熱される。一実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、オーブン硬化を使用して加熱される。一実施形態では、レーザービームは、拡大されて（例えば、１つ以上のミラーの使用により）均一な電力密度を有する加熱ゾーンを生成する。一実施形態では、燃料電池の各層は、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、燃料電池層の組み合わせ、例えば、アノード層、電解質層、およびカソード層の組み合わせは、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池がＥＭＲ硬化され、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで、第２の燃料電池がＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第１の燃料電池および第２の燃料電池は、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられて燃料電池スタックを形成し、次いで燃料電池スタックが、ＥＭＲ硬化される。一連のレーザー加熱／硬化および組立ては、全ての他の加熱方法に適用可能である。
【0033】
一実施形態では、ＡＭＭは、多重燃料電池の各層を同時に生成する。一実施形態では、ＡＭＭは、多重燃料電池の各層を同時に組立てる。一実施形態では、多重燃料電池の各層の加熱または層の組み合わせの加熱は、同時に起こる。燃料電池または燃料電池スタックについての本明細書における議論はすべて、かつ、特徴は全て、多重燃料電池の生成、組立て、および加熱に適用可能である。一実施形態では、燃料電池の多重度は２０以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は５０以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は８０以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は１００以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は５００以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は８００以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は１０００以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は５０００以上である。一実施形態では、燃料電池の多重度は１０，０００以上である。
【0034】
本明細書では、次の効果の１つ以上を有する処理プロセスも開示される：加熱、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡。処理プロセスは、基材を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、第１の材料を有する基材を処理する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚのバースト周波数を有する。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または１ｍｓ以上の曝露期間を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１００Ｖ以上のコンデンサ電圧を用いて適用される。例えば、ＥＭＲの単一パルスが、約１０ｍｍの曝露距離および５－２０ｍｓの曝露期間を用いて適用される。
【0035】
次の詳細な説明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成を一例として取り上げる。当業者であれば認識するように、方法および製造プロセスは、任意の電気化学装置、反応器、容器、触媒、などに適用可能である。
【0036】
付加製造
第１の態様では、発明は、（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用してアノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して電解質を作製すること；ならびに（ｃ）ＡＭＭを使用してカソードを製造することを含む、燃料電池を製造する方法である。一実施形態では、アノード、電解質、およびカソードは、ＡＭＭを利用して燃料電池へと組立てられる。一実施形態では、燃料電池は、ＡＭＭのみを使用して形成される。一実施形態では、工程（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、テープキャスティングを排除し、スクリーン印刷を排除する。一実施形態では、方法は、組立てにおける圧縮を排除する。一実施形態では、層は、積み重ねて堆積され、そのようなものとして、組立ては、堆積と同時に達成される。この開示の方法は、平板型燃料電池の製造に有用である。この開示の方法は、燃料電池の製造に有用であり、電流は、燃料電池が使用される時に横方向の電解質に垂直である。
第１の態様では、発明は、（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用してアノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して電解質を作製すること；ならびに（ｃ）ＡＭＭを使用してカソードを製造することを含む、燃料電池を製造する方法である。一実施形態では、アノード、電解質、およびカソードは、ＡＭＭを利用して燃料電池へと組立てられる。一実施形態では、燃料電池は、ＡＭＭのみを使用して形成される。一実施形態では、工程（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、テープキャスティングを排除し、スクリーン印刷を排除する。一実施形態では、方法は、組立てにおける圧縮を排除する。一実施形態では、層は、積み重ねて堆積され、そのようなものとして、組立ては、堆積と同時に達成される。この開示の方法は、平板型燃料電池の製造に有用である。この開示の方法は、燃料電池の製造に有用であり、電流は、燃料電池が使用される時に横方向の電解質に垂直である。
【0037】
一実施形態では、方法は、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、ＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられる。一実施形態では、バリア層は燃料電池において使用されない。
【0038】
一実施形態では、方法は、ＡＭＭを使用してインターコネクを製造することを含む。一実施形態では、インターコネクトは、ＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられる。一実施形態では、ＡＭＭは触媒を形成し、上記触媒を燃料電池に組み入れる。
【0039】
一実施形態では、アノード、電解質、カソード、およびインターコネクトは、１００℃を超える温度で製造される。一実施形態では、方法は、燃料電池を加熱することを含み、上記燃料電池は、アノード、電解質、カソード、インターコネクト、および任意で少なくとも１つのバリア層を含む。一実施形態では、燃料電池は、触媒を含む。一実施形態では、方法は、燃料電池を、５００℃を超える温度に加熱することを含む。一実施形態では、燃料電池は、ＥＭＲまたはオーブン硬化を使用して加熱される。
【0040】
一実施形態では、ＡＭＭは、マルチノズル付加製造法を利用する。一実施形態では、マルチノズル付加製造法は、ナノ粒子噴射を含む。一実施形態では、第１のノズルは、第１の材料を送達する。一実施形態では、第２のノズルは、第２の材料を送達する。一実施形態では、第３のノズルは、第３の材料を送達する。一実施形態では、第４の材料の粒子は、部分的に構成された燃料電池と接触して配置され、レーザー、光電効果、光、熱、重合、または結合を用いて部分的に構成された燃料電池に接着される。一実施形態では、アノード、またはカソード、または電解質は、第１、第２、第３または第４の材料を含む。一実施形態では、ＡＭＭは、複数の付加製造技術を実施する。様々な実施形態では、付加製造技術は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層を含む。様々な実施形態では、付加製造は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む堆積技術である。
【0041】
燃料電池スタックを製造する方法が本明細書でさらに記載され、方法は、（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用してアノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して電解質を作製すること；（ｃ）ＡＭＭを使用してカソードを製造すること；（ｄ）ＡＭＭを使用してインターコネクトを製造することであって；アノード、電解質、カソード、およびインターコネクトは第１の燃料電池を形成する、製造すること；（ｅ）工程（ａ）－（ｄ）を繰り返し、第２の燃料電池を製造すること；ならびに（ｆ）第１の燃料電池および第２の燃料電池を組立てて燃料電池スタックにすること、を含む。
【0042】
一実施形態では、第１の燃料電池および第２の燃料電池は、ＡＭＭを使用してアノード、電解質、カソード、およびインターコネクトから形成される。一実施形態では、燃料電池スタックは、ＡＭＭのみを使用して形成される。一実施形態では、工程（ａ）－（ｆ）は、テープキャスティングを排除し、かつ、スクリーン印刷を排除する。
【0043】
一実施形態では、方法は、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、第１の燃料電池および第２の燃料電池のために、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。
【0044】
一実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は１００℃を超える温度で実施される。一実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は１００℃～５００℃の温度で実施される。一実施形態では、ＡＭＭは触媒を製造し、上記触媒を燃料電池スタックに組み入れる。
【0045】
一実施形態では、方法は、燃料電池スタックを加熱することを含む。一実施形態では、方法は、燃料電池スタックを５００℃を超える温度に加熱することを含む。一実施形態では、燃料電池スタックは、ＥＭＲまたはオーブン硬化を使用して加熱される。一実施形態では、レーザーはレーザービームを有し、上記レーザービームは拡大されて、均一な電力密度を有する加熱ゾーンを生成する。一実施形態では、レーザービームは、１つ以上のミラーの使用により拡大される。一実施形態では、燃料電池の各層は、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、燃料電池層の組み合わせは、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池がＥＭＲ硬化され、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第２の燃料電池がＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第１の燃料電池および第２の燃料電池が、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池および第２の燃料電池は、別々にＥＭＲ硬化され、次いで第１の燃料電池が第２の燃料電池と共に組立てられて、燃料電池スタックを形成する。一実施形態では、第１の燃料電池が第２の燃料電池と共に組立てられて燃料電池スタックを形成し、次いで燃料電池スタックがＥＭＲ硬化される。
【0046】
本明細書で、（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用して同時に多重アノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して同時に多重電解質を作製すること；ならびに（ｃ）ＡＭＭを使用して同時に多重カソードを製造すること、を含む多重燃料電池を製造する方法もまた記載される。一実施形態では、アノード、電解質、およびカソードは、ＡＭＭを利用して同時に組立てられて燃料電池にされる。一実施形態では、燃料電池は、ＡＭＭのみを使用して形成される。
【0047】
一実施形態では、方法は、同時に、多重燃料電池の各々のために、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、各燃料電池のためにＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられる。
【0048】
一実施形態では、方法は、同時に、多重燃料電池の各々のために、ＡＭＭを使用してインターコネクトを製造することを含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、各燃料電池のためにＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられる。一実施形態では、ＡＭＭは、同時に多重燃料電池の各々のために触媒を形成し、上記触媒を燃料電池の各々に組み入れる。一実施形態では、各層の加熱または多重燃料電池の層の組み合わせの加熱は、同時に起こる。一実施形態では、多重燃料電池は、２０燃料電池以上である。
【0049】
一実施形態では、ＡＭＭは、同時に異なる材料を噴射／印刷するために異なるノズルを使用する。例えば、ＡＭＭにおいて、同時に、第１のノズルは燃料電池１のためのアノードを製造し、第２のノズルは燃料電池２のためのカソードを製造し、および第３のノズルは燃料電池３のための電解質を製造する。例えば、ＡＭＭにおいて、同時に、第１のノズルは燃料電池１のためのアノードを製造し、第２のノズルは燃料電池２のためのカソードを製造し、第３のノズルは燃料電池３のための電解質を製造し、および第４のノズルは燃料電池４のためのインターコネクトを製造する。
【0050】
燃料電池の製造が起こるチャンバを含む付加製造機（ＡＭＭ）が本明細書で開示され、上記チャンバは、少なくとも３００℃の温度に耐えることができる。一実施形態では、上記チャンバは、燃料電池の生成を可能にする。一実施形態では、上記チャンバは、その場での燃料電池の加熱を可能にする。一実施形態では、上記チャンバは、レーザー、または電磁波／電磁放射線（ＥＭＲ）、または熱流体、またはチャンバと関連する加熱要素、またはそれらの組み合わせにより加熱される。一実施形態では、上記加熱要素は、加熱面または加熱コイルまたは加熱ロッドを含む。一実施形態では、上記チャンバは、内側の燃料電池に圧力を適用するように構成される。一実施形態では、圧力は、チャンバと関連する可動部を介して適用される。一実施形態では、上記可動部は、可動スタンプまたはプランジャーである。一実施形態では、上記チャンバは、圧力に耐えるように構成される。一実施形態では、上記チャンバは、流体により加圧され、または減圧されるように構成される。一実施形態では、チャンバ内の上記流体は、変更されるまたは置き換えられる。
【0051】
場合によっては、チャンバは封入される。場合によっては、チャンバは密閉される。場合によっては、チャンバは開放である。場合によっては、チャンバは上壁および側壁のないプラットフォームである。
【0052】
図６を参照して、６０１は堆積ノズルまたは材料噴射ノズルを概略的に表し；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；ならびに６０４はＡＭＭの一部としてのチャンバを表す。図６に示されるように、チャンバまたはレシーバ６０４は、ノズルからの堆積物およびＥＭＲ源からの放射線の両方を受理するように構成される。様々な実施形態では、堆積ノズル６０１は可動である。様々な実施形態では、チャンバまたはレシーバ６０４は可動である。様々な実施形態では、ＥＭＲ源６０２は可動である。様々な実施形態では、物体は、触媒、触媒担体、触媒複合物、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、電気化学ガス発生器、電解槽、電気化学コンプレッサ、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】
この開示に好適な付加製造技術は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、および積層を含む。一実施形態では、付加製造は、押出付加製造である。押出付加製造は、材料（例えば、熱可塑性物質）の空間的に制御された堆積を含む。それは、この開示では溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）または熱溶解積層法（ＦＤＭ）とも呼ばれる。
【0054】
一実施形態では、付加製造は光重合、すなわち、この開示のプロセスのためのステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）である。ＳＬＡは、走査レーザーまたは高解像度投射画像を使用し、それを架橋固体に変換する、光活性液体（「フォトレジン」）の空間的に規定される硬化を含む。光重合は、マイクロメートル～メートルスケールの範囲の細部および寸法を有する部品を生成する。
【0055】
一実施形態では、付加製造は、粉末床溶融結合（ＰＢＦ）である。ＰＢＦ ＡＭプロセスは、粉末化供給原料、例えば、ポリマまたは金属を溶融することにより物体を構築する。ＰＢＦプロセスは、構築エリア全体に粉末の薄層を広げることにより開始する。断面が次いで、ほとんどの場合レーザー、電子ビーム、または高強度赤外線ランプを使用して、一度に１層溶融される。一実施形態では、金属のＰＢＦは、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または電子ビーム溶融（ＥＢＭ）である。一実施形態では、ポリマのＰＢＦは、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）である。様々な実施形態では、ＳＬＳシステムは、熱可塑性ポリマ材料、ポリマ複合物、またはセラミックを印刷する。様々な実施形態では、ＳＬＭシステムは、様々な純粋金属および合金に好適であり、合金はＳＬＭにおいて起こる急速固化に適合する。
【0056】
一実施形態では、付加製造は、材料噴射である。材料噴射による付加製造は、空間制御して材料の小滴（または液滴）を堆積させることにより達成される。様々な実施形態では、材料噴射は、三次元的に（３Ｄ）または二次元的に（２Ｄ）または両方で実施される。一実施形態では、３Ｄ噴射は、１層ずつ達成される。一実施形態では、プリント作成は、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）を、材料組成、色、および他の変数の仕様と共に、各層に対する印刷命令に変換する。バインダ噴射ＡＭは、液体バインダの粉末床上へのインクジェット堆積を含む。場合によっては、バインダ噴射は、他のＡＭプロセスの物理特性を組み合わせる：粉末を広げて粉末床を作製すること（ＳＬＳ／ＳＬＭに類似）、およびインクジェット印刷。
【0057】
一実施形態では、付加製造は、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）である。上で検討された粉末床を使用する代わりに、ＤＥＤプロセスは、レーザー、電気アーク、または電子ビームなどのエネルギー集約源と共に、粉末の指向流またはワイヤフィードを使用する。一実施形態では、ＤＥＤは、直接書きプロセスであり、材料堆積の場所が堆積ヘッドの移動により決定され、これは粉末床の制約なしに大きな金属構造が構築されることを可能にする。
【0058】
一実施形態では、付加製造は、積層ＡＭ、または積層物体製造（ＬＯＭ）である。一実施形態では、シート材料の連続した層が、連続して接着され、３Ｄ構造を形成するために切断される。
【0059】
ミリング、粉砕、濾過、分析、混合、結合、蒸発、エージング、乾燥、押出、展延、テープキャスティング、スクリーン印刷、スタッキング、加熱、加圧、焼結、および圧縮を含むがこれらに限定はされない、１００を超える工程を含み得る、燃料電池スタックを製造する従来の方法とは対照的に、この開示の方法は、１つのＡＭＭを使用して燃料電池または燃料電池スタックを製造する。
【0060】
この開示のＡＭＭは好ましくは、押出およびインク噴射の両方を実施して、燃料電池または燃料電池スタックを製造する。押出は、燃料電池のより厚い層、例えば、アノードおよび／またはカソードを製造するために使用される。インク噴射は、燃料電池の薄層を製造するために使用される。インク噴射は、電解質を製造するために使用される。ＡＭＭは、ＡＭＭ自体において硬化を可能にするのに十分な温度範囲で動作する。そのような温度範囲は、１００℃以上、例えば１００℃－３００℃または１００℃－５００℃である。
【0061】
好ましい実施形態では、燃料電池の層は全て、印刷により形成され、組立てられる。アノード、カソード、電解質、およびインターコネクトを、それぞれ製造するための材料は、溶媒および粒子（例えば、ナノ粒子）を含むインク形態にされる。２つのカテゴリのインク配合物が存在する－水性インクおよび非水性インク。場合によっては、水性インクは、水性溶媒（例えば、水、脱イオン水）、粒子、分散剤、および界面活性剤を含む。場合によっては、水性インクは、水性溶媒（例えば、水、脱イオン水）、粒子、分散剤、界面活性剤を含むが、ポリマバインダは含まない。水性インクは任意で、共溶媒、例えば、有機混和性溶媒（メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール）を含む。そのような共溶媒は好ましくは、水より低い沸点を有する。分散剤は、静電分散剤、立体分散剤、イオン性分散剤、非イオン性分散剤、またはそれらの組み合わせである。界面活性剤は好ましくは、非イオン性、例えば、アルコールアルコキシレート、アルコールエトキシレートである。非水性インクは、有機溶媒（例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール）および粒子を含む。
【0062】
例えば、ＣＧＯ粉末が水と混合されて、分散剤が添加されかつ界面活性剤が添加されるがポリマバインダは添加されない、水性インクを形成する。質量に基づくＣＧＯ割合は、１０ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＣＧＯ粉末はエタノールと混合されて、ポリビニルブタリル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｂｕｔａｒｙｌ）が添加された非水性インクを形成する。質量に基づくＣＧＯ割合は、３ｗｔ％～３０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＬＳＣＦはｎ－ブタノールまたはエタノールと混合されて、ポリビニルブタリル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｂｕｔａｒｙｌ）が添加された非水性インクを形成する。質量に基づくＬＳＣＦ割合は、１０ｗｔ％～４０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＹＳＺ粒子は水と混合されて、分散剤が添加されかつ界面活性剤が添加されるがポリマバインダは添加されない、水性インクを形成する。質量に基づくＹＳＺ割合は、３ｗｔ％～４０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＮｉＯ粒子は水と混合されて、分散剤が添加されかつ界面活性剤が添加されるがポリマバインダは添加されない、水性インクを形成する。質量に基づくＮｉＯ割合は、５ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲にある。
【0063】
一例として、燃料電池のカソードについては、ＬＳＣＦまたはＬＳＭ粒子が溶媒に溶解され、溶媒は、水またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。一例として、ＬＳＣＦは、層へと堆積される（例えば、印刷される）。キセノンランプは、ＬＳＣＦ層をＥＭＲで照射して、ＬＳＣＦを焼結させる。ラッシュランプは、４００Ｖの電圧および１０Ｈｚの周波数で１０００ｍｓの総曝露期間の間適用される、１０ｋＷユニットである。
【0064】
例えば、電解質については、ＹＳＺ粒子が溶媒と混合され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。インターコネクトについては、金属の粒子（例えば、銀ナノ粒子）が溶媒に溶解され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）、有機溶媒（例えばモノ、ジ、またはトリエチレングリコールまたは高級エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４－ブタンジオールまたはそのようなグリコールのエーテル、チオジグリコール、グリセロールならびにそれらのエーテルおよびエステル、ポリグリセロール、モノ、ジ、およびトリエタノールアミン、プロパノールアミン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン、１，３－ジメチルイミダゾリドン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ－プロパノール、ジアセトンアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、炭酸プロピレン）、およびそれらの組み合わせを含み得る。燃料電池におけるバリア層については、ＣＧＯ粒子が溶媒に溶解され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。ＣＧＯはＬＳＣＦのためのバリア層として使用される。ＹＳＺもまた、ＬＳＭのためのバリア層として使用され得る。場合によっては、水が溶媒である水性インクについては、ポリマバインダは水性インクに添加されない。
【0065】
処理プロセス
本明細書では、次の効果の１つ以上を有する処理プロセスが開示され：加熱、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡、焼結が最も好ましいプロセスである。好ましくは、処理プロセスは、基材を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、第１の材料を有する基材を処理する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲のピーク波長を有する。使用されるＥＭＲの波長は、焼結される材料に依存する。曝露距離および薄片厚さもまた、異なる材料について所望の印刷および焼結結果を達成するように調整される。
本明細書では、次の効果の１つ以上を有する処理プロセスが開示され：加熱、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡、焼結が最も好ましいプロセスである。好ましくは、処理プロセスは、基材を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、第１の材料を有する基材を処理する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲のピーク波長を有する。使用されるＥＭＲの波長は、焼結される材料に依存する。曝露距離および薄片厚さもまた、異なる材料について所望の印刷および焼結結果を達成するように調整される。
【0066】
様々な実施形態では、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１０－４－１０００Ｈｚまたは１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚのバースト周波数を有する。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または１ｍｓ以上の曝露期間を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１００Ｖ以上のコンデンサ電圧で適用される。例えば、ＥＭＲの単一パルスは、約１０ｍｍの曝露距離および５－２０ｍｓの曝露期間で適用される。例えば、ＥＭＲの多重パルスは、１００Ｈｚのバースト周波数で、約１０ｍｍの曝露距離および５－２０ｍｓの曝露期間で適用される。一実施形態では、ＥＭＲは、１曝露で実施される。一実施形態では、ＥＭＲは、１０曝露以下、または１００曝露以下、または１０００曝露以下、または１０，０００曝露以下で実施される。
【0067】
様々な実施形態では、金属およびセラミックは、パルス光を使用してほとんど瞬時に（＜＜１０ミクロンではミリ秒）焼結される。焼結温度は、１００℃～２０００℃の範囲であるように制御される。焼結温度は、深さの関数として調整される。１つの場合では、表面温度は１０００℃であり、表面下は１００℃で維持され、表面下は表面の下方１００ミクロンである。一実施形態では、この処理プロセスに好適な材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム（Ｙｔｔｉｒｕｍ）、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたは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マンガナイト（ＬＳＭ）、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コバルタイト（ＬＳＣ）、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）、ニッケル、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、セリウム、銅、銀、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせが挙げられる。
【0068】
この処理プロセスは、燃料電池の製造プロセスにおいて適用可能である。一実施形態では、燃料電池の層（アノード、カソード、電解質、シール、触媒）が、この開示のプロセスを用いて処理されて加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、またはアニールされる。一実施形態では、燃料電池の層の一部（アノード、カソード、電解質、シール、触媒）が、この開示のプロセスを用いて処理されて加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、またはアニールされる。一実施形態では、燃料電池の層の組み合わせ（アノード、カソード、電解質、シール、触媒）が、この開示のプロセスを用いて処理されて加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、またはアニールされ、層は完全層または部分層であってよい。好ましくは、処理プロセスは、焼結であり、ＥＭＲにより達成される。
【0069】
この開示の処理プロセスは好ましくは迅速であり、処理期間がマイクロ秒～ミリ秒で変動する。処理期間は正確に制御される。この開示の処理プロセスは、亀裂がない、または最小の亀裂を有する燃料電池層を生成する。最小の亀裂により、存在するどの亀裂も、燃料電池の性能を低下させないことが意味される。この開示の処理プロセスは、処理される材料の処理体積において電力密度またはエネルギー密度を制御する。処理体積は正確に制御される。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、処理体積において同じエネルギー密度または異なるエネルギー密度を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、処理体積において同じ処理期間または異なる処理期間を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、１つ以上の処理体積に対する同時処理を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、１つ以上の燃料電池層または部分層または層の組み合わせに対する同時処理を提供する。一実施形態では、処理体積は、処理深さを変更することにより変化する。
【0070】
一実施形態では、処理体積の第１の部分は、第１の波長の電磁放射線により処理され；処理体積の第２の部分は、第２の波長の電磁放射線により処理される。場合によっては、第１の波長は、第２の波長と同じである。場合によっては、第１の波長は、第２の波長とは異なる。一実施形態では、処理体積の第１の部分は、処理体積の第２の部分とは異なるエネルギー密度を有する。一実施形態では、処理体積の第１の部分は、処理体積の第２の部分とは異なる処理期間を有する。
【0071】
一実施形態では、ＥＭＲは、所望の効果が、異なる吸収特性を有する幅広い材料について達成されるように、ブロードな発光スペクトルを有する。この開示では、電磁放射線（ＥＭＲ）の吸収は、光子のエネルギーが、原子の電子などの物質により取り込まれる、プロセスを指す。よって、電磁エネルギーは、吸収体の内部エネルギー、例えば、熱エネルギーに変換される。例えば、ＥＭＲスペクトルは深紫外（ＵＶ）範囲から近赤外（ＩＲ）範囲に広がり、ピークパルス電力は２２０ｎｍ波長にある。そのようなＥＭＲの電力は、メガワットのオーダーである。そのようなＥＭＲ源は、化学結合破壊、焼結、アブレーション（ａｂｌａｔｉｎｇ）または滅菌などのタスクを実行する。
【0072】
一実施形態では、ＥＭＲは、０．１、１、または１０ジュール／ｃｍ２以上のエネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１ワット（Ｗ）、１０Ｗ、１００Ｗ、１０００Ｗ以上の電力出力を有する。ＥＭＲは、基材に１Ｗ、１０Ｗ、１００Ｗ、１０００Ｗ以上の電力を送達する。一実施形態では、そのようなＥＭＲ曝露は、基材中の材料を加熱する。一実施形態では、ＥＭＲは、異なる波長の範囲またはスペクトルを有する。様々な実施形態では、処理される基材は、燃料電池のアノード、カソード、電解質、触媒、バリア層、またはインターコネクトの少なくとも一部である。
【0073】
一実施形態では、ＥＭＲのピーク波長は、５０～５５０ｎｍの間または１００～３００ｎｍの間である。一実施形態では、ＥＭＲの波長は、５０～５５０ｎｍの間または１００～３００ｎｍの間である。一実施形態では、１０～１５００ｎｍの間のＥＭＲの少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。一実施形態では、５０～５５０ｎｍの間の少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。一実施形態では、１００～３００ｎｍの間の少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。
【0074】
焼結は、それを液化点まで溶融させずに熱または圧力により、材料の固体塊を圧縮および成形するプロセスである。この開示では、ＥＭＲ曝露下の基材は、焼結されるが溶融されない。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波である。一実施形態では、基材は、１マイクロ秒以上、１ミリ秒以上の間ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、１度に１秒未満または１度に１０秒未満ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、１秒未満または１０秒未満の間ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は繰り返して、例えば、１回超、３回超、１０回超ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、ＥＭＲ源から、５０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、１ｃｍ未満、または１ｍｍ未満離される。
【0075】
一実施形態では、ＥＭＲ曝露後に、第２の材料が第１の材料に付加され、またはその上に配置される。様々な場合において、第２の材料は、第１の材料と同じである。一実施形態では、第２の材料は、ＥＭＲに曝露される。場合によっては、第３の材料が付加される。一実施形態では、第３の材料は、ＥＭＲに曝露される。
【0076】
一実施形態では、第１の材料は、ＹＳＺ、８ＹＳＺ、イットリウム（Ｙｔｔｉｒｕｍ）、ジルコニウム、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ＬＳＭ、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、ニッケル、ＮｉＯ、セリウムを含む。一実施形態では、第２の材料は、グラファイトを含む。一実施形態では、電解質、アノード、またはカソードは、第２の材料を含む。場合によっては、電解質、アノード、またはカソードにおける第２の材料の体積分率は、２０％、１０％、３％、または１％未満である。少なくとも１つの周波数（例えば、１０～１５００ｎｍの間または１００～３００ｎｍの間または５０～５５０ｎｍの間）に対する第２の材料の吸収速度は、３０％超または５０％超である。
【0077】
様々な実施形態では、パラメータの１つまたは組み合わせが制御され、そのようなパラメータとしては、ＥＭＲ源と基材の間の距離、ＥＭＲのエネルギー密度、ＥＭＲのスペクトル、ＥＭＲの電圧、曝露期間、バースト周波数、およびＥＭＲ曝露数が挙げられる。好ましくは、これらのパラメータは、基材における亀裂の形成を最小に抑えるように制御される。
【0078】
一実施形態では、ＥＭＲエネルギーは、１ｍｍ２以上、または１ｃｍ２以上、または１０ｃｍ２以上、または１００ｃｍ２以上の表面積に送達される。場合によっては、第１の材料のＥＭＲ曝露中に、隣接する材料の少なくとも一部は、第１の材料からの熱の伝導により少なくとも一部加熱される。様々な実施形態では、燃料電池の層（例えば、アノード、カソード、電解質）は、薄い。好ましくは、それらは３０ミクロン以下、１０ミクロン以下、または１ミクロン以下である。
【0079】
一実施形態では、基材の第１の材料は、粉末、ゾルゲル、コロイド懸濁液、ハイブリッド溶液、または焼結材料の形態である。様々な実施形態では、第２の材料は、蒸着により付加され得る。一実施形態では、第２の材料は、第１の材料をコートする。一実施形態では、第２の材料は、光、例えば集束光と、レーザーによるように、反応し、かつ第１の材料と共に焼結またはアニールする。
【0080】
利点
この開示の好ましい処理プロセスは、従来の、コストのかかる、時間のかかる、高価な焼結プロセスを排除すること、および所望であれば単一の機械における燃料電池の層の連続製造を可能にする迅速なその場法にそれらを置き換えることにより、燃料電池の迅速製造を可能にする。このプロセスはまた、焼結時間を時間および日から、秒またはミリ秒さらにはマイクロ秒へと短くする。
この開示の好ましい処理プロセスは、従来の、コストのかかる、時間のかかる、高価な焼結プロセスを排除すること、および所望であれば単一の機械における燃料電池の層の連続製造を可能にする迅速なその場法にそれらを置き換えることにより、燃料電池の迅速製造を可能にする。このプロセスはまた、焼結時間を時間および日から、秒またはミリ秒さらにはマイクロ秒へと短くする。
【0081】
様々な実施形態では、この処理方法は、スクリーン印刷、テープキャスティング、噴霧、スパッタリング、物理蒸着、および付加製造のような製造技術と組み合わせて使用される。
【0082】
この好ましい処理方法は、基材の層の厚さおよび隣接層への熱伝導を制御することと組み合わせてＥＭＲ特性（例えば、波長、エネルギー密度、バースト周波数、および曝露期間）を調整することにより、調整されおよび制御された加熱を可能にして、各所望の標的温度で各層を焼結、アニール、または硬化させることを可能にする。この好ましいプロセスは、より均一なエネルギー適用を可能にし、亀裂を減少させまたは排除し、これは電解質性能を改善する。この好ましいプロセスで処理された基材はまた、より均一な加熱のためより少ない熱応力を有する。
【0083】
統合した堆積および加熱
本明細書で開示される方法は、組成物を基材上に一片ずつ堆積させて物体を形成させること；電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して物体をその場で加熱することを含み；上記組成物は、第１の材料および第２の材料を含み、第２の材料は、第１の材料より高い放射線吸光度を有する。様々な実施形態では、加熱は、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡、またはそれらの組み合わせを含む効果を引き起こす。好ましい効果は、焼結である。一実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有し、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ピーク波長は、波長に対する相対放射照度に基づく。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。
本明細書で開示される方法は、組成物を基材上に一片ずつ堆積させて物体を形成させること；電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して物体をその場で加熱することを含み；上記組成物は、第１の材料および第２の材料を含み、第２の材料は、第１の材料より高い放射線吸光度を有する。様々な実施形態では、加熱は、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡、またはそれらの組み合わせを含む効果を引き起こす。好ましい効果は、焼結である。一実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲の波長を有し、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ピーク波長は、波長に対する相対放射照度に基づく。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。
【0084】
図６は、この開示の好ましい実施形態による、堆積ノズルおよびその場加熱のためのＥＭＲにより形成された基材上の物体を示す。
【0085】
一実施形態では、第１の材料は、ＹＳＺ、ＳＳＺ、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＬＳＭ－ＹＳＺ、ＣＧＯ－ＬＳＣＦ、ドープランタンクロマイト、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第２の材料は、炭素、酸化ニッケル、ニッケル、銀、銅、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＮｉＯ－ＳＳＺ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、ドープランタンクロマイトフェライト鋼、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、上記物体は、触媒、触媒担体、触媒複合物、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、電気化学ガス発生器、電解槽、電気化学コンプレッサ、反応器、熱交換器、容器、またはそれらの組み合わせを含む。
【0086】
好ましい実施形態では、第２の材料は、第１の材料と同じ薄片で堆積される。他の実施形態では、第２の材料は、第１の材料を含む別の薄片に隣接する薄片で堆積される。一実施形態では、上記加熱は、第２の材料の少なくとも一部を除去する。一実施形態では、上記除去は、第２の材料の部分の最小残留物を残す。好ましくは、この工程は、第２の材料の部分の最小残留物を残し、これはすなわち、プロセスのその後の工程または構成される装置の動作を妨害するであろう有意な残留物が存在しないということである。より好ましくは、これは、第２の材料の部分の測定可能な残留物を残さない。
【0087】
一実施形態では、第２の材料は、加熱中に、熱エネルギーを第１の材料に加える。一実施形態では、第２の材料は、第１の材料の少なくとも５倍である放射線吸光度を有し；好ましくは第２の材料は、第１の材料の少なくとも１０倍である放射線吸光度を有し；より好ましくは第２の材料は、第１の材料の少なくとも５０倍である放射線吸光度を有し；最も好ましくは第２の材料は、第１の材料の少なくとも１００倍である放射線吸光度を有する。
【0088】
一実施形態では、第２の材料は、２００ｎｍ以上、または２５０ｎｍ以上、または３００ｎｍ以上、または４００ｎｍ以上、または５００ｎｍ以上のピーク吸光度波長を有する。一実施形態では、第１の材料は、７００ｎｍ以下、または６００ｎｍ以下、または５００ｎｍ以下、または４００ｎｍ以下、または３００ｎｍ以下のピーク吸光度波長を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、２００ｎｍ以上、または２５０ｎｍ以上、または３００ｎｍ以上、または４００ｎｍ以上、または５００ｎｍ以上の波長を有する。一実施形態では、第２の材料は、炭素、酸化ニッケル、ニッケル、銀、銅、ＣＧＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、フェライト鋼、またはそれらの組み合わせを含む。場合によっては、フェライト鋼はＣｒｏｆｅｒ ２２ＡＰＵである。好ましくは、第２の材料は炭素であり、グラファイト、グラフェン、炭素ナノ粒子、ナノダイヤモンド、またはそれらの組み合わせの形態である。最も好ましくは、炭素はグラファイト粒子の形態である。
【0089】
一実施形態では、堆積は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせにより達成される。
【0090】
一実施形態では、堆積は、ＥＭＲから基材までの距離、ＥＭＲエネルギー密度、ＥＭＲスペクトル、ＥＭＲ電圧、ＥＭＲ曝露期間、ＥＭＲ曝露面積、ＥＭＲ曝露体積、ＥＭＲバースト周波数、ＥＭＲ曝露繰り返し数、またはそれらの組み合わせを制御することにより操作される。好ましくは、物体は、堆積と加熱の間で場所を変更しない。一実施形態では、ＥＭＲは、１Ｗ、または１０Ｗ、または１００Ｗ、または１０００Ｗ以上の電力出力を有する。
【0091】
本明細書で、少なくとも１つの堆積ノズル、電磁放射線（ＥＭＲ）源、および堆積レシーバを含むシステムも開示され、堆積レシーバは、同じ場所でＥＭＲ曝露および堆積を受けるように構成される。
【0092】
次の詳細な説明は、一例として固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成を取り上げる。当業者であれば認識するように、方法および製造プロセスは全ての燃料電池型に適用可能である。そのようなものとして、全ての燃料電池型の生成はこの開示の範囲内にある。
【0093】
燃料電池
燃料電池は、電気化学反応を介して、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する電気化学装置である。上記のように、多くの型の燃料電池、例えば、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が存在する。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、任意でバリア層および／または任意で触媒を含む。アノードおよびカソードのどちらも電極である。
燃料電池は、電気化学反応を介して、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する電気化学装置である。上記のように、多くの型の燃料電池、例えば、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が存在する。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、任意でバリア層および／または任意で触媒を含む。アノードおよびカソードのどちらも電極である。
【0094】
図１－５は、燃料電池または燃料電池スタックにおける構成要素の様々な実施形態を示す。これらの実施形態では、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。
【0095】
図１を参照して、１０１は概略的にアノードを表し；１０２はカソードを表し；ならびに１０３は電解質を表す。
【0096】
図２を参照して、２０１は概略的にアノードを表し；２０２はカソードを表し；２０３は電解質を表し；ならびに２０４はバリア層を表す。
【0097】
図３を参照して、３０１は概略的にアノードを表し；３０２はカソードを表し；３０３は電解質を表し；３０４はバリア層を表し；ならびに３０５は触媒を表す。
【0098】
図４を参照して、４０１は概略的にアノードを表し；４０２はカソードを表し；４０３は電解質を表し；４０４はバリア層を表し；４０５は触媒を表し；ならびに４０６はインターコネクトを表す。
【0099】
図５は、２つの燃料電池のスタックを示す。品目５０１は概略的にアノードを表し；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；ならびに５０６はインターコネクトを表す。２つの燃料電池繰り返し単位または２つの燃料電池は、図示されるスタックを形成する。見てわかるように、１つの側で、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単位）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底部燃料電池（または燃料電池繰り返し単位）の触媒（任意的な）またはアノードの最大表面と接触する。これらの繰り返し単位または燃料電池は、電気配線を介してではなくインターコネクトを用いた直接接触を介して互いの上に積み重ねられることおよびその間のインターコネクトを共有することにより、並列に接続される。この種の構造は、横縞型（ＳＩＳ）型燃料電池とは対照的である。
【0100】
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例示にすぎず、制限的ではない。アノード材料およびカソード材料の指定もまた、制限的ではなく、なぜなら動作中の材料の機能（例えば、それが酸化するか、または還元するか）が、材料がアノードとして使用されるか、またはカソードとして使用されるかを決定するからである。
【0101】
カソード
一実施形態では、カソードは、ペロブスカイト、例えばＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ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、カソードは多孔性である。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ＬａＣｏＯ３、ＬａＦｅＯ３、ＬａＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬＳＭ－ＧＤＣ、ＬＳＣＦ－ＧＤＣ、ＬＳＣ－ＧＤＣを含む。ＬＳＣＦを含むカソードが、中間温度燃料電池動作に好適である。
一実施形態では、カソードは、ペロブスカイト、例えばＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ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、カソードは多孔性である。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ＬａＣｏＯ３、ＬａＦｅＯ３、ＬａＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬＳＭ－ＧＤＣ、ＬＳＣＦ－ＧＤＣ、ＬＳＣ－ＧＤＣを含む。ＬＳＣＦを含むカソードが、中間温度燃料電池動作に好適である。
【0102】
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より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。
【0103】
アノード
一実施形態では、アノードは、銅、ニッケル－酸化物、ニッケル－酸化物－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（ＬＳＣＦ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝Ｃｏ｛１－ｙ｝Ｆｅ｛ｙ｝Ｏ３］またはＬＳＭ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝ＭｎＯ３］など、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させるために、ＳＤＣまたは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、多孔性である。一実施形態では、アノードは、電解質材料および電気化学的に活性な材料の組み合わせ、電解質材料および導電性材料の組み合わせを含む。
一実施形態では、アノードは、銅、ニッケル－酸化物、ニッケル－酸化物－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（ＬＳＣＦ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝Ｃｏ｛１－ｙ｝Ｆｅ｛ｙ｝Ｏ３］またはＬＳＭ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝ＭｎＯ３］など、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させるために、ＳＤＣまたは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、多孔性である。一実施形態では、アノードは、電解質材料および電気化学的に活性な材料の組み合わせ、電解質材料および導電性材料の組み合わせを含む。
【0104】
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り形成される。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り形成される。
【0105】
電解質
一実施形態では、燃料電池における電解質は、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。
一実施形態では、燃料電池における電解質は、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。
【0106】
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、著しいガス輸送を防止し、著しい電気伝導を防止し；ならびにイオン伝導性を可能にするために十分不透過性である。一実施形態では、電解質は、ドープ酸化物、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またはＬａＣｏＯ３またはＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２（ＧＤＣ）またはＣｅ０．９Ｓｍ０．１Ｏ２（ＳＤＣ、サマリアドープセリア）またはスカンジア安定化ジルコニアを含む。
【0107】
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（ｇａｌｌｉａ）からなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、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る。一実施形態では、材料は、イットリア安定化ジルコニアを含む。
【0108】
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、インターコネクト表面は、コバルトおよび／またはセシウムでコートされる。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から製造される。
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、インターコネクト表面は、コバルトおよび／またはセシウムでコートされる。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から製造される。
【0109】
触媒
様々な実施形態では、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（ｒｈｏｄｉｕ）、ＭｏＳ２、モリブデン、レニウム、バンジア（ｖａｎｄｉａ）、マンガン、マグネシウム、鉄を含む。様々な実施形態では、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、とりわけ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１％－５％の間の質量％、または０．１質量％～１０質量％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中で使用される。様々な実施形態では、そ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させる。様々な実施形態では、触媒の単純酸化物バージョン、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、メタン式燃料電池のために使用される。様々な実施形態では、触媒は、アノード上で浸漬される、またはコートされる。様々な実施形態では、触媒は、付加製造機（ＡＭＭ）により製造され、ＡＭＭを使用して燃料電池に組み入れられる。
様々な実施形態では、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（ｒｈｏｄｉｕ）、ＭｏＳ２、モリブデン、レニウム、バンジア（ｖａｎｄｉａ）、マンガン、マグネシウム、鉄を含む。様々な実施形態では、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、とりわけ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１％－５％の間の質量％、または０．１質量％～１０質量％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中で使用される。様々な実施形態では、そ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させる。様々な実施形態では、触媒の単純酸化物バージョン、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、メタン式燃料電池のために使用される。様々な実施形態では、触媒は、アノード上で浸漬される、またはコートされる。様々な実施形態では、触媒は、付加製造機（ＡＭＭ）により製造され、ＡＭＭを使用して燃料電池に組み入れられる。
【0110】
本明細書で記載される独特の製造方法は、超薄燃料電池および燃料電池スタックの製造を可能にした。従来、構造統合性を達成するために、燃料電池は、アノード（アノード支持型燃料電池）またはインターコネクト（インターコネクト支持型燃料電池）のような、１つの繰り返し単位あたり少なくとも１つの厚い層を有する。上記のように、加圧または圧縮工程が、従来の製造プロセスにおいて気密性および／または適正な電気接触を達成するように燃料電池構成要素を組立てるために必要とされる。そのようなものとして、厚い層が必要とされ、なぜなら、従来の方法（テープキャスティングような）は超薄層を形成できないからだけではなく、層は、加圧または圧縮工程に耐えるために厚くなければならないからである。この開示の製造方法は、加圧または圧縮の必要性を排除した。この開示の製造方法はまた、超薄層の製造を可能にした。燃料電池または燃料電池スタックにおける層の多重度は、それらがこの開示に従い製造される場合、適正な動作のために十分な構造統合性を提供する。
【0111】
本明細書で、１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロン以下または２５ミクロン以下の厚さのアノード、１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロン以下または２５ミクロン以下の厚さのカソード、および１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロンまたは３０ミクロン以下の厚さ電解質を含む燃料電池が開示される。一実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以上の厚さを有するインターコネクトを含む。場合によっては、燃料電池は、２５ミクロン以下の厚さのアノード、２５ミクロン以下の厚さのカソード、および１０ミクロンまたは５ミクロン以下の厚さの電解質を含む。一実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以上の厚さを有するインターコネクトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、５０ミクロン～５ｃｍの厚さを有する。
【0112】
好ましい実施形態では、燃料電池は、１００ミクロン以下の厚さのアノード、１００ミクロン以下の厚さのカソード、２０ミクロン以下の厚さの電解質、および３０ミクロン以下の厚さのインターコネクトを含む。より好ましい実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以下の厚さのアノード、５０ミクロン以下の厚さのカソード、１０ミクロン以下の厚さの電解質、および２５ミクロン以下の厚さのインターコネクトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、１ミクロン～２０ミクロンの範囲の厚さを有する。
【0113】
好ましい実施形態では、燃料電池は、アノードと電解質の間のバリア層、またはカソードと電解質の間のバリア層、または両方のバリア層を含む。場合によっては、バリア層はインターコネクトである。そのような場合、反応物は、アノードおよびカソードに直接噴射される。
【0114】
好ましい実施形態では、カソードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、アノードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、電解質は、５ミクロン以下、または２ミクロン以下、または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。一実施形態では、インターコネクトは、金属、ステンレス鋼、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から製造される。一実施形態では、燃料電池は、１ミクロン以上の全厚を有する。
【0115】
本明細書で、多重燃料電池を含む燃料電池スタックもまた記載され、各燃料電池は、２５ミクロン以下の厚さのアノード、２５ミクロン以下の厚さのカソード、１０ミクロン以下の厚さの電解質、および１００ｎｍ～１００ミクロンの厚さを有するインターコネクトを含む。一実施形態では、各燃料電池は、アノードと電解質の間のバリア層、またはカソードと電解質の間のバリア層、または両方のバリア層を含む。一実施形態では、バリア層はインターコネクトである。例えば、インターコネクトは銀で製造される。例えば、インターコネクトは、５００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有する。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から製造される。
【0116】
一実施形態では、カソードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、アノードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、電解質は、５ミクロン以下、または２ミクロン以下、または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。一実施形態では、各燃料電池は、１ミクロン以上の全厚を有する。
【0117】
本明細書で、下記を含む燃料電池を製造する方法がさらに記載される：（ａ）２５ミクロン以下の厚さのアノードを形成すること、（ｂ）２５ミクロン以下の厚さのカソードを形成すること、および（ｃ）１０ミクロン以下の厚さの電解質を形成すること。一実施形態では、工程（ａ）－（ｃ）は、付加製造を使用して実施される。様々な実施形態では、上記付加製造は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層を使用する。
【0118】
一実施形態では、方法は、付加製造を使用してアノード、カソード、および電解質を組立てることを含む。一実施形態では、方法は、インターコネクトを形成すること、およびインターコネクトをアノード、カソード、および電解質と共に組立てることを含む。
【0119】
一実施形態では、方法は、少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、インターコネクトである。
【0120】
一実施形態では、方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように、燃料電池を加熱することを含む。一実施形態では、そのような加熱は、３０分以下、好ましくは３０秒以下、最も好ましくは３０ミリ秒以下の間起こる。この開示で、加熱中の収縮速度を釣り合わせることは、下で詳細に記載される（ＳＲＴの釣り合い）。燃料電池が第１の組成物および第２の組成物を含む場合、第１の組成物は、第１の収縮速度を有し、第２の組成物は、第２の収縮速度を有し、この開示で記載される加熱は好ましくは、第１の収縮速度と第２の収縮速度の間の差が第１の収縮速度の７５％以下であるように起こる。
【0121】
好ましい実施形態では、加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。好ましくは、加熱は、その場で、すなわち、層が堆積されるのと同じ機械において、およびその機械における同じ場所において実施される。
【0122】
本明細書で、多重燃料電池を含む燃料電池スタックを製造する方法もまた開示され、方法は、（ａ）各燃料電池において２５ミクロン以下の厚さのアノードを形成すること、（ｂ）各燃料電池において２５ミクロン以下の厚さのカソードを形成すること、（ｃ）各燃料電池において１０ミクロン以下の厚さの電解質を形成すること、ならびに（ｄ）各燃料電池において１００ｎｍ～１００ミクロンの厚さを有するインターコネクトを生成すること、を含む。
【0123】
一実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は、付加製造を使用して実施される。様々な実施形態では、上記付加製造は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、および／または積層を使用する。
【0124】
一実施形態では、方法は、付加製造を使用してアノード、カソード、電解質、およびインターコネクトを組立てることを含む。一実施形態では、方法は、各燃料電池において少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、インターコネクトである。
【0125】
一実施形態では、方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように各燃料電池を加熱することを含む。一実施形態では、そのような加熱は３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。一実施形態では、上記加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）を含む。様々な実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。一実施形態では、加熱は、その場で実施される。
【0126】
一実施形態では、方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように燃料電池スタック全体を加熱することを含む。一実施形態では、そのような加熱は、３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。
【0127】
本明細書で、（ａ）コロイド懸濁液を配合することであって、コロイド懸濁液が、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、配合すること；（ｂ）コロイド懸濁液を含む電解質を形成すること；ならびに（ｃ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む電解質を製造する方法が記載され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは好ましくは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することにより最適化される。
【0128】
本明細書で、（ａ）カソードおよびアノードを獲得すること；（ｂ）カソード表面およびアノード表面を修飾すること；（ｃ）コロイド懸濁液を配合することであって、コロイド懸濁液は、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、配合すること；（ｄ）修飾アノード表面と修飾カソード表面の間でコロイド懸濁液を含む電解質を形成すること；ならびに（ｅ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む燃料電池を製造する方法が記載され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。様々な実施形態では、アノードおよびカソードは、任意の好適な手段を介して獲得される。一実施形態では、修飾アノード表面および修飾カソード表面は、コロイド懸濁液中の粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。最大高さプロファイル粗さは、図９に示されるように、任意のトラフと隣接するピークの間の最大距離を指す。様々な実施形態では、アノード表面およびカソード表面は、任意の好適な手段を介して修飾される。
【0129】
本明細書で、（ａ）カソードおよびアノードを獲得すること；（ｂ）コロイド懸濁液を配合することであって、コロイド懸濁液は、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、こと；（ｃ）コロイド懸濁液を含む電解質をアノードとカソードの間で形成すること；ならびに（ｄ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む燃料電池を製造する方法がさらに開示され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。様々な実施形態では、アノードおよびカソードは、任意の好適な手段を介して獲得される。一実施形態では、電解質と接触するアノード表面および電解質と接触するカソード表面は、コロイド懸濁液中の粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。
【0130】
一実施形態では、溶媒は、水を含む。一実施形態では、溶媒は、有機成分を含む。一実施形態では、溶媒は、エタノール、ブタノール、アルコール、テルピネオール、ジエチルエーテル１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ（エチレングリコールジメチルエーテル）、１－プロパノール（ｎ－プロパノール、ｎ－プロピルアルコール）、またはブチルアルコールを含む。一実施形態では、溶媒表面張力は、空気中での水の表面張力の半分未満である。一実施形態では、溶媒表面張力は、大気条件で３０ｍＮ／ｍ未満である。
【0131】
一実施形態では、電解質は、第１の基材に隣接して形成される。一実施形態では、電解質は、第１の基材と第２の基材の間に形成される。一実施形態では、第１の基材は、粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。一実施形態では、粒子は、４０％超、または５０％超、または６０％超の充填密度を有する。一実施形態では、粒子は、ランダム最密充填（ＲＣＰ）密度に近い充填密度を有する。
【0132】
ランダム最密充填（ＲＣＰ）は、それらがランダムに充填された時に得られる固体物体の最大体積分率を特徴づけるために使用される経験的パラメータである。容器はランダムに物体で満たされ、次いで容器は、物体がそれ以上詰まらなくなるまで振盪され、または軽くたたかれ、この時点で充填状態はＲＣＰである。充填率は、ある体積空間における粒子数により取られる体積である。充填率は、充填密度を決定する。例えば、固体容器が粒子で満たされる場合、容器を振盪することは、物体により占められる体積を低減し、よって、より多くの粒子が容器に添加されることを可能にする。振盪は、充填される物体の密度を増加させる。振盪がもはや充填密度を増加させないと、限界に達し、規則的な結晶格子への明らかな充填なしにこの限界に到達する場合、これは経験的ランダム最密充填密度である。
【0133】
一実施形態では、中央粒径は好ましくは、５０ｎｍ～１０００ｎｍ、または１００ｎｍ～５００ｎｍ、またはおよそ２００ｎｍである。一実施形態では、第１の基材は、ある中央粒径を有する粒子を含み、電解質の中央粒径は第１の基材の中央粒径の１０倍以下、かつ、１／１０以上である。一実施形態では、第１の基材は、二峰性である、すなわち第１のモードおよび第２のモードを有し、それぞれがある中央粒径を有する、粒子サイズ分布を含む。一実施形態では、第１の基材の第１のモードにおける中央粒径は、第２のモードのそれの２倍超、または５倍超、または１０倍超である。一実施形態では、第１の基材の粒子サイズ分布は、加熱中の第１の基材の挙動を変化させるように調整される。一実施形態では、第１の基材は、加熱温度の関数である収縮を有する。一実施形態では、コロイド懸濁液中の粒子は、最大粒径および最小粒径を有し、最大粒径は、最小粒径の２倍未満、または３倍未満、または５倍未満、または１０倍未満である。一実施形態では、電解質の最小寸法は、１０ミクロン未満、または２ミクロン未満、または１ミクロン未満、または５００ｎｍ未満である。
【0134】
一実施形態では、電解質は、１ミリダルシー以下、好ましくは１００マイクロダルシー以下、最も好ましくは１マイクロダルシー以下のガス透過性を有する。好ましくは、電解質は、電解質の最小寸法を貫通する亀裂を有しない。一実施形態では、溶媒の沸点は、２００℃以上、または１００℃以上、または７５℃以上である。一実施形態では、溶媒の沸点は、１２５℃以下、または１００℃以下、または８５℃以下、７０℃以下である。一実施形態では、コロイド懸濁液のｐＨは、７以上、または９以上、または１０以上である。
【0135】
一実施形態では、添加物は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、エチルセルロース、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、フタル酸ブチルベンジル（ＢＢＰ）、ポリアルカリングリコール（ｐｏｌｙａｌｋａｌｙｎｅ ｇｌｙｃｏｌ）（ＰＡＧ）を含む。一実施形態では、添加物濃度は、１００ｍｇ／ｃｍ３以下、または５０ｍｇ／ｃｍ３以下、または３０ｍｇ／ｃｍ３以下、または２５ｍｇ／ｃｍ３以下である。
【0136】
一実施形態では、コロイド懸濁液は、ミリングされる。一実施形態では、コロイド懸濁液は、回転ミルを使用してミリングされる。一実施形態では、回転ミルは、２０ｒｐｍ以上、または５０ｒｐｍ以上、または１００ｒｐｍ以上、または１５０ｒｐｍ以上で動作される。一実施形態では、コロイド懸濁液は、ジルコニアミリングボールまたは炭化タングステンボールを使用してミリングされる。一実施形態では、コロイド懸濁液は、２時間以上、または４時間以上、または１日以上、または１０日以上ミリングされる。
【0137】
一実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、３０ｗｔ％以下、または２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下である。一実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、２ｗｔ％以上である。一実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、１０ｖｏｌ％以下、または５ｖｏｌ％以下、または３ｖｏｌ％以下、または１ｖｏｌ％以下である。一実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、０．１ｖｏｌ％以上である。
【0138】
一実施形態では、電解質は、付加製造機（ＡＭＭ）を使用して形成される。一実施形態では、第１の基材は、ＡＭＭを使用して形成される。一実施形態では、上記加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）の使用を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザーを含む。一実施形態では、第１の基材および電解質は、加熱されて共焼結を引き起こす。一実施形態では、第１の基材、第２の基材、および電解質は、加熱されて共焼結を引き起こす。一実施形態では、ＥＭＲは、第１の基材を電解質よりも優先的に焼結させるように制御される。
【0139】
一実施形態では、電解質は、加熱後その厚さ全体にわたって圧縮状態にある。一実施形態では、第１の基材および第２の基材は、加熱後に圧縮応力を電解質に適用する。一実施形態では、第１の基材および第２の基材は、燃料電池のアノードおよびカソードである。一実施形態では、電解質の最小寸法は、５００ｎｍ～５ミクロンである。一実施形態では、電解質の最小寸法は、１ミクロン～２ミクロンである。
【0140】
詳細な説明は一般には、一例として固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成に関する。当業者であれば認識するように、方法および製造プロセスは、全ての燃料電池型に適用可能である。そのようなものとして、全ての燃料電池型の生成は、この開示の範囲内である。
【0141】
燃料電池カートリッジ
様々な実施形態では、燃料電池スタックは、容易に取り外し可能なフランジ付燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）設計などの、カートリッジ形態に製造されるように構成される。図１１Ａを参照して、１１１１はボルト用の穴を表し；１１１２はＦＣＣにおけるカソードを表し；１１１３はＦＣＣにおける電解質を表し；１１１４はＦＣＣにおけるアノードを表し；１１１５は電極（アノードおよびカソード）におけるガスチャネルを表し；１１１６はＦＣＣにおける統合多流体熱交換器を表す。一実施形態では、カソードと電解質の間にバリア層は存在しない。図１１Ｃを参照して、１１３０はＦＣＣにおけるボルト用の穴を表し；１１３１は吸気口を表し；１１３２は排気口を表し；１１３３は燃料入口を表し；１１３４は燃料出口を表し；１１３５はＦＣＣの底面を表し；１１３６はＦＣＣの上面を表す。図１１Ｃは、ＦＣＣの一実施形態の上面図および底面図を示し、図において、ＦＣＣの酸化剤側の長さはＬｏで示され、ＦＣＣの燃料側の長さはＬｆで示され、酸化剤（空気）入口の幅はＷｏで示され、燃料入口の幅はＷｆで示される。図１１Ｃでは、２つの流体出口（排気口１１３２および燃料出口１１３４）が示される。場合によっては、アノード排気およびカソード排気は、混合され、１つの流体出口を通して取り出される。
様々な実施形態では、燃料電池スタックは、容易に取り外し可能なフランジ付燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）設計などの、カートリッジ形態に製造されるように構成される。図１１Ａを参照して、１１１１はボルト用の穴を表し；１１１２はＦＣＣにおけるカソードを表し；１１１３はＦＣＣにおける電解質を表し；１１１４はＦＣＣにおけるアノードを表し；１１１５は電極（アノードおよびカソード）におけるガスチャネルを表し；１１１６はＦＣＣにおける統合多流体熱交換器を表す。一実施形態では、カソードと電解質の間にバリア層は存在しない。図１１Ｃを参照して、１１３０はＦＣＣにおけるボルト用の穴を表し；１１３１は吸気口を表し；１１３２は排気口を表し；１１３３は燃料入口を表し；１１３４は燃料出口を表し；１１３５はＦＣＣの底面を表し；１１３６はＦＣＣの上面を表す。図１１Ｃは、ＦＣＣの一実施形態の上面図および底面図を示し、図において、ＦＣＣの酸化剤側の長さはＬｏで示され、ＦＣＣの燃料側の長さはＬｆで示され、酸化剤（空気）入口の幅はＷｏで示され、燃料入口の幅はＷｆで示される。図１１Ｃでは、２つの流体出口（排気口１１３２および燃料出口１１３４）が示される。場合によっては、アノード排気およびカソード排気は、混合され、１つの流体出口を通して取り出される。
【0142】
図１１Ｂを参照して、１１２１はボルト電気絶縁を表し；１１２５はアノードを表し；１１２３はアノードを気流から遮断するシールを表し；１１２６はカソードを表し；１１２４はカソードを燃料流から遮断するシールを表す。図１１Ｂは、ＦＣＣの断面図を示し、気流はアノードから遮断され、燃料流はカソードから遮断される。ボルトは、シールにより同様に電気的に絶縁される。様々な実施形態では、シールは、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）または３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）の混合物を含む二重機能シール（ＤＦＳ）である。実施形態では、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ、電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１０／９０～９０／１０の範囲にある。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０または０／１００である。
【0143】
本明細書で、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、ＦＣＣの燃料側の燃料入口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含む燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）が開示され、燃料入口はＷｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側はＬｆの長さを有し、酸化剤入口はＷｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側はＬｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にある。
【0144】
一実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、上記ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、上記表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。
【0145】
一実施形態では、ＦＣＣは、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方にバリア層を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である、二重機能シールを含む。一実施形態では、上記二重機能シールは、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）または３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）の混合物を含む。
【0146】
一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0147】
一実施形態では、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定され、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、ＦＣＣは、上記あわせ面にボルトで固定される、または加圧される。一実施形態では、上記あわせ面は、整合燃料入口、整合酸化剤入口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
【0148】
本明細書で、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、燃料入口、酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含む燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）もまた記載され、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、上記ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、上記表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。
【0149】
一実施形態では、ＦＣＣは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である、二重機能シールを含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0150】
一実施形態では、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定され、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、ＦＣＣは、上記あわせ面にボルトで固定される、または加圧される。一実施形態では、上記あわせ面は、整合燃料入口、整合酸化剤入口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
【0151】
本明細書で、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）およびあわせ面を含む組立て品がさらに開示され、ＦＣＣは、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、ＦＣＣの燃料側の燃料入口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含み、燃料入口は、Ｗｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入口は、Ｗｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定される。
【0152】
一実施形態では、ＦＣＣは、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、ＦＣＣは、上記あわせ面にボルトで固定される、または加圧される。一実施形態では、上記あわせ面は、整合燃料入口、整合酸化剤入口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
【0153】
一実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、上記ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、上記表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。
【0154】
一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0155】
本明細書で、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）およびあわせ面を一緒に加圧またはボルト固定することを含む方法が記載され、上記方法は、ＦＣＣおよびあわせ面を一緒に溶接またははんだ付けすることを排除し、ＦＣＣは、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、ＦＣＣの燃料側の燃料入口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含み、燃料入口は、Ｗｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入口は、Ｗｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、ＦＣＣおよびあわせ面は、取り外し可能である。
【0156】
一実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、上記ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、上記表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0157】
本明細書では、燃料電池および燃料電池ケーシングを含む燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）が開示され、燃料電池は、アノード、カソード、および電解質を含み、燃料電池ケーシングの少なくとも一部は、電解質と同じ材料で製造される。一実施形態では、電解質は、同じ材料で製造された燃料電池ケーシングの部分と接触する。一実施形態では、電解質および燃料電池ケーシングの部分は、二重機能シール（ＤＦＳ）で製造され、ＤＦＳは、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含み、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。
【0158】
一実施形態では、上記燃料電池ケーシングは、アノードのための燃料入口および燃料通路、カソードのための酸化剤入口および酸化剤通路、および少なくとも１つの流体出口を含む。一実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、上記ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、燃料電池ケーシングは、アノードの少なくとも一部と接触する。
【0159】
一実施形態では、ＦＣＣは、電解質とカソードの間および燃料電池ケーシングとカソードの間にバリア層を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0160】
一実施形態では、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定され、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、上記あわせ面は、整合燃料入口、整合酸化剤入口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
【0161】
本明細書で、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含む二重機能シール（ＤＦＳ）もまた記載され、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。一実施形態では、ＤＦＳは、燃料電池における電解質として、または燃料電池ケーシングの一部として、または両方として使用される。
【0162】
本明細書で、燃料電池システムにおいて二重機能シール（ＤＦＳ）を提供することを含む方法がさらに開示され、ＤＦＳは、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含み、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。
【0163】
一実施形態では、ＤＦＳは、燃料電池システムにおいて電解質または燃料電池ケーシングの一部または両方として使用される。一実施形態では、燃料電池ケーシングの上記一部は、燃料電池ケーシング全体である。一実施形態では、燃料電池ケーシングの上記一部は、燃料電池ケーシング上のコーティングである。一実施形態では、電解質および燃料電池ケーシングの上記一部は、接触している。
【0164】
本明細書で、６つの表面を有するアノード、６つの表面を有するカソード、電解質、およびアノードの少なくとも３つの表面と接触するアノード囲いを含む燃料電池システムが開示され、電解質は、アノード囲いの一部であり、上記アノード囲いは、電解質と同じ材料で製造される。一実施形態では、上記同じ材料は、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含む二重機能シール（ＤＦＳ）であり、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。
【0165】
一実施形態では、アノード囲いは、アノードの５つの表面と接触する。一実施形態では、燃料電池システムは、カソードとカソード囲いの間にバリア層を含み、バリア層は、カソードの少なくとも３つの表面と接触し、電解質は、カソード囲いの一部であり、上記カソード囲いは、電解質と同じ材料で製造される。
【0166】
一実施形態では、燃料電池システムは、アノード囲いおよびカソード囲いにおいて、燃料通路および酸化剤通路を含む。一実施形態では、燃料電池システムは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、燃料電池システムは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
【0167】
ＳＲＴの釣り合い
この開示で、ＳＲＴは、歪み速度テンソルの構成要素を示す。ＳＲＴを釣り合わせることが、加熱および冷却プロセスの両方において企図される。燃料電池では、複数の材料または組成物が存在する。これらの異なる材料または組成物はしばしば、異なる熱膨張係数を有する。そのようなものとして、加熱または冷却プロセスはしばしば、材料において歪みまたはさらに亀裂を引き起こす。我々は予想外に、異なる材料／組成物のＳＲＴを釣り合わせて望ましくない効果を低減させる、最小に抑える、または実に排除する、処理プロセス（加熱または冷却）を発見した。
この開示で、ＳＲＴは、歪み速度テンソルの構成要素を示す。ＳＲＴを釣り合わせることが、加熱および冷却プロセスの両方において企図される。燃料電池では、複数の材料または組成物が存在する。これらの異なる材料または組成物はしばしば、異なる熱膨張係数を有する。そのようなものとして、加熱または冷却プロセスはしばしば、材料において歪みまたはさらに亀裂を引き起こす。我々は予想外に、異なる材料／組成物のＳＲＴを釣り合わせて望ましくない効果を低減させる、最小に抑える、または実に排除する、処理プロセス（加熱または冷却）を発見した。
【0168】
本明細書で燃料電池を製造する方法が記載され、燃料電池は、第１の組成物および第２の組成物を含み、方法は、第１および第２の組成物を加熱することを含み、第１の組成物は、第１のＳＲＴを有し、かつ第２の組成物は、第２のＳＲＴを有し、第１のＳＲＴと第２のＳＲＴの間の差が第１のＳＲＴの７５％以下であるようにされる。実例として、図７は、温度の関数としての、第１の組成物および第２の組成物のＳＲＴを示す。
【0169】
一実施形態では、ＳＲＴはｍｍ／分で測定される。一実施形態では、第１のＳＲＴと第２のＳＲＴの間の差は、第１のＳＲＴの５０％または３０％または２０％以下である。一実施形態では、加熱は、下記の少なくとも１つにより達成される：伝導、対流、放射線。一実施形態では、加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。
【0170】
一実施形態では、第１の組成物および第２の組成物は、同時に加熱される。一実施形態では、第１の組成物および第２の組成物は、異なる時間に加熱される。一実施形態では、第１の組成物は第１の期間加熱され、第２の組成物は第２の期間加熱され、第１の期間の少なくとも一部は、第２の期間と重なる。
【0171】
一実施形態では、加熱は、第１の組成物、または第２の組成物、または両方について複数回起こる。一実施形態では、第１の組成物および第２の組成物は、異なる温度で加熱される。一実施形態では、第１の組成物および第２の組成物は、異なる手段を使用して加熱される。一実施形態では、第１の組成物および第２の組成物は、異なる期間加熱される。一実施形態では、第１の組成物の加熱は、例えば、伝導により、第２の組成物の少なくとも部分的な加熱を引き起こす。一実施形態では、加熱は、第１の組成物、または第２の組成物、または両方の高密度化を引き起こす。
【0172】
一実施形態では、第１の組成物は、修正された第１のＳＲＴをもたらす部分的な高密度化を達成するように加熱され；次いで第１および第２の組成物は、修正された第１のＳＲＴと第２のＳＲＴの間の差が第１の修正されたＳＲＴの７５％以下であるように、加熱される。一実施形態では、第１の組成物は、修正された第１のＳＲＴをもたらす部分的な高密度化を達成するように加熱され、第２の組成物は、修正された第２のＳＲＴをもたらす部分的な高密度化を達成するように加熱され；次いで第１および第２の組成物は、修正された第１のＳＲＴと第２の修正されたＳＲＴの間の差が第１の修正されたＳＲＴの７５％以下であるように、加熱される。
【0173】
一実施形態では、燃料電池は、第３のＳＲＴを有する第３の組成物を含む。一実施形態では、第３の組成物は、第１のＳＲＴと第３のＳＲＴの間の差が第１のＳＲＴの７５％以下であるように加熱される。一実施形態では、第３の組成物は、修正された第３のＳＲＴをもたらす部分的な高密度化を達成するように加熱され、；次いで第１および第２および第３の組成物は、第１のＳＲＴと修正された第３のＳＲＴの間の差が第１のＳＲＴの７５％以下であるように、加熱される。一実施形態では、第１および第２および第３の組成物は、修正された第１のＳＲＴ、修正された第２のＳＲＴ、および修正された第３のＳＲＴをもたらす部分的な高密度化を達成するように加熱され；次いで第１および第２および第３の組成物は、修正された第１のＳＲＴと修正された第２のＳＲＴの間の差が修正された第１のＳＲＴの７５％以下である、かつ、修正された第１のＳＲＴと修正された第３のＳＲＴの間の差が修正された第１のＳＲＴの７５％以下であるように、加熱される。
【0174】
様々な実施形態では、方法は、燃料電池において亀裂のない電解質を生成する。様々な実施形態では、加熱は、その場で実施される。様々な実施形態では、加熱は、焼結または共焼結または両方を引き起こす。様々な実施形態では、加熱は、３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。
【0175】
図８を参照して、一実施形態では、燃料電池の少なくとも一部を形成し加熱するためのプロセスフロー図が示される。８１０は組成物１を形成することを表す。８２０は組成物１を温度Ｔ１で時間ｔ１の間加熱することを表す。８３０は組成物２を形成することを表す。８４０は組成物１および組成物２を同時に温度Ｔ２で時間ｔ２の間加熱することを表し、Ｔ２で、組成物１のＳＲＴと組成物２のＳＲＴの間の差は、組成物１のＳＲＴの７５％以下である。あるいは、８４０は組成物１および組成物２を同時に温度Ｔ２およびＴ２’で（例えば、異なる加熱メカニズムを使用して）時間ｔ２の間加熱することを表し、Ｔ２およびＴ２’で、組成物１のＳＲＴと組成物２のＳＲＴの間の差は、組成物１のＳＲＴの７５％以下である。
【0176】
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。そのようなものとして、下で提供される情報はいずれも発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
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。そのようなものとして、下で提供される情報はいずれも発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
【0177】
実施例１．燃料電池スタックの製造
実施例１は、燃料電池スタックを製造する好ましい方法を説明する。方法は、Ｃｅｒａｄｒｏｐ製のＡＭＭモデルｎｏ．００１２３２３および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が置かれて、印刷を開始する。
実施例１は、燃料電池スタックを製造する好ましい方法を説明する。方法は、Ｃｅｒａｄｒｏｐ製のＡＭＭモデルｎｏ．００１２３２３および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が置かれて、印刷を開始する。
【0178】
第１の工程として、アノード層がＡＭＭにより製造される。この層は、下記表で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、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このアノード層は、１秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに当てることにより焼結される。
【0179】
電解質層が、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、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。この電解質層は、６０秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに当てることにより焼結される。
【0180】
次に、カソード層が、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面に形成される。この層は、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このカソード層は、１／２秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに当てることにより焼結される。
【0181】
インターコネクト層が、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面に形成される。この層は、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このインターコネクト層は、３０秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに当てることにより焼結される。
【0182】
これらの工程は次いで、６０回繰り返され、アノード層がインターコネクトの上面に形成される。結果は、６１個の燃料電池を有する燃料電池スタックである。
【表1】
【0183】
実施例２．エタノール中のＬＳＣＦ
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＬＳＣＦ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＬＳＣＦ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＬＳＣＦ層を照射する。
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＬＳＣＦ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＬＳＣＦ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＬＳＣＦ層を照射する。
【0184】
実施例３．エタノール中のＣＧＯ
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
【0185】
実施例４．水中のＣＧＯ
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
【0186】
実施例５．水中のＮｉＯ
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＮｉＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＮｉＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１５，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＮｉＯ層を照射する。
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＮｉＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＮｉＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１５，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＮｉＯ層を照射する。
【0187】
実施例６．焼結結果
図１０を参照して、電解質１００１（ＹＳＺ）は、電極１００２上で印刷され、焼結される（ＮｉＯ－ＹＳＺ）。走査電子顕微鏡画像は、焼結構造の側面図を示し、これは、電解質と電極の間の気密接触、電解質の完全高密度化、および焼結された多孔性電極微細構造を示す。
図１０を参照して、電解質１００１（ＹＳＺ）は、電極１００２上で印刷され、焼結される（ＮｉＯ－ＹＳＺ）。走査電子顕微鏡画像は、焼結構造の側面図を示し、これは、電解質と電極の間の気密接触、電解質の完全高密度化、および焼結された多孔性電極微細構造を示す。
【0188】
実施例７．燃料電池スタック構造
４８ボルト燃料電池スタックは、約１０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約４ｃｍ×４ｃｍの長さ×幅および約７ｃｍの高さの寸法を有する。４８ボルト燃料電池スタックは、約５０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約８．５ｃｍ×８．５ｃｍの長さ×幅および約．７ｃｍの高さの寸法を有する。
４８ボルト燃料電池スタックは、約１０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約４ｃｍ×４ｃｍの長さ×幅および約７ｃｍの高さの寸法を有する。４８ボルト燃料電池スタックは、約５０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約８．５ｃｍ×８．５ｃｍの長さ×幅および約．７ｃｍの高さの寸法を有する。
【0189】
この開示は発明の異なる特徴、構造、または機能を実行するための例示的な実施形態を記載することが理解されるべきである。構成要素、配列、および構造の例示的な実施形態が本開示を簡略化するために記載される；しかしながら、これらの例示的な実施形態は、単に例として提供され、本発明の範囲を制限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、他に特に規定がなければ、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。
【0190】
加えて、ある一定の用語が、説明および特許請求の範囲を通して、特定の構成要素または工程を示すために使用される。当業者が認識するように、様々な実体が異なる名称により同じ構成要素またはプロセス工程を示すことができ、そのようなものとして、本明細書で記載される要素のための命名規則は本発明の範囲を制限することを意図しない。さらに、本明細書で使用される用語および命名規則は、名称が異なっているが、機能は異なっていない構成要素、特徴、および／または工程間で区別することを意図しない。
【0191】
本開示は様々な改変および代替形態を受けやすいが、その特定の実施形態が、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制限することを意図せず、それどころか、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することが理解されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【国際調査報告】