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▶ ユニバーシティ オブ メリーランド， カレッジ パークの特許一覧
(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】2025-01-22
(54)【発明の名称】多孔質層を有する固体酸化物電池およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01M 4/86 20060101AFI20250115BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20250115BHJP
H01M 8/126 20160101ALI20250115BHJP
H01M 8/1253 20160101ALI20250115BHJP
H01M 8/1246 20160101ALI20250115BHJP
H01M 4/88 20060101ALI20250115BHJP
H01M 4/90 20060101ALI20250115BHJP
【ＦＩ】
H01M4/86 U
H01M8/12 101
H01M8/126
H01M8/1253
H01M8/1246
H01M4/88 T
H01M4/90 X
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024538320
(86)(22)【出願日】2022-12-22
(85)【翻訳文提出日】2024-08-09
(86)【国際出願番号】 US2022053810
(87)【国際公開番号】W WO2023122274
(87)【国際公開日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】63/265,920
(32)【優先日】2021-12-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/265,921
(32)【優先日】2021-12-22
(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】520159592
【氏名又は名称】ユニバーシティ オブ メリーランド， カレッジ パーク
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ワックスマン，エリック
(72)【発明者】
【氏名】ロビンソン，イアン
(72)【発明者】
【氏名】ホリック，サム
(72)【発明者】
【氏名】フアン，イーリン
【テーマコード（参考）】
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H018AA06
5H018AS02
5H018AS03
5H018BB01
5H018BB03
5H018BB08
5H018BB12
5H018EE12
5H018HH03
5H018HH05
5H018HH06
5H018HH08
5H126AA06
5H126BB06
5H126GG12
5H126HH01
5H126JJ03
5H126JJ05
5H126JJ06
5H126JJ08
(57)【要約】
固体酸化物電池は、非多孔質酸化物層と、１つ以上の第１の多孔質層と、１つ以上の第２の多孔質層とを含むことができる。非多孔質酸化物層は、酸素イオンを伝導することができ、固体電解質として動作することができる。第１および第２の多孔質層は、非多孔質酸化物層の反対側に配置することができる。非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層のそれぞれの密度よりも大きい密度を有することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに、１つ以上の電極触媒酸化物を浸透させることができる。あるいは、いくつかの実施形態では、多孔質機能層は、非多孔質酸化物層と１つ以上の第１の多孔質層との間に配置することができる。多孔質機能層は、固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるのに有効であり得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、非多孔質酸化物層の第１の側面の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記第１の側と反対側の前記非多孔質酸化物層の第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層の各々よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記第１の多孔質層および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【請求項2】
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、非多孔質酸化物層の第１の面上に配置された多孔質機能層と、
多孔質機能層の非多孔質酸化物層と対向する側の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記非多孔質酸化物層の前記第１の側と対向する第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記多孔質機能層の密度よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記多孔質機能層は、５５０℃以下の温度で、前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させるのに効果的であり、
前記１つ以上の第１の多孔質層の少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層の少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【請求項3】
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項4】
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデン酸塩、モリブデン酸塩のニッケルサーメット、クロム酸塩、クロム酸塩のニッケルサーメット、バナジン酸塩、またはバナジン酸塩のニッケルサーメットから形成される、請求項３に記載の固体酸化物電池。
【請求項5】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項6】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶系酸化ビスマス、菱面体晶系酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶系酸化ビスマスを含む、請求項５に記載の固体酸化物。
【請求項7】
前記１つ以上の第１の多孔質層は、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアを含む、請求項６に記載の固体酸化物電池。
【請求項8】
前記添加される１つ以上のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムとサマリウムの両方である、請求項７に記載の固体酸化物電池。
【請求項9】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上の電極触媒酸化物で浸透されている、請求項５に記載の固体酸化物電池。
【請求項10】
前記１つ以上の電極触媒酸化物は、少なくともＡおよびＢにより形成される１つ以上の多相電極触媒を含み、前記１つ以上の多相電気触媒中のＡとＢとのモル比は、約１：１である、請求項９に記載の固体酸化物電池。
【請求項11】
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、請求項１０に記載の固体酸化物電池。
【請求項12】
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、Ｂは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、請求項１１に記載の固体酸化物電池。
【請求項13】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、セリア、酸化ビスマス、または（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料を含む、請求項１に記載の固体酸化物電池。
【請求項14】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウムタングステン安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選ばれ材料を含む、請求項１に記載の固体酸化物電池。
【請求項15】
前記第１の多孔質層のうちの１つと前記非多孔質酸化物層との間に配置され、それらと直接接触する多孔質機能層をさらに含む、請求項１に記載の固体酸化物電池。
【請求項16】
前記多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、請求項２および１５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項17】
前記多孔質機能層が、前記固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、請求項２および１５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項18】
前記開回路電圧は、５００～５５０℃で０．９Ｖ以上である、請求項１７に記載の固体酸化物電池。
【請求項19】
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、請求項２および１５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項20】
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陽極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、電気化学的酸化が第２の側で起こるときに陰極として動作するように構成され、および／または１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陰極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、還元が第２の側で起こるときに陽極として動作するように構成される、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項21】
１つ以上の第１の多孔質層は、両端値を含む２０～１００％（モル分率）の範囲の酸素濃度を含む入力流を受け取るように構成され、１つ以上の第２の多孔質層は、燃料を受容するように構成され、固体酸化物電池は、燃料を電気化学的に酸化して電気を生成することによって固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として動作するように構成される、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項22】
１つ以上の第２の多孔質層は、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２を含む投入流を受け取るように構成され、固体酸化物電池は、第２の側でＨ２ＯまたはＣＯ２を電気化学的に還元し、第１の側でＯ２を発生させることによって、固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）として動作するように構成される、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項23】
固体酸化物電池は、分極を逆転させて固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）としての動作と固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）としての動作とを切り替えるように構成され、固体酸化物電池は、第１の動作モード中に、第１および第２の電極のうちの１つに提供されるＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２を電解して燃料を生成するように構成され、固体酸化物電池は、第２の動作モード中に、燃料を酸化して電気を生成するように構成される、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項24】
前記非多孔質酸化物層が、セリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、請求項１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池。
【請求項25】
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を、第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に提供すること、
（ｅ）第１の閾値よりも低い温度で１つ以上の第３の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第１の側面上に１つ以上の第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１の多孔質層および第２の多孔質層の密度より大きい密度を有し、
非多孔質酸化物層は、第１の多孔質層および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率が、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
【請求項26】
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を提供すること、
（ｅ）１つ以上の第３の前駆体の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供すること、
（ｆ）第１の閾値よりも低い温度で第３および第４の前駆体を焼結し、非多孔質酸化物層の第１の側上に前記非多孔質酸化物層を形成し、前記非多孔質酸化物層の対向する前記第１の多孔質層の側上に前記第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１の多孔質層および第２の多孔質層の密度より大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率が、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記多孔質層は、５５０℃以下の温度で前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させる効果があり、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
【請求項27】
前記第１の閾値は、約１０００℃である、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項28】
１つ以上の第３の前駆体の焼結または第３および第４の前駆体の焼結は、約９５０℃の温度で行われ、第１および第２の前駆体の焼結は、約１４５０℃の温度で行われ、または
上記の両方で行われる、請求項２７に記載の方法。
【請求項29】
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項30】
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデン酸塩、モリブデン酸塩のニッケルサーメット、クロム酸塩、クロム酸塩のニッケルサーメット、バナジン酸塩、またはバナジン酸塩のニッケルサーメットから形成される、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項32】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶系酸化ビスマス、菱面体晶系酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶系酸化ビスマスを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
前記１つ以上の第１の多孔質層は、１つ以上のランタニド添加されたドープセリアを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項34】
前記添加される１つ以上のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムとサマリウムの両方である、請求項３３に記載の方法。
【請求項35】
前記１つ以上の第１の多孔質層を形成した後、前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに、１つ以上の電極触媒酸化物を浸透させることをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項36】
浸透が、以下を含む、請求項３５に記載の方法：（ｆ１）１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに溶液中の１つ以上の電極触媒の用量を提供する工程；
（ｆ２）前記用量を有する１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つを、真空に曝露すること、
（ｆ３）溶液中の１つ以上の電極触媒の別の用量で（ｆ１）および（ｆ２）を繰り返すこと、および
（ｆ４）（ｆ３）の後、１つ以上の第１の多孔質層を約４５０℃の温度に曝して、前記溶液を蒸発または燃焼させること。
【請求項37】
前記１つ以上の電極触媒酸化物は、少なくともＡおよびＢによって形成される１つ以上の多相電極触媒を含み、前記１つ以上の多相電極触媒中のＡ：Ｂのモル比は、約１：１である、請求項３５に記載の方法。
【請求項38】
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、請求項３７に記載の方法。
【請求項39】
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、および／またはＢは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、請求項３８に記載の方法。
【請求項40】
（ｄ）の１つ以上の第３の前駆体を提供することが、（ｄ１）１種以上のランタニド酸化物を含むかまたは含まないセリアをインク中に混合すること、
（ｄ２）孔形成剤をインク中に混合すること、
を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項41】
前記孔形成剤は、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項42】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、セリア、酸化ビスマス、または（ｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物を有する（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスから形成される複合材料を含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項43】
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウム安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物（ＳＳＣ）、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選択される材料を含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項44】
（ｄ）の前に、非多孔質酸化物層の第１の面上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供することを含み、（ｄ）を提供することは、１つ以上の第４の前駆体上に１つ以上の第３の前駆体を提供することを含み、
（ｅ）の焼結は、第１の多孔質層と非多孔質酸化物層との間にそれらのうちの１つと直接接触して配置された多孔質機能層として、１つ以上の第４の前駆体を形成する、請求項２５記載の方法。
【請求項45】
前記多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、請求項２６および４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項46】
前記多孔質機能層が、前記固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、請求項２６および４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項47】
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、請求項２６および４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項48】
前記非多孔質酸化物層が、セリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項49】
（ａ）を提供すること、（ｂ）を提供すること、（ｄ）を提供すること、および／または（ｅ）を提供することが、テープキャスティング、ブレードコーティング、積層、スクリーン印刷、または前述のものの任意の組合せを含む、請求項２５～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項50】
（ａ）が、以下を含む、請求項２５から２６のいずれか一項に記載の方法：（ａ１）約６０重量％の酸化ニッケル（ＮｉＯ）および約４０重量％のガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）を第１のスラリーに混合すること、
（ａ２）第１のスラリーに孔形成剤を混合し、第１のスラリーは、第２の電極の多孔質支持層に対応する孔形成剤を有すること、
（ａ３）約４８重量％のＮｉＯおよび約５２重量％のＧＤＣを第２のスラリーに混合し、第２のスラリーは、第２の電極の多孔質機能層に対応すること。
【請求項51】
前記孔形成剤は、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０２１年１２月２２日に出願された「低温固体酸化物燃料電池のための足場浸透陰極」と題された米国仮出願第６３／２６５，９２０号、および２０２１年１２月２２日に出願された「固体酸化物電池のための多孔質セリア系機能層」と題された米国仮出願第６３／２６５，９２１号の利益を主張するものであり、これらの出願の各々は、全体として本出願に組み込まれている。
本出願は、２０２１年１２月２２日に出願された「低温固体酸化物燃料電池のための足場浸透陰極」と題された米国仮出願第６３／２６５，９２０号、および２０２１年１２月２２日に出願された「固体酸化物電池のための多孔質セリア系機能層」と題された米国仮出願第６３／２６５，９２１号の利益を主張するものであり、これらの出願の各々は、全体として本出願に組み込まれている。
【0002】
（連邦支援研究に関する表明）
本発明は、米国エネルギー省化石エネルギー局によって与えられたＤＥＦＥＤ００３１６６２、および米国エネルギー省先進研究プロジェクト局－エネルギー（ＤＯＥ ＡＲＰＡ－Ｅ）によって与えられたＤＥＡＲ０００１３４５の下での米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本発明は、米国エネルギー省化石エネルギー局によって与えられたＤＥＦＥＤ００３１６６２、および米国エネルギー省先進研究プロジェクト局－エネルギー（ＤＯＥ ＡＲＰＡ－Ｅ）によって与えられたＤＥＡＲ０００１３４５の下での米国政府の支援によってなされたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【0003】
本開示は、一般に、固体酸化物電気化学電池に関し、より詳細には、その低温性能を向上させるための多孔質層を有する固体酸化物電気化学電池に関する。
【背景技術】
【0004】
固体酸化物電気化学電池（ＳＯＣ）は、気候変動の影響を緩和するためのクリーンエネルギー研究の最前線にある。ＳＯＣは、燃料電池モード（例えば、固体酸化物燃料電池またはＳＯＦＣ）で動作して、化学燃料から電気を生成するか、または電気分解モード（例えば、固体酸化物電解電池またはＳＯＥＣ）で動作して、電気を使用して化学燃料を生成し、将来の使用のために貯蔵することができる。従来のＳＯＣでは、高温（例えば、＞８００℃）は、酸素イオントランスポートプロセスおよび電極リアクションプロセスを熱的に活性化するために必要とされる。しかしながら、このような高温は、また、劣化の問題をもたらす。したがって、ＳＯＣの運転温度を下げることは、採用および商業化を進めるのに役立つ可能性がある。動作温度を低下させるための課題の１つは、温度の低下に伴って電解質のオーム損失が増加し、それによってＳＯＣ性能が低下することである。加えて、陰極での酸素還元反応（ＯＲＲ）の緩慢な動力学は、低温（例えば、＜６５０℃）での性能を制限し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来の固体酸化物電解質の中で、ドープされたセリア（例えば、Ｃｅ１－ｘＧｄｘＯ２－δおよびＣｅ１－ｘＳｍｘＯ２－δ）は、それらのより高い酸素イオン伝導性のために、低温用途にとって魅力的な選択肢であり得る。しかし、セリウムは、還元条件下でＣｅ４＋／Ｃｅ３＋酸化還元対を受けるので、セリア系電解質は、イオン伝導体と電子伝導体が混合されている。これにより、ＳＯＣの開回路電圧（ＯＣＶ）が理論値よりも低くなり、デバイスの効率が低下する可能性がある。加えて、電気が化学物質に変換されるＳＯＥＣの場合、電解質中の電子伝導は、酸素イオン移動数を低下させることができ、それによって、セリア系電解質を、より低いファラデー効率のために、電解モードで機能させることを非実用的にする。
【0006】
開示される主題の実施形態は、とりわけ、上述の問題および欠点のうちの１つ以上に対処し得る。
【課題を解決するための手段】
【0007】
開示される主題の実施形態は、非多孔質酸化物層（本明細書では、緻密電解質層、またはＤＥＬとも呼ばれる）の酸素側に１つ以上の多孔質層を適切に構成することによって、高性能固体酸化物電池を提供する。いくつかの実施形態では、１つ以上の多孔質層が例えば、１つ以上の電極触媒による浸透によって、電極（例えば、ＳＯＦＣモードの陰極）として機能することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の多孔質層の焼結およびその後の電気触媒浸透は、第１の閾値（例えば、１０００℃）未満の温度で実施され、最小限の、または少なくとも低減された面積比抵抗（ＡＳＲ）を達成する。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、電極触媒浸透および／またはＳＯＣのその後の動作は、第２の閾値（例えば、６５０℃）未満の温度で実施されて、電極触媒のナノスケールサイズ（例えば、平均粒径≦２００ｎｍ）を維持し、それによって、電気化学反応を促進する電子的接続ネットワークを提供しながら、高速酸素輸送を可能にする。
【0008】
いくつかの実施形態では、１つ以上の多孔質層は、非多孔質酸化物層と空気側電極との間に配置された多孔質機能層（ＰＦＬ）である。いくつかの実施形態では、ＰＦＬは、非多孔質酸化物層のより高い酸素分圧（ｐＯ２）への曝露を増加させることができ、それによって、非多孔質酸化物層の電子伝導性を制限し、その中の任意の漏れ電流を軽減する。ＰＦＬを設けることにより、有効イオン移動数ｔｏ２－を増加させることができ、非多孔質酸化物層の効率をさらに改善し、および／またはより薄い非多孔質酸化物層を使用することができる。いくつかの実施形態では、ＰＦＬを有するＳＯＣは、より高い開回路電圧（例えば、５００～５５０℃の範囲の温度で少なくとも０．９０Ｖ）および／またはより低いＡＳＲを示すことができる。
【0009】
１つ以上の実施形態では、固体酸化物電池は、非多孔質酸化物層、１つ以上の第１の多孔質層、および１つ以上の第２の多孔質層を含むことができる。非多孔質酸化物層は、酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成することができる。１つ以上の第１の多孔質層は、非多孔質酸化物層の第１の面上に配置され得る。１つ以上の第２の多孔質層は、第１の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第２の側の上に配置することができる。非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層のそれぞれの密度よりも大きい密度を有することができる。非多孔質酸化物層の電子伝導率は、非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり得る。第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％より大きくてもよい。１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され得、１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成され得る。
【0010】
１つ以上の実施形態では、固体酸化物電池は、非多孔質酸化物層、多孔質機能層、１つ以上の第１の多孔質層、および１つ以上の第２の多孔質層を含むことができる。非多孔質酸化物層は、酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成することができる。多孔質機能層は、非多孔質酸化物層の第１の面の上に配置することができる。１つ以上の第１の多孔質層は、多孔質機能層の非多孔質酸化物層とは反対側の面の上に配置することができる。１つ以上の第２の多孔質層は、第１の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第２の側の上に配置することができる。非多孔質酸化物層は、多孔質機能層の密度よりも大きい密度を有することができる。非多孔質酸化物層の電子伝導率は、非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり得る。多孔質機能層は、非多孔質酸化物層および多孔質機能層のイオン移動回数を５５０℃以下で０．９以上にするのに効果的である。１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され得、１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成され得る。
【0011】
１つ以上の実施形態では、固体酸化物電池を製造する方法は、１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供することを含むことができる。本方法は、１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供することをさらに含むことができる。本方法は、また、第１および第２の前駆体を第１の閾値以上の温度で焼結して、１つ以上の第２の多孔質層を非多孔質酸化物層の第２の面上に形成することを含むことができる。この方法は、第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を提供することをさらに含むことができる。本方法は、また、１つ以上の第３の前駆体を第１の閾値未満の温度で焼結して、１つ以上の第１の多孔質層を非多孔質酸化物層の第１の側の上に形成することを含むことができる。非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層の密度よりも大きい密度を有することができる。第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％より大きくてもよい。１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され得、１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成され得る。
【0012】
１つ以上の実施形態では、固体酸化物電池を製造する方法は、１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供することを含むことができる。本方法は、１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供することをさらに含むことができる。本方法は、また、第１および第２の前駆体を第１の閾値以上の温度で焼結して、１つ以上の第２の多孔質層を非多孔質酸化物層の第２の面上に形成することを含むことができる。この方法は、第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を提供することをさらに含むことができる。本方法は、また、１つ以上の第３の前駆体の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供することを含むことができる。本方法は、第１の閾値未満の温度で第３および第４の前駆体を焼結することをさらに含むことができ、それにより、多孔質機能層を非多孔質酸化物層の第１の側の上に形成し、多孔質機能層の非多孔質酸化物層とは反対側の側の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成する。非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層の密度よりも大きい密度を有することができる。第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％より大きくてもよい。多孔質機能層は、非多孔質酸化物層および多孔質機能層のイオン移動数を５５０℃以下で０．９以上にするのに効果的である。１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され得、１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成され得る。
【0013】
本開示の様々な革新のいずれも、組合せて、または別々に使用することができる。この概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するために使用されることも意図するものでもない。開示された技術の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0014】
以下、実施形態について、必ずしも一定の縮尺で描かれていない添付の図面を参照して説明する。適用可能な場合、いくつかの要素は、基礎となる特徴の例示および説明を助けるために、簡略化されるか、またはそうでなければ図示されない場合がある。図面全体を通して、同様の参照番号は、同様の要素を示す。
【図6A-6B】図６Ａ～６Ｂは、５５０℃における９７％Ｈ２／３％Ｈ２Ｏ中の空気中および陽極中の浸透多孔質層陰極を有するＳＯＣの多孔質層および電気触媒装填物の種々の成分についての電流－電圧特性および電気化学インピーダンススペクトロスコピー（ＥＩＳ）スペクトルをそれぞれ示す。
【図7A-7B】図７Ａ～７Ｂは、ＰＳＣ浸透Ｐｒ－Ｓｍ－ＧＤＣ多孔質層、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および５００℃および５５０℃でのＨ２における様々なＧＤＣ電解質厚さによって形成された陰極を有するＳＯＣについて、それぞれ電流－電圧特性およびＥ－ＩＳスペクトルを示す。
【図7C-7D】図７Ｃ～７Ｄは、５５０℃で５００時間エージングした後の、ＰＳＣ浸透Ｐｒ－Ｓｍ－ＧＤＣ多孔質層、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および厚さ２０μｍのＧＤＣ電解質を有するＳＯＣの、それぞれ、全断面および陰極の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図7F】図７Ｆは、５５０℃での５００時間のエージング後の、ＰＳＣ浸透Ｐｒ－Ｓｍ－ＧＤＣ多孔質層、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および厚さ２０μｍのＧＤＣ電解質を有するＳＯＣの経時的な全オームおよびデコンボリューションされた電極ＡＳＲを示す。
【図8A】図８Ａは、１０重量％ＰＭＭＡを有するＰＳＣ浸透５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および陰極側にｐＯ２＝１ａtｍを有する１０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＳＯＣについての、様々な動作温度についてのＯＣＶでのＥＩＳスペクトルを示す。
【図8B】図８Ｂは、１０重量％ＰＭＭＡ、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および１０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＰＳＣ浸透５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣを有するＳＯＣについて、それぞれ、１００標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）のＯ２および１００ｓｃｃｍのＨ２は、陰極および陽極に流れる、様々な温度にわたる開回路電圧（ＯＣＶ）でのデコンボリューションされたインピーダンス値を示す。
【図8D】図８Ｄは、０．７５Ｖでの定電位エージングおよび６００℃での１０重量％ＰＭＭＡ、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および１０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＰＳＣ浸透５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣを用いた開路電圧（ＯＣＶ）の周期的計測におけるＳＯＣの電流反応を示す。
【図9A】図９Ａは、対称電池における１０重量％のＰＭＭＡを有する５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ多孔質層のＰｒ－Ｓｒ－Ｃｏ浸透（Ｐｒ－Ｘ－Ｃｏ）におけるＳｒの置換のための非オームＡＳＲのアレニウスプロット、ならびに参照のための対称電池におけるＬＳＣＦ－ＧＤＣ複合陰極である。
【図9B】図９Ｂは、対称電池内に１０重量％のＰＭＭＡを有する５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ多孔質層のＰｒ－Ｓｒ－Ｃｏ浸透（Ｐｒ－Ｓｒ－Ｘ）におけるＣｏの置換のための非オームＡＳＲのアレニウスプロット、ならびに参照のためのＬＳＣＦ－ＧＤＣ複合陰極である。
【図10A-10B】図１０Ａ～１０Ｂは、５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ多孔質膜の陰極、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および２０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＳＯＣの５５０℃および５００℃における電流－電圧特性を示す図である。
【図10C-10D】図１０Ｃ～１０Ｄは、様々な多孔度を有する５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ多孔質層の陰極、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および２０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＳＯＣについて、それぞれ５５０℃および５００℃でのＥＩＳスペクトルを示す。
【図10F-10G】図１０Ｆ～１０Ｇは、５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ多孔質層の陰極、Ｎｉ－ＧＤＣ陽極、および２０μｍ厚のＧＤＣ電解質を有するＳＯＣについて計算された空隙率に応じて、５００℃および５５０℃でのデコンボリューションされたＡＳＲをそれぞれ示す。
【図12B】図１２Ｂは、２０μｍのＧＤＣ層および異なる厚さの多孔質機能層（ＰＦＬ）を有するＳＯＣについて、２０または２００μｍの高密度ＧＤＣ層を有し、ＰＦＬを有さないＳＯＣと比較した、動作温度に対する開回路電圧（ＯＣＶ）を示し、様々な電解質イオン移動数についてのＯＣＶへのアプローチを示す。
【図12D】図１２Ｄは、１０μｍの高密度電解質層上の１０μｍの多孔質機能層における異なるＰｒドーピングレベルについてのＯＣＶ対温度、および様々な電解質イオン移動数についてそれぞれがどのようにＯＣＶに近づくかを示す。
【図14A-14B】図１４Ａ～１４Ｂは、５００℃における、Ｐｒ表面改質（ＳＭ）ＳＳＣ－ＧＤＣ陰極、多孔質機能層、ＧＤＣ電解質層、およびＮｉ－ＧＤＣ陽極のＳＯＦＣ、ならびにＳＳＣ－ＧＤＣ陰極、多孔質機能層、ＧＤＣ電解質層、およびＮｉ－ＧＤＣ陽極のＳＯＦＣの電流－電圧特性およびＥＩＳスペクトルをそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
一般的な考慮事項
本明細書の目的のために、本開示の実施形態の特定の態様、利点、および新規な特徴が本明細書に記載される。開示された方法およびシステムは、決して限定的であると解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独で、ならびに互いの様々な組合せおよび下位組合せで、開示される様々な実施形態のすべての新規かつ非自明な特徴および態様を対象とする。方法およびシステムは、任意の特定の態様、特徴、またはそれらの組合せに限定されず、開示される実施形態は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すること、または問題が解決されることを必要としない。任意の実施形態または実施例からの技術は、他の実施形態または実施例のうちの任意の１つ以上において説明される技術と組み合わせることができる。開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は、例示的なものにすぎず、開示された技術の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを認識されたい。
本明細書の目的のために、本開示の実施形態の特定の態様、利点、および新規な特徴が本明細書に記載される。開示された方法およびシステムは、決して限定的であると解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独で、ならびに互いの様々な組合せおよび下位組合せで、開示される様々な実施形態のすべての新規かつ非自明な特徴および態様を対象とする。方法およびシステムは、任意の特定の態様、特徴、またはそれらの組合せに限定されず、開示される実施形態は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すること、または問題が解決されることを必要としない。任意の実施形態または実施例からの技術は、他の実施形態または実施例のうちの任意の１つ以上において説明される技術と組み合わせることができる。開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は、例示的なものにすぎず、開示された技術の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを認識されたい。
【0016】
開示される方法のうちのいくつかの動作は、便利な提示のために特定の順番で説明されるが、特定の順序付けが、以下で説明される特定の言語によって必要とされない限り、この説明の方式は、並べ替えを包含することを理解されたい。例えば、連続して説明される動作は、場合によっては、並べ替えられるか、または同時に実行され得る。さらに、簡略化のために、添付の図面は、開示された方法が他の方法と併せて使用され得る様々な方法を示していない場合がある。さらに、説明は、開示された方法を説明するために、「提供する」または「達成する」のような用語を使用することがある。これらの用語は、実行される実際の操作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装形態に応じて異なり得、当業者によって容易に認識可能である。
【0017】
数値範囲の開示は、特に断りのない限り、端点を含む範囲内の各離散点を指すものと理解されるべきである。別段の指示がない限り、本明細書または特許請求の範囲で使用される、成分の量、分子量、百分率、温度、時間などを表す全ての数は、用語「約」によって修飾されると理解されるべきである。したがって、別段の暗示的または明示的な指示がない限り、または文脈がより明確な構成を有すると当業者によって適切に理解されない限り、記載される数値パラメータは、当業者に知られているように、求められる所望の特性および／または標準試験条件／方法下での検出の限界に依存し得る近似値である。議論された先行技術から実施形態を直接的かつ明示的に区別する場合、実施形態番号は、「約」という単語が列挙されない限り、近似ではない。「実質的に」、「およそ」、「約」、または同様の言語が特定の値とみあて明示的に使用される場合は常に、明示的に別段の定めがない限り、その値の１０％までの変動が意図される。
【0018】
方向および他の相対参照は、本明細書における図面および原理の説明を容易にするために使用され得るが、限定することを意図されない。例えば、「内側」、「外側」、「上」、「下」、「頂部」、「底部」、「内部」、「外部」、「左」、「右」、「前」、「後」、「後方」などの特定の用語が使用され得る。このような用語は、適用可能な場合、特に例示された実施形態に関して、相対的な関係を扱うときの説明のいくつかの明瞭さを提供するために使用される。しかしながら、このような用語は、絶対的な関係、位置、および／または向きを暗示することを意図するものではない。例えば、物体に関して、「上」部分は、単に物体を裏返すことによって「下」部分になり得る。それにもかかわらず、それは、依然として同じ部分であり、物体は、同じままである。
【0019】
本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」を意味し、また、単数形「ａ」または「ａｎ」または「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数の言及を含む。用語「または」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、言及された代替要素の単一の要素または２つ以上の要素の組合せを指す。
【0020】
本明細書に記載される様々な構成要素、パラメータ、動作条件などの代替があるが、それらの代替が必ずしも同等であり、および／または等しく良好に機能することを意味しない。また、特に明記しない限り、選択肢が好ましい順序で列挙されていることも意味しない。特に明記しない限り、以下に定義する基のいずれも、置換されていても置換されていなくてもよい。
【0021】
別段の説明がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者に一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似または同等の方法および材料を本開示の実施または試験において使用することができるが、適切な方法および材料を以下に記載する。材料、方法、および実施例は、例示にすぎず、限定することを意図するものではない。本開示の主題の特徴は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【0022】
導入部
本明細書では、向上した性能のＳＯＣおよびその製造方法が開示される。いくつかの実施形態では、多相電気触媒が固体電解質の空気側（例えば、酸素側）の多孔質層に浸透させて、空気側電極として機能させることができる。製造プロセスの適切な制御によって、性能が向上したＳＯＣを達成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層（ＳＯＦＣの陰極などの空気側電極として構成される）は、第１の閾値温度（例えば、１０００℃）未満および／または第２の閾値温度（例えば、９００℃）より高い温度で焼結されて、最低限のＡＳＲを達成する。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層は、１つ以上の電極触媒を浸透させることができ、それらの焼成および動作温度は、６５０℃未満に維持され、それによって、高活性および耐久性を維持するナノスケールサイズを維持する。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層の製造中に１つ以上の添加剤（例えば、１０重量％以下の合計装填量でのランタニド）を導入して（例えば、焼結前に前駆体と混合して）、電子伝導性を増加させ、オーム損失を減少させ、および／またはＰＰＤを増加させることができる。
本明細書では、向上した性能のＳＯＣおよびその製造方法が開示される。いくつかの実施形態では、多相電気触媒が固体電解質の空気側（例えば、酸素側）の多孔質層に浸透させて、空気側電極として機能させることができる。製造プロセスの適切な制御によって、性能が向上したＳＯＣを達成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層（ＳＯＦＣの陰極などの空気側電極として構成される）は、第１の閾値温度（例えば、１０００℃）未満および／または第２の閾値温度（例えば、９００℃）より高い温度で焼結されて、最低限のＡＳＲを達成する。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層は、１つ以上の電極触媒を浸透させることができ、それらの焼成および動作温度は、６５０℃未満に維持され、それによって、高活性および耐久性を維持するナノスケールサイズを維持する。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、空気側多孔質層の製造中に１つ以上の添加剤（例えば、１０重量％以下の合計装填量でのランタニド）を導入して（例えば、焼結前に前駆体と混合して）、電子伝導性を増加させ、オーム損失を減少させ、および／またはＰＰＤを増加させることができる。
【0023】
例えば、図１Ａ～図１Ｂは、少なくとも１つの第１の多孔質層１１２（例えば、空気側電極として機能する）、非多孔質酸化物層１０２（本明細書では、緻密電解質層またはＤＥＬとも呼ばれる）、および１つ以上の第２の多孔質層１０４（例えば、燃料側電極として機能する）を有するＳＯＣ１１０を示す。第１の多孔質層１１２は、焼結層アセンブリ１００の多孔質足場１０６に１つ以上の電極触媒酸化物１０８（例えば、多相電極触媒）を浸透させることによって、電極として機能するように形成することができる。いくつかの実施形態では、第１の多孔質層１１２は、２０μｍ以下、例えば、１０～２０μｍの範囲内の厚さを有することができる。図１Ａの図示の例では、一対の第２の多孔質層、すなわち支持層１０４ｂ（例えば、陽極支持層）および機能層１０４ａ（例えば、陽極機能層）が図示されている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４ａ、１０４ｂの合計厚は、少なくとも３００μｍであり得る。図１Ａには、４つの層が示されているが、１つ以上の考えられる実施形態によれば、より少ない層または追加の層も可能である。
【0024】
非多孔質酸化物層１０２は、酸素イオンを通すが、そこを通る電子の実質的な伝導を伴わないことによって、固体電解質として動作することができる。例えば、非多孔質酸化物層の電子伝導率は、非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり得る。いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層の各々の密度よりも大きい密度を有することができる。代替的にまたは追加的に、第１および第２の多孔質層の各々は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％を超える電子伝導率を有することができる。例えば、第１および第２の多孔質層のそれぞれは、高いイオン伝導性および高い電子伝導性の両方を有することができる。
【0025】
図１Ｃ～図１Ｄは、複合電極および電極触媒浸透電極のための２段階酸素輸送機構をそれぞれ示す。図１Ｃの複合電極構成１２０では、酸素１２６の解離吸着１２８が第１の構成要素１２２（例えば、ＳＳＣ）の表面上で生じるが、第２の構成要素１２４上の活性部位１３０（例えば、ＧＤＣ）までの長い輸送距離を必要とする。長い輸送距離は、活性部位の数を制限することができる。対照的に、図１Ｄの浸透多孔質層構成１４０では、ナノスケール電気触媒１４２（例えば、ＰＳＣ）は、酸素表面交換のためのより多数の活性部位１４４、ならびにナノスケール電気触媒１４２と近くの足場１２４との間のより短い拡散長を提供し、関連するエネルギー損失の低減をもたらす。
【0026】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層１１２（例えば、多孔質足場１０６）は、セリアまたは酸化ビスマスで形成することができる。例えば、第１多孔質層１１２は、ドープされたセリア、立方晶系酸化ビスマス、菱面体晶系酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶系酸化ビスマスから形成することができる。いくつかの実施形態では、第１の多孔質層１１２の材料組成は、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウムタングステン安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、またはイットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）のうちの１つである。あるいは、いくつかの実施形態では、第１の多孔質層１１２は、「安定な高伝導性酸化物電解質」と題され、２０２０年１月３０日に公開された米国特許出願公開第２０２０／００３６０２８号明細書に開示された菱面体晶系酸化ビスマス材料の１つを含み、これらの材料は、参照により本明細書に組み込まれる。例えば、菱面体酸化ビスマスは、ＬａＹ－Ｂｉ２Ｏ３、ＬａＳｍ－Ｂｉ２Ｏ３、ＳｒＹ－Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｄ－Ｂｉ２Ｏ３、ＬａＥｒ－Ｂｉ２Ｏ３、ＮｄＤｙ－Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｄ－Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｍ－Ｂｉ２Ｏ３、ＮｄＳｍ－Ｂｉ２Ｏ３、ＮｄＧｄ－Ｂｉ２Ｏ３、およびＣａＧｄ－Ｂｉ２Ｏ３からなる群から選択することができる。
【0027】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層１１２（例えば、多孔質足場１０６）は、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアから形成され得る。例えば、添加される１つ以上のランタニドは、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムとサマリウムの両方であり得る。いくつかの実施形態において、ランタニド添加物の総量は、約０重量％～約２０重量％、例えば、約０．５重量％～約１０重量％の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、各ランタニド付加は、約５重量％であり得る。いくつかの実施形態では、ランタニド添加量が全金属含有量の約１０重量％以下であり得、その場合、セリアの全量は、少なくとも９０重量％であり得る。
【0028】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層１１２（例えば、多孔質足場１０６）は、（ｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物を有する、（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスから形成される複合材料であり得る。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層１１２（例えば、多孔質足場１０６）は、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンシア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウムタングステン安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト鉄酸化物（ＳＳＣ）、バリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＢＳＣＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＳＳＣＦ）、ランタンストロンチウムマンガン酸塩（ＬＳＭ）、およびＬｎ２ＮｉＯ４＋δニッケル酸（式中、Ｌｎは、ランタニド）からなる群から選ばれた１つ以上の材料である。
【0029】
いくつかの実施形態では、多孔質足場１０６の浸透のための電極触媒１０８が１つ以上の電極触媒酸化物を含むことができる。例えば、１つ以上の電極触媒酸化物は、１つ以上のＭＯｘを含むことができ、ここで、Ｍは、Ｐｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎなどのカチオンであるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、電極触媒１０８の多孔質足場１０６への浸透が活性領域の約６０μｍｏｌ／ｃｍ以下、例えば、約９μｍｏｌ／ｃｍ２～約５８μｍｏｌ／ｃｍの２の充填量を提供することができる。代替的にまたは追加的に、電解触媒の溶液ベースの装填は、６０μＬ／ｃｍ２以下、例えば、約１９μＬ／ｃｍ～約５８μＬ／ｃｍであり得る。装填は、電極触媒の組成ならびに多孔質足場の厚さに依存することができ、したがって、いくつかの実施形態では、他の装填範囲が適用可能であり得る。
【0030】
いくつかの実施形態では、電極触媒は、少なくともＡおよびＢを含むことができる。いくつかの実施形態では、電極触媒中のＡ：Ｂのモル比は、約１：１であることができる。いくつかの実施形態において、Ａは、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり得る。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態において、Ａは、Ｐｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、およびＥｒからなる群から選択され得る。いくつかの実施形態では、Ｂは、期間４の要素であり得る。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、Ｂは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択され得る。
【0031】
代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、電極触媒は、少なくともＰｒ、Ａ、およびＢを含むことができる。いくつかの実施形態では、電極触媒中のＰｒ：Ａ：Ｂのモル比は、約１：１：２であることができる。いくつかの実施形態では、Ａは、第２族元素、第３族元素、またはＰｒ以外のランタニドであり得る。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、Ａは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、およびＥｒからなる群から選択され得る。いくつかの実施形態では、Ｂは、期間４の要素であり得る。代替的または追加的に、いくつかの実施形態では、Ｂは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択され得る。
【0032】
いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層１０２は、セリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンから形成することができる。いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層１０２は、１つ以上のドーパントおよび／または１つ以上の安定剤を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層１０２に使用することができる材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ならびにそれらの組合せを含み得る。いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層１０２が多孔質足場１０６と同じ材料、例えば、ＧＤＣで形成される。
【0033】
いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４（例えば、支持層１０４ｂおよび／または機能層１０４ａ）は、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、またはセリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデート、モリブデートのニッケルサーメット、クロメート、クロメートのニッケルサーメット、バナデート、またはバナデートのニッケルサーメットなどであるが、これらに限定されない、混合イオン性電子伝導性酸化物（ＭＩＥＣ）から形成することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４は、「固体酸化物燃料電池のためのクロメート系セラミック陽極材料」と題され、２０２２年１月１８日に公開された米国特許第１１，２２８，０３９号明細書に開示されたクロメート系酸化物材料のうちの１つを含むことができ、これらの材料は、参照により本明細書に組み込まれる。例えば、クロメート系酸化物は、Ｙ０．７Ｃａ０．３Ｃｒ０．８Ｃｕ０．２Ｏ３?δ、Ｎｄ０．７Ｃａ０．３Ｃｒ０．８Ｃｕ０．２Ｏ３?δ、（Ｙ０．５Ｎｄ０．５）０．７Ｃａ０．３Ｃｒ０．８Ｃｕ０．２Ｏ３?δ、Ｐｒ０．７Ｃａ０．３Ｃｒ０．８Ｃｕ０．２Ｏ３?δ、およびＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｒ０．９Ｍｏ０．１Ｏ３?δからなる群から選択することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４が「固体酸化物燃料電池のための代替陽極材料」と題され、２０２１年３月２日に公開された米国特許第１０，９３８，０５２号明細書に開示されたストロンチウム鉄コバルトモリブデン酸化物（ＳＦＣＭ）材料のうちの１つを含むことができ、その材料は、参照により本明細書に組み込まれる。例えば、ＳＦＣＭ物質は、ＳｒＭ１
ｘＭ２
（（１?ｘ）／２）Ｍｏ（（１?ｘ）／２）Ｏ３±δの公式を有することができ、ここで、Ｍ１およびＭ２は、様々な異なる遷移金属であり、Ｍｏではなく、ｘは、約０．１～０．５であり、δは、約０～１．５である。例えば、いくつかの実施形態において、Ｍ１は、Ｆｅであり、Ｍ２は、Ｃｏである。
【0034】
いくつかの実施形態では、空気側電極と固体電解質との間に多孔質機能層（ＰＦＬ）を設けることによって、性能の向上したＳＯＣを得ることができる。いくつかの実施形態では、ＰＦＬが非多孔質酸化物層のより高い酸素分圧（ｐＯ２）への曝露を増加させることができ、それによって、非多孔質酸化物層の電子伝導性を制限し、その中の任意の漏れ電流を軽減し、および／または有効イオン移動数ｔＯ２－を増加させることができる。
【0035】
例えば、図２Ａ～図２Ｂは、少なくとも１つの第１の多孔質層２０４（例えば、空気側電極として機能する）、ＰＦＬ２０６、非多孔質酸化物層２０２（ＤＥＬとも呼ばれる）、および１つ以上の第２の多孔質層１０４（例えば、燃料側電極として機能する）を有するＳＯＣ２００を示す。いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６が非多孔質酸化物層２０２と第１の多孔質層２０４との間に配置され、それらと直接接触する。いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６が２０μｍ以下、例えば、１０～２０μｍの範囲内の厚さを有することができる。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２は、２０μｍ以下、例えば、１０～２０μｍの範囲内の厚さを有することができる。代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６と非多孔質酸化物層２０２とを合わせた厚さは、４０μｍ以下であり得る。図２Ａの図示の例では、一対の第２の多孔質層、すなわち支持層１０４ｂ（例えば、陽極支持層）および機能層１０４ａ（例えば、陽極機能層）が図示されている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４ａ、１０４ｂの総厚は、少なくとも３００μｍであり得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の多孔質層１０４のための材料組成が図１Ａ～図１ＣのＳＯＣ１１０に関して上述したものと同様であり得る。図２Ａには、５つの層が示されているが、１つ以上の考えられる実施形態によれば、より少ない層または追加の層も可能である。
【0036】
図１Ａの非多孔質酸化物層１０２と同様に、ＳＯＣ２００の非多孔質酸化物層２０２は、それを通して酸素イオンを伝導するが、それを通して電子を実質的に伝導することなく、固体電解質として動作することができる。例えば、非多孔質酸化物層２０２の電子伝導率は、非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり得る。いくつかの実施形態では、第１の多孔質層および第２の多孔質層のそれぞれは、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％を超える電子伝導率を有することができる。例えば、第１多孔質層２０４および第２多孔質層１０４は、高いイオン伝導性および高い電子伝導性を有することができる。
【0037】
いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２がＰＦＬ２０６の密度よりも大きい密度を有することができる。いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６が非多孔質酸化物層２０２およびＰＦＬ２０６のイオン移動数を、例えば、５５０℃以下の温度で少なくとも０．９まで増大させるのに効果的であり得る。いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６がＳＯＣ２００の開回路電圧（ＯＣＶ）を増加させ、および／またはＳＯＣ２００のインピーダンスを減少させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＰＦＬ２０６を組み込んだＳＯＣ２００が５００～５５０℃で少なくとも０．９０ＶのＯＣＶを有することができる。
【0038】
Ｃｅ（Ｇｄ）Ｏ２－ｘでは、ドープされたセリアのような物質の場合、支配的な欠点は、酸素濃度ｘによって制御される。これらの欠陥は、電子伝導性およびイオン伝導性を決定する主な電荷担体である。還元条件下では、Ｃｅ４＋のＣｅ３＋への還元が電子伝導性を著しく増大させる。固体化学の観点から、ｐＯ２が減少することにつれて、電子電荷キャリア濃度ｎは、ｘとともに増加し、正に帯電した酸素空孔の形成に適応する。対照的に、高いｐＯ２レジームでは、高い酸素化学ポテンシャルが低いレベルのｘを維持し、したがって、ドープされたセリアの電子伝導性を制限する。
【0039】
図２Ｃ～２Ｄは、ＰＦＬ２０６を有するＳＯＣ２００およびＰＦＬを有さないＳＯＣ２１０についての距離に対する理論的な電子電荷キャリア密度およびｔＯ２－のそれぞれを示し、それぞれの曲線下の面積は、電解質中の相対的な電子電荷キャリア濃度および平均移動数をそれぞれ表す。ＳＯＣ２００の場合、酸素分子は、細孔を通って自由に拡散することができ、ＰＦＬの均一なｐＯ２（したがって化学量論）を達成することができる。したがって、ＰＦＬ全体は、同じ環境（例えば、ｐＯ２＝０．２１ａｔｍ）に曝露されるにつれて、一定の欠陥濃度を有する。言い換えると、ＰＦＬの多孔質設計は、ＰＦＬ－ＤＥＬ界面における酸素化学ポテンシャルをピン止めして、酸素ガス分圧と平衡させ、それによって還元（例えば、Ｃｅ還元）を制限する。
【0040】
対照的に、非多孔質酸化物層１０２（ＤＥＬ）のみを有する場合、酸素ガス環境は、陰極／電解質界面にのみ広がる。ＰＦＬ２０６を有するＳＯＣ２００の場合、陰極ガス環境の酸素化学ポテンシャル境界条件は、ＰＦＬの多孔性の性質のために、陰極／電解質界面からＤＥＬ／ＰＦＬ界面に拡張することができる。この変化は、図２Ｃに示されるように、電子電荷キャリア密度が著しく低い拡張電解領域を提供する。その結果、図２（ｄ）に示すように、実効値ｔＯ２－が大きくなる。イオン／電子伝導率比のこの向上は、非多孔質酸化物層（例えば、セリア系電解質）の効率を著しく改善することができる。さらに、ＰＦＬは、その構造全体にわたって陰極ｐＯ２を拡張するので、高密度電解質の低ｐＯ２側にＰｒを有するというイオン伝導性に対する負の影響無しに、この構造において高濃度ｔＯ２－のＰｒドープセリアを利用する機会を提供することができる。
【0041】
いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２がセリアまたは酸化ビスマスで形成することができる。いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２が１つ以上のドーパントおよび／または１つ以上の安定剤を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２に使用することができる材料がＧＤＣ、サマリアドープセリアＳＤＣ、サマリアネオジムドープセリアＳＮＤＣ、エルビア安定化酸化ビスマスＥＳＢ、イットリア安定化酸化ビスマスＹＳＢ、菱面体系酸化ビスマス、およびこれらの組合せを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、非多孔質酸化物層２０２がＰＦＬ２０６と同じ材料、例えばＧＤＣで形成される。
【0042】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層２０４は、（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料であり得る。いくつかの実施形態では、第１の多孔質層２０４のための材料は、（１）ＬＳＣＦ、ＢＳＣＦ、ＳＳＣＦ、ＳＳＣ、およびＬＳＭからなる第１の群から選択される材料と、（２）ＹＳＺ、ＳＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ＳＮＣＤ、ＥＳＢ、ＤＷＳＢ、ＹＳＢ、菱面体晶酸化ビスマス、およびＬＳＧＭからなる第２の群から選択される材料とを有する複合体であり得る。例えば、第１の多孔質層２０４は、ＳＳＣ－ＧＤＣの複合体であってもよい。あるいはまたはさらに、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第１の多孔質層２０４は、ＬＳＣ、ＬＳＣＦ、ＹＳＺ、ＳＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ＳＮＤＣ、ＥＳＢ、ＤＷＳＢ、ＹＳＢ、菱面体酸化ビスマス、ＬＳＧＭ、ＳＳＣ、ＢＳＣＦ、ＳＳＣＦ、ＬＳＭ、およびＬｎがランタニドであるニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δからなる群から選択される１つ以上の物質から形成することができる。
【0043】
いくつかの実施態様において、少なくとも１つの第１の多孔質層２０４は、１つ以上の電極触媒酸化物によって浸透および／または表面改質され得る。例えば、表面改質は、Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ、“Ｎａｎｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ、Ｈｉｇｈ－Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏｂａｌｔ－Ｆｒｅｅ Ｂｉｓｍｕｔｈ－Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｃａｔｈｏｄｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ．” ＡＣＳ Ａｐｐｌ． Ｍａｔｅｒ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ、２０１８、１０（３４）： ｐｐ.２８６３５－４３を参照されたい。例えば、１つ以上の電極触媒酸化物は、１つ以上のＭＯｘを含むことができ、ここで、Ｍは、Ｐｒ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎなどのカチオンであるが、これらに限定されない。
【0044】
特定の材料および構成が上記および本明細書の他の箇所で論じられたが、開示される主題の実施形態は、それらに限定されない。むしろ、１つ以上の企図される実施形態によれば、開示されるＳＯＣの１つ以上の層に他の機能的に同様の材料を使用して、同じまたは同様の効果を達成することができる。
【0045】
固体酸化物電池システム
いくつかの実施形態では、図１Ａ～１ＢのＳＯＣ１１０または図２Ａ～２ＢのＳＯＣ２００は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として動作することができ、その基本的な動作は、「固体酸化物燃料電池のためのセラミック陽極材料」と題され、２０１６年１２月２０日に公開され、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，５２５，１７９号明細書に記載されている。例えば、図３Ａは、固体酸化物電解質３０２（例えば、非多孔質酸化物層１０２または２０２）、燃料側電極３０４（陽極、例えば、第２の多孔質層１０４）、および空気側電極３０６（陰極、例えば、第１の多孔質層１１２または２０４）を有するＳＯＣ層アセンブリ３０８を使用するＳＯＦＣシステム３００を示す。ＳＯＦＣシステム３００は、例えば、システム３００の動作を制御するために、外部回路３２２（例えば、負荷）およびコントローラ３２４を有することができる。いくつかの実施形態では、ＳＯＦＣシステム３００は、燃料貯蔵部３２６を含むことができ、そこから燃料を分配して電気を生成することができる。
いくつかの実施形態では、図１Ａ～１ＢのＳＯＣ１１０または図２Ａ～２ＢのＳＯＣ２００は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として動作することができ、その基本的な動作は、「固体酸化物燃料電池のためのセラミック陽極材料」と題され、２０１６年１２月２０日に公開され、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，５２５，１７９号明細書に記載されている。例えば、図３Ａは、固体酸化物電解質３０２（例えば、非多孔質酸化物層１０２または２０２）、燃料側電極３０４（陽極、例えば、第２の多孔質層１０４）、および空気側電極３０６（陰極、例えば、第１の多孔質層１１２または２０４）を有するＳＯＣ層アセンブリ３０８を使用するＳＯＦＣシステム３００を示す。ＳＯＦＣシステム３００は、例えば、システム３００の動作を制御するために、外部回路３２２（例えば、負荷）およびコントローラ３２４を有することができる。いくつかの実施形態では、ＳＯＦＣシステム３００は、燃料貯蔵部３２６を含むことができ、そこから燃料を分配して電気を生成することができる。
【0046】
空気または酸素含有ガスの入力流は、空気側マニホールド３１６の第１のポート３１８を介して空気側電極３０６に流れることができる。いくつかの実施形態では第１のポート３１８に供給される入力流は、２０～１００％（モル分率）の範囲の酸素濃度を有することができる。空気が電極３０６を通過するとき、入力流中の酸素原子は、電極３０６内で還元されて、電解質３０２の第２の側３０２ｂに向かって流れる酸素イオンを生成することができる。酸素イオンは、電解質３０２を通って、電解質３０２の第１の側３０２ａの電極３０４内に移動する。任意の未使用ガスは、第２のポート３２０を介してマニホールド３１６から出ることができる。
【0047】
燃料は、燃料側マニホールド３１０の第１のポート３１２を介して燃料側電極３０４に流れることができる。いくつかの実施形態では、第１のポート３１２に供給される燃料は、Ｈ２、ＣＯ、ＮＨ３、メタンから誘導される炭化水素ガス、高級炭化水素（ガソリン、ディーゼル、バイオガスなどであるが、これらに限定されない）、またはこれらの任意の組合せを含むことができる。酸素イオンは、電極３０４で燃料と反応して燃料を酸化し、燃料側電極３０４から電子回路３２２に流れ、空気側電極３０６に戻る電子を生成することができる。酸化生成物（例えば、水、二酸化炭素など）および／または未使用燃料は、第２のポート３１４を介してマニホールド３１０から出ることができる。
【0048】
代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、図２Ａ～図２ＢのＳＯＣ２００は、固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）として動作させることができる。例えば、図３Ｂは、固体酸化物電解質３０２（例えば、非多孔質酸化物層２０２）と、燃料側電極３０４（陰極、例えば、第２の多孔質層１０４）と、空気側電極３０６（陽極、例えば、第１の多孔質層２０４）とを有するＳＯＣ層アセンブリ３０８を使用するＳＯＥＣシステム３３０を示す。ＳＯＥＣシステム３００は、例えば、システム３３０の動作を制御するために、外部回路３２２（例えば、電源）およびコントローラ３２４を有することができる。いくつかの実施形態では、ＳＯＦＣシステム３３０は、生成された燃料を貯蔵することができる燃料貯蔵部３２６を含むことができる。
【0049】
反応物（例えば、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２）は、燃料側マニホールド３１０の第２のポート３１４を介して燃料側極３０４に流れることができる。外部回路３２２からの電子を使用して、電極３０４内の反応物を還元し、それによって、電解質３０２の第１の側面３０２ａに向かって流れる酸素イオンならびに燃料（例えば、Ｈ２、ＣＯなど）を生成することができる。反応生成物および任意の使用される反応物は、後の使用のために、マニホールド３１０の第１のポート３１２を介して燃料貯蔵部３２６に導くことができる。一方、酸素イオンは、電解質３０２を通って第２の側３０２ｂの電極３０６に移動することができ、そこで酸素分子に変換され、そこで、第１のポート３１８を通って流れる空気を介してマニホールド３１６から排出されることができる。
【0050】
代替的にまたは追加的に、いくつかの実施形態では、ＳＯＣは、可逆的に動作することができ、例えば、（例えば、燃料から電気を生成するために）第１の動作モードでＳＯＦＣ３００として動作し、（例えば、回路３２２の）極性を逆転させて、（例えば、燃料にエネルギーを貯蔵するために）第２の動作モードでＳＯＥＣ３３０として動作する。
【0051】
個体酸化物電池の作製
図４は、ＳＯＣ、例えば、図１Ａ～図１ＢのＳＯＣ１１０または図２Ａ～図２ＢのＳＯＣ２００を製造するための例示的な方法４００を示す。方法４００は、処理工程４０２で開始することができ、１つ以上の第１の前駆体は、１つ以上の第２の多孔質層（例えば、図１Ａまたは図２Ａの層１０４ａおよび／または１０４ｂなどの燃料側多孔質層）を形成するために提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４０２の提供は、テープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第１の前駆体は、処理工程４０６における焼結時に第２の多孔質層のための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、処理工程４０２の提供は、第１のスラリー中で酸化ニッケルとＧＤＣとを混合し、次いでテープキャスティングして第１の前駆体層を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の前駆体は、孔形成剤、例えば、０～１５重量％（両端値を含む）の負荷でＰＭＭＡ粒子（例えば、～１．５μｍの直径を有する）を含むことができる。例えば、処理工程４０２の提供は、テープキャスティングの前に孔形成剤を第１のスラリーに混合することを含むことができる。
図４は、ＳＯＣ、例えば、図１Ａ～図１ＢのＳＯＣ１１０または図２Ａ～図２ＢのＳＯＣ２００を製造するための例示的な方法４００を示す。方法４００は、処理工程４０２で開始することができ、１つ以上の第１の前駆体は、１つ以上の第２の多孔質層（例えば、図１Ａまたは図２Ａの層１０４ａおよび／または１０４ｂなどの燃料側多孔質層）を形成するために提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４０２の提供は、テープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第１の前駆体は、処理工程４０６における焼結時に第２の多孔質層のための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、処理工程４０２の提供は、第１のスラリー中で酸化ニッケルとＧＤＣとを混合し、次いでテープキャスティングして第１の前駆体層を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の前駆体は、孔形成剤、例えば、０～１５重量％（両端値を含む）の負荷でＰＭＭＡ粒子（例えば、～１．５μｍの直径を有する）を含むことができる。例えば、処理工程４０２の提供は、テープキャスティングの前に孔形成剤を第１のスラリーに混合することを含むことができる。
【0052】
方法４００は、処理工程４０４に進むことができ、ここで、非多孔質酸化物層（例えば、図１Ａの層１０２または図２Ａの層２０２）を形成するために、１つ以上の第２の前駆体が提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４０４の提供は、テープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第２の前駆体は、処理工程４０６における焼結時に非多孔質酸化物層のための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、処理工程４０４の提供は、ＧＤＣを第２のスラリーに混合し、次いでテープキャスティングして第２の前駆体層を形成することを含むことができる。非多孔質酸化物層は、緻密層を形成するため、第２スラリー中に孔形成剤は、提供されない。１つ以上の第２の前駆体は、例えば、ホットロール積層によって、先に形成された第１の前駆体層上またはその上に直接提供することができる。
【0053】
方法４００は、処理工程４０６に進むことができ、ここで、第１および第２の前駆体は、高温（例えば、閾値Ｔ１を超える）で焼結されて、１つ以上の第２の多孔質層および非多孔質酸化物層をそれぞれ形成する。いくつかの実施形態において、閾値Ｔ１は、約１０００℃である。例えば、工程４０６の焼結は、約１４５０℃で実施することができる。いくつかの実施形態では、処理工程４０６の焼結は、少なくとも１時間、例えば、約４時間であり得る。
【0054】
方法４００は、決定工程４０８に進むことができ、ここで、ＳＯＣがＰＦＬを含むべきかどうかが決定される。ＰＦＬが望まれない場合、方法４００は、処理工程４１０に進むことができ、１つ以上の第１の多孔質層（例えば、図１Ａの層１０６）を形成するために、１つ以上の第３の前駆体は、提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４１０の提供がテープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第３の前駆体は、処理工程４１２における焼結時に第１の多孔質層のための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、処理工程４１０の提供は、ランタニド添加剤（例えば、０．５～５重量％の酸化プラセオジムおよび／または０．５～５重量％の酸化サマリウム）を含むかまたは含まないセリア（例えば、ＧＤＣ）をインクに混合し、次いでテープキャスティングまたはブレードコーティングを行って第３の前駆体層を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第３の前駆体は、孔形成剤、例えば、０～１５重量％（例えば、～５重量％のＰＭＭＡ）の負荷でＰＭＭＡ粒子（例えば、～１．５μｍの直径を有する）を含むことができる。例えば、処理工程４１０の提供は、テープキャスティングの前に、孔形成剤をインク中に混合することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第３の前駆体は、先に形成された非多孔質酸化物層上またはその上に直接提供することができる。
【0055】
方法４００は、処理工程４１２に進むことができ、１つ以上の第３の前駆体は、１つ以上の第１の多孔質層を形成するために、低温（例えば、閾値Ｔ１未満）で焼結することができる。いくつかの実施形態において、閾値Ｔ１は、約１０００℃である。例えば、工程４１２の焼結は、約９５０℃で実施することができる。いくつかの実施形態では、処理工程４１２の焼結は、少なくとも１時間、例えば、約２時間であり得る。いくつかの実施形態では、処理工程４１２の焼結は、低温中間バーンアウト（例えば、３０分間４００℃）を含むことができ、これにより、ＰＭＭＡおよび結合剤をバーンアウトする。
【0056】
方法４００は、処理工程４１４に進むことができ、ここで、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、１つ以上の電極触媒（例えば、図１Ａの電極触媒１０８）で浸透され、次いで、さらに低い温度（例えば、閾値Ｔ１未満である閾値Ｔ２未満）で焼結され得る。１つ以上の電極触媒は、電極触媒のための上述の材料のいずれかを含んでもよい。いくつかの実施形態では、浸透は、真空浸透の１つ以上のサイクルを含むことができる。例えば、溶液（例えば、硝酸塩溶液）中の電極触媒は、第１の多孔質層の露出した表面上に配置され、層の細孔への溶液の浸透を促進するために真空に供され得る。これは、溶媒を蒸発および／または燃焼させるために焼成する前に、追加の溶液を用いて１回または複数回繰り返すことができる。例えば、焼成は、６５０℃未満、例えば～４５０℃で３０分間行うことができる。いくつかの実施形態では、浸透サイクルは、少なくとも２回の溶液適用および真空反復、その後の加熱を含むことができる。いくつかの実施形態では、浸透サイクルは、所望の電極触媒負荷を達成するために１回以上実施することができる。
【0057】
ＰＦＬがＳＯＣに含まれるべきであると決定された場合、方法４００は、決定工程４０８から処理工程４１６に進むことができ、ここで、ＰＦＬ（例えば、図２Ａの層２０６）を形成するために、１つ以上の第３の前駆体が提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４１６の提供は、テープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第３の前駆体は、処理工程４２０における焼結時にＰＦＬのための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、処理工程４１６の提供は、ランタニド添加剤（例えば、０．５～５重量％の酸化プラセオジムおよび／または０．５～５重量％の酸化サマリウム）を含むかまたは含まないセリア（例えば、ＧＤＣ）をインクに混合し、次いでテープキャスティングまたはブレードコーティングを行って第３の前駆体層を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第３の前駆体は、孔形成剤、例えば、０～１５重量％（例えば、～５重量％のＰＭＭＡ）の負荷でＰＭＭＡ粒子（例えば、～１．５μｍの直径を有する）を含むことができる。例えば、処理工程４１６の提供は、テープキャスティングの前に、孔形成剤をインク中に混合することを含むことができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の第３の前駆体は、先に形成された非多孔質酸化物層上またはその上に直接提供することができる。
【0058】
方法４００は、処理工程４１８に進むことができ、１つ以上の第１の多孔質層（例えば、図２Ａの層２０４などの空気側多孔質層）を形成するために、１つ以上の第４の前駆体が提供される。いくつかの実施形態では、処理工程４１８の提供は、テープキャスティング、ブレードコーティング、ラミネート、スクリーン印刷、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。１つ以上の第４の前駆体は、処理工程４２０における焼結時に第１の多孔質層のための上述の材料のいずれかを形成することができる前駆体を含むことができる。例えば、第１の多孔質層は、複合電極であってもよく、処理工程４１８の提供は、２つの異なるセリア（例えば、ＳＳＣおよびＧＤＣ）をインクに混合し、次いで、第４の前駆体層として、先に形成された第３の前駆体層上またはその上に直接スクリーン印刷することを含むことができる。あるいはいくつかの実施形態では、第１の多孔質層は、浸透電極であってもよく、その場合、電気触媒浸透（例えば、処理工程４１４と同様）は、処理工程４２０の焼結後に実施することができる。
【0059】
方法４００は、処理工程４２０に進むことができ、ここで、第３および第４の前駆体は、ＰＦＬおよび１つ以上の第１の多孔質層をそれぞれ形成するために、低温（例えば、閾値Ｔ１未満）で焼結される。いくつかの実施形態において、閾値Ｔ１は、約１０００℃である。例えば、工程４２０の焼結は、約９５０℃で実施することができる。いくつかの実施形態では、処理工程４２０の焼結は、少なくとも１時間、例えば、約２時間であり得る。
【0060】
方法４００の工程４０２～４２０は、１回実行されるものとして説明されたが、いくつかの実施形態では、特定の処理工程の複数の繰り返しが、次の決定工程または処理工程に進む前に使用され得る。加えて、方法４００の工程４０２～４２０が別々に図示され、説明されているが、いくつかの実施形態では、処理工程は、一緒に（同時に、または連続して）組み合わされ、実行され得る。さらに、図４は、工程４０２～４２０の特定の順序を示すが、開示される主題の実施形態は、それに限定されない。実際、特定の実施形態では、工程が図示されたものとは異なる順序で、または他の工程と同時に生じてもよい。いくつかの実施形態では、方法４００は、図４の工程４０２～４２０のうちのいくつかのみを備え得る。
【0061】
コンピュータの実装
図３Ｃは、例えば、ＳＯＣコントローラ３２４または製造方法４００の態様など、説明されるイノベーションが実装され得る、適切なコンピューティング環境３３１の一般化された例を示すものであるが、これらに限定されるものではない。コンピューティング環境３３１は、様々な汎用または専用コンピューティングシステムにおいて革新が実装され得るので、使用または機能性の範囲に関していかなる限定も示唆することを意図していない。例えば、コンピューティング環境３３１は、様々なコンピューティングデバイス（例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバコンピュータ、タブレットコンピュータなど）のいずれかであり得る。
図３Ｃは、例えば、ＳＯＣコントローラ３２４または製造方法４００の態様など、説明されるイノベーションが実装され得る、適切なコンピューティング環境３３１の一般化された例を示すものであるが、これらに限定されるものではない。コンピューティング環境３３１は、様々な汎用または専用コンピューティングシステムにおいて革新が実装され得るので、使用または機能性の範囲に関していかなる限定も示唆することを意図していない。例えば、コンピューティング環境３３１は、様々なコンピューティングデバイス（例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバコンピュータ、タブレットコンピュータなど）のいずれかであり得る。
【0062】
図３Ｃを参照すると、コンピューティング環境３３１は、１つ以上の処理ユニット３３５、３３７と、メモリ３３９、３４１とを含む。図３Ｃでは、この基本構成３５１が破線内に含まれる。処理ユニット３３５、３３７は、コンピュータ実行可能命令を実行する。処理ユニットは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）内のプロセッサ、または任意の他のタイプのプロセッサ（例えば、ハードウェアプロセッサ、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、仮想プロセッサなど）であり得る。マルチ処理システムでは、複数の処理ユニットは、コンピュータ実行可能命令を実行して、処理能力を増大させる。例えば、図３Ｃは、中央処理ユニット３３５と、グラフィック処理ユニットまたはコプロセッシングユニット３３７とを示す。有形メモリ３３９、３４１は、揮発性メモリ（例えば、レジスタ、キャッシュ、ＲＡＭ）、不揮発性メモリ（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）、または処理ユニットによってアクセス可能な２つの何らかの組合せであり得る。メモリ３３９、３４１は、処理ユニット（複数可）による実行に適したコンピュータ実行可能命令の形態で、本明細書で説明する１つ以上のイノベーションを実装するソフトウェア３３３を記憶する。
【0063】
コンピューティングシステムは、追加の特徴を有することができる。例えば、コンピューティング環境３３１は、記憶装置３６１、１つ以上の入力デバイス３７１、１つ以上の出力デバイス３８１、および１つ以上の通信接続３９１を含む。バス、コントローラ、またはネットワークなどの相互接続機構（図示せず）が、コンピューティング環境３３１の構成要素を相互接続する。典型的には、オペレーティングシステムソフトウェア（図示せず）がコンピューティング環境３３１において実行する他のソフトウェアのためのオペレーティング環境を提供し、コンピューティング環境３３１の構成要素のアクティビティを調整する。
【0064】
有形記憶装置３６１は、取り外し可能または取り外し不可能であってもよく、磁気ディスク、磁気テープまたはカセット、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、または非一時的な方法で情報を記憶するために使用することができ、コンピューティング環境３３１内でアクセスすることができる任意の他の媒体を含む。記憶装置３６１は、本明細書で説明する１つ以上のイノベーションを実装するソフトウェア３３３のための命令を記憶することができる。
【0065】
（１つ以上の）入力デバイス３７１は、キーボード、マウス、ペン、またはトラックボールなどのタッチ入力デバイス、音声入力デバイス、走査デバイス、またはコンピューティング環境３３１に入力を与える別のデバイスであり得る。出力デバイス３７１は、ディスプレイ、プリンタ、スピーカ、ＣＤライタ、またはコンピューティング環境３３１からの出力を提供する別のデバイスとすることができる。
【0066】
通信接続３９１は、通信媒体を介して別のコンピューティングエンティティへの通信を可能にする。通信媒体は、コンピュータ実行可能命令、オーディオもしくはビデオ入力もしくは出力、または変調データ信号内の他のデータなどの情報を伝達する。変調データ信号は、信号内の情報を符号化するように、その特性のうちの１つ以上が設定または変更された信号である。限定ではなく例として、通信媒体は、電気、光、無線周波数（ＲＦ）、または別のキャリアを使用することができる。
【0067】
開示された方法のいずれも、１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体（例えば、１つ以上の光媒体ディスク、揮発性メモリ構成要素（ＤＲＡＭまたはＳＲＡＭなど）、または不揮発性メモリ構成要素（フラッシュメモリまたはハードドライブなど））上に記憶され、コンピュータ（例えば、コンピューティングハードウェアを含むスマートフォンまたは他のモバイルデバイスを含む任意の市販のコンピュータ）上で実行されるコンピュータ実行可能命令として実装され得る。コンピュータ可読記憶媒体という用語は、信号および搬送波などの通信接続を含まない。開示された技術を実施するための任意のコンピュータ実行可能命令、ならびに開示された実施形態の実施中に作成され、使用される任意のデータは、１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体に記憶され得る。コンピュータ実行可能命令は、例えば、ウェブブラウザまたは他のソフトウェアアプリケーション（リモートコンピューティングアプリケーションなど）を介してアクセスまたはダウンロードされる専用ソフトウェアアプリケーションまたはソフトウェアアプリケーションの一部であり得る。そのようなソフトウェアは例えば、単一のローカルコンピュータ（例えば、任意の適切な市販のコンピュータ）上で、または１つ以上のネットワークコンピュータを使用してネットワーク環境（例えば、インターネット、ワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、クライアントサーバネットワーク（クラウドコンピューティングネットワークなど）、または任意の他のそのようなネットワークを介して）で実行され得る。
【0068】
明確にするために、ソフトウェアベースの実装形態のいくつかの選択された態様のみが説明される。当技術分野で周知の他の詳細は省略する。例えば、開示される技術は、任意の特定のコンピュータ言語またはプログラムに限定されないことを理解されたい。例えば、開示されたテクノロジーの態様は、Ｃ＋＋、ＪａｖａＴＭ、Ｐｙｔｈｏｎ（登録商標）、および／または任意の他の好適なコンピュータ言語で書かれたソフトウェアによって実装することができる。同様に、開示される技術は、任意の特定のコンピュータまたはハードウェアのタイプに限定されない。適切なコンピュータおよびハードウェアの特定の詳細は、周知であり、本開示で詳細に説明する必要はない。
【0069】
本明細書で説明される任意の機能は、ソフトウェアの代わりに、少なくとも部分的に、１つ以上のハードウェア論理構成要素によって実行され得ることもまた、十分に理解されるべきである。例えば、限定ではなく、使用することができる例示的なタイプのハードウェア論理構成要素は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム固有集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム固有標準製品（ＡＳＳＰ）、システムオンチップシステム（ＳＯＣ）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ）などを含む。
【0070】
さらに、ソフトウェアベースの実施形態のいずれか（例えば、コンピュータに開示された方法のいずれかを実行させるためのコンピュータ実行可能命令を含む）は、適切な通信手段を介してアップロード、ダウンロード、または遠隔アクセスすることができる。そのような好適な通信手段は、例えば、インターネット、ワールドワイドウェブ、イントラネット、ソフトウェアアプリケーション、ケーブル（光ファイバーケーブルを含む）、磁気通信、電磁気通信（高周波、マイクロ波、および赤外線通信を含む）、電子通信、または他のそのような通信手段を含む。上記の例および実施形態のいずれにおいても、システム、構成要素、デバイスなどの間の要求（例えば、データ要求）、指示（例えば、データ信号）、命令（例えば、制御信号）、または任意の他の通信の提供は、有線接続またはワイヤレス接続による適切な電気信号の生成および送信によるものであり得る。
【0071】
作製例と実験結果
空気側電極としての電極触媒浸透多孔質層
ＧＤＣ粉末を１．５ｍｍの厚さにプレスする一軸プレスを用いて、対称電池固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を作製した。ボタン電池ＳＯＦＣは、テープキャスティングされた陽極支持体、陽極機能性材料、および電解質材料をホットロール積層によって積層し、その後打ち抜きおよび焼結することによって製造された。陽極支持層（ＡＳＬ）は、６０重量％ＮｉＯおよび４０重量％ＧＤＣを、多孔性のために混合する前にスラリーに添加された３重量％ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）と混合することによって製造された。陽極機能層（ＡＦＬ）は、４８重量％のＮｉＯを５２重量％のＧＤＣと混合することによって作製した。電解質緻密テープは、同様の方法を用いて作製した。単一の高温（例えば、＞１０００℃）処理を用いて、ロールロール加工によって製造されたハーフ電池、例えば、Ｎｉ－ＧＤＣ上に担持された高密度ＧＤＣを焼結した。
空気側電極としての電極触媒浸透多孔質層
ＧＤＣ粉末を１．５ｍｍの厚さにプレスする一軸プレスを用いて、対称電池固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を作製した。ボタン電池ＳＯＦＣは、テープキャスティングされた陽極支持体、陽極機能性材料、および電解質材料をホットロール積層によって積層し、その後打ち抜きおよび焼結することによって製造された。陽極支持層（ＡＳＬ）は、６０重量％ＮｉＯおよび４０重量％ＧＤＣを、多孔性のために混合する前にスラリーに添加された３重量％ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）と混合することによって製造された。陽極機能層（ＡＦＬ）は、４８重量％のＮｉＯを５２重量％のＧＤＣと混合することによって作製した。電解質緻密テープは、同様の方法を用いて作製した。単一の高温（例えば、＞１０００℃）処理を用いて、ロールロール加工によって製造されたハーフ電池、例えば、Ｎｉ－ＧＤＣ上に担持された高密度ＧＤＣを焼結した。
【0072】
次いで、Ｐｒ／Ｓｍ－ランタニド変性ＧＤＣ足場を（例えば、テープキャスティングおよびブレードコーティングを介して）製造し、１０００℃未満で焼結した。特に、足場インキは、Ｐｒ６Ｏ１１、Ｓｍ２Ｏ３、およびＧＤＣ粉末を、前駆物質粉末のそれぞれの重量％で混合することによって作製された（例えば、５Ｐｒ－ＧＤＣは、５重量％のＰｒ６Ｏ１１－９５重量％のＧＤＣなど）。次いで、混合組成物をエタノール中で一晩ボールミル粉砕した。続いて、組成物をＥＳＬ４４１インクビヒクル（ＥｌｅｃｔｒｏＳｃｉｅｎｃｅ社によって販売されているテキサノールベースの組成物）と混合し、インクビヒクル対電力の比が１：１（重量で）に達するまで、遊星遠心ミキサー中で混合物と混合し、全てのエタノールを蒸発させた。ＰＭＭＡを有するインクについては、Ｃｈｅｍｉｓｎｏｗ（登録商標）ＭＸ－１５０ＰＭＭＡ（Ｓｏｋｅｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社によって販売されている）を、ボールミル粉砕の前に混合物に重量％で添加した。インクは、ＰＭＭＡおよびバインダーを焼き切るために、中間の焼き切れ工程（例えば、４００℃で３０分間）を用いて、９５０℃で２時間、対称電池または全電池のいずれかで焼結された。
【0073】
次いで、電極触媒を足場内に堆積させ、６５０℃未満で処理して、完全な電池を得た。例えば、ＰＳＣ多相電気触媒は、Ｐｒ－Ｓｒ－Ｃｏ硝酸塩を金属カチオンによって（１－１－２）モル比で溶解することによって合成された。Ｐｒ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３－δが標的相であった。ＰｒＣｏＯ３、Ｐｒ０．５Ｓｍ０．５ＣｏＯ３－δ、およびＳｒ０．５Ｓｍ０．５ＣｏＯ３－δの浸透物も同様の方法で製造した。浸透液混合物のｐＨは、硝酸塩溶液に水酸化アンモニウムを加えて最終ｐＨを約７にすることによってバランスをとった。加えて、３重量％の非イオン性界面活性剤（例えば、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ社によって販売されているＴｒｉｔｏｎ Ｘ１００）をＮＯ３と組み合わせ、その組合せを界面活性剤として添加して、細孔濡れ性を増大させた。図５Ａ～５Ｃに示される結果は、ｐＨバランスがとれておらず、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ１００を含まない溶液を使用して得られたことに留意されたい。細胞を２μＬ／０．３１ｃｍ２で浸潤させ、その後、約１５分間減圧乾燥して孔の濡れ性を高めた。この浸潤を、足場あたり全部で６μＬ／０．３１ｃｍの浸潤物２について１周期あたり２回繰り返した。次いで、細胞を低温（例えば、４５０℃で３０分間）で焼成して硝酸塩を蒸発させ、所望の負荷を満たすように浸透を繰り返した。なお、１回の浸透サイクルは、炉内での１回の低温焼成に相当する。
【0074】
ＧＤＣ足場上でのＰＳＣ混合物の対称細胞試験の結果を図５Ａ～５Ｃに示す。浸透したＰＳＣ粒子のその場高温相解析は、少なくとも６５０℃まで安定なＰｒＯ２－δ、Ｃｏ３Ｏ４とＳｒＣｏＯ３－δを含む多相陰極の生成を示唆する。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、高度なナノ構造化形態に関連するこれらの複数の相の共存は、高い電気化学的性能および低いＡＳＲに寄与すると考えられる。図５Ａの５５０℃におけるナイキストプロットに示されるように、陰極としてのＧＤＣ足場の足場焼成温度９５０℃は、０．２５Ωｃｍ２のＡＳＲを生じ、これは、より高い温度で焼成された足場よりも５０～７５％の低下を表す。足場焼結温度効果を図５Ｂにまとめ、これは、９５０℃で最も低いＡＳＲを有する逆火山挙動を示す。９５０℃以下では、低焼結は、より高いＡＳＲをもたらし、９５０℃以上では、足場の緻密化は、三相境界長を減少させることができた。しかしながら、他の足場構成は、９５０℃以外の焼結温度で最低限のＡＳＲを達成することができる。図５Ｃは、緩和時間（ＤＲＴ）解析の配分を示し、主要なピークは、Ｐ１－Ｐ３と標識されている。Ｐ１およびＰ２（τ≒１０－３ｓ）は、典型的には、界面電荷移動に起因し、わずかに増大する。対照的に、表面交換反応に起因するＰ３は、従来のＳＳＣ－ＧＤＣ陰極と比較して、９８％のエネルギー損失低減を示した。
【0075】
図５Ａ～５Ｃの例は、単純なＧＤＣ足場のためのものであるが、図６Ａ～６Ｄは、足場へのさらなるランタニド付加（例えば、Ｐｒおよび／またはＳｍ）の効果を実証する。異なるＰＳＣ負荷（例えば、浸潤サイクルの数）を有する異なるセリア系足場を、完全な細胞に組み込んだ。これらの全電池の５５０℃における電流－電圧（ｉＶ）およびＥＩＳを、それぞれ図６Ａ～６Ｂに示す。純粋なＧＤＣ足場では、分極抵抗は、わずか０．２５Ωｃｍ２であったが、陰極の低電子伝導率は、１．２５Ωｃｍ２の高抵抗をもたらし、それによってピークパワー密度（ＰＰＤ）をわずか１７５ｍＷ／ｃｍに制限した。２０μｍの高密度ＧＤＣ電解質は、典型的には、５５０℃で約～０．２Ωｃｍ２に寄与するので、足場からの見かけのオーム損は、実質的に約～１Ωｃｍである。
【0076】
しかしながら、図６Ｃに示されるように、Ｐｒおよび／またはＳｍを添加してＧＤＣ足場を改変することによって、オーム損失を劇的に減少させることができ、全電池のＰＰＤを改善することができる。特に、Ｐｒ／Ｓｍ負荷が増加することにつれて、全電池（２０μｍのＧＤＣ電解質を有する）のオームＡＳＲは、減少し、足場の電子伝導性が増加することを示唆する。０．５重量％Ｐｒ６Ｏ１１を足場（０．５Ｐｒ－ＧＤＣ）に加えると、オームＡＳＲは、１．２５Ωｃｍ２から１．１Ωｃｍ２に低下した。５重量％Ｐｒ６Ｏ１１（５Ｐｒ－ＧＤＣ）を加えると、オームＡＳＲは、さらに０．５Ωｃｍ２に低下した。３サイクル浸潤ＰＳＣ電池を比較すると、５重量％Ｐｒ６Ｏ１１（５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ）に加えて５重量％Ｓｍ２Ｏ３を添加すると、オームＡＳＲは、５５０℃で０．３から０．２４Ωｃｍ２に低下した。５Ｐｒ－ＧＤＣ電池は、この制御実験で５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ電池と比較してわずかに高いピーク電力密度を有するが、５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣは、電池性能に最も低いオーム損失に寄与した。これらの結果は、ＧＤＣ足場へのランタニド添加が導電性を改善し、より低いオームＡＳＲおよびより高い性能につながることを示唆する。
【0077】
電極触媒負荷の効果を図６Ｄにまとめ、１サイクルは、約１～２ｍｇの浸透酸化物である。ＰＳＣ負荷が増加することにつれて、電極ＡＳＲは、活性サイトの数の増加に起因して減少する。さらに、浸透負荷の増加（１サイクル対３サイクル）に伴い、オームＡＳＲは、０．５Ωｃｍ２から０．２５Ωｃｍ２に低下した。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、増加した負荷に応答したオームＡＳＲの減少は、（１）導電性電気触媒の増加した接続性、および／または（２）合成および／または試験中の足場への浸透物のドーピングによるものであり得る。オームＡＳＲの低下は、１回の浸透サイクル負荷での０．２２Ｗ／ｃｍ２から、３回の浸透サイクル負荷での５５０℃での０．５Ｗ／ｃｍ２へのＰＰＤの上昇を助ける。３回を超える浸透サイクルでは、ＰＳＣは、凝集し始めることができる。
【0078】
ＰＳＣ浸潤５Ｐｒ－５Ｓｍ－９０ＧＤＣ足場は、図１０Ａ～１０Ｆに示されるように、電極微細構造を調整することによってさらに改善され、最適化された電池の高性能結果は、図７Ａ～７Ｆに示される。特に、足場の多孔性は、表面積を増加させて、より高い電極触媒負荷を可能にし、物質移動の制限を解決することができる。その結果、図７Ａに示すように、２０μｍ電解質電池は、５５０℃で０．８５Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤを示し、１０μｍ電解質電池は、５５０℃で１Ｗ／ｃｍ２、５００℃で０．６Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤを達成した。図７Ｂは、分極インピーダンスがわずか～０．０７Ωｃｍ２であったことを示す。オーム部分は、両方の電池、例えば、それぞれ２０μｍおよび１０μｍ構成で０．１５Ωｃｍ２および０．０９Ωｃｍ２の主要なロスであると考えられた。
【0079】
老化した２０μｍ電解質電池の微細構造を図７Ｃに見ることができる。図７Ｄによって示唆されるように、ＰＳＣ電極触媒は、高い活性および耐久性を示し、それらのナノスケール状態は、５５０℃で５００時間後に保存される。これは、浸透物焼成温度に起因し得る。具体的には、ＰＳＣナノ粒子が６５０℃以下の耐熱性を有するのみであった。浸透の従来の試みは、はるかに高い温度（例えば、８００℃を超える）を利用してきた。例えば、８００～１３００℃の高温で合成されたＬＳＣＦ－ＳＤＣ足場上のＰｒ０．４Ｓｒ０．６ＣｏＯ３－δは、７５０℃で０．１５Ωｃｍ２の陰極ＡＳＲを生成した。対照的に、本実施例の多相ＰｒＯｘ、ＣｏＯｘおよびＳｒＣｏＯ３－δは、５５０℃で０．２５Ωｃｍ２の低ＡＳＲを高耐久性で達成する。--
図７Ｅ～７Ｆにおける２０μｍ電解質電池のエージング結果は、ＰＰＤ低下の大部分が最初の５０時間で起こることを示す。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ＰＰＤの低下は、ＰＳＣナノ粒子のわずかな粗大化に起因すると考えられる。図７Ｃ～７Ｄに示すように、ＰＳＣ粒子のサイズは、５００時間後に、最初は、～２０ｎｍから～１００～２００ｎｍに成長した。これは、図７Ｅによってさらに支持され、合計電極ＡＳＲ０．０７Ωｃｍ２（ｔ＝０時間）から０．１１Ωｃｍ２（ｔ＝５０時間）に増加し、その後、試験期間（ｔ＝５００時間）安定化した。オームＡＳＲは、同様の傾向を示したが、これは、粒子の凝集による電子的接続の損失に起因する可能性がある。１つの一次電子伝導経路は、表面上に接続されたＰＳＣ浸潤粒子を通ることに留意されたい。それにもかかわらず、長期定電流試験は、とりわけ最初の５０時間後に、５００時間の長時間試験にわたって２００ｍＡ／ｃｍ２で非常にわずかな劣化しか示さない。
図７Ｅ～７Ｆにおける２０μｍ電解質電池のエージング結果は、ＰＰＤ低下の大部分が最初の５０時間で起こることを示す。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ＰＰＤの低下は、ＰＳＣナノ粒子のわずかな粗大化に起因すると考えられる。図７Ｃ～７Ｄに示すように、ＰＳＣ粒子のサイズは、５００時間後に、最初は、～２０ｎｍから～１００～２００ｎｍに成長した。これは、図７Ｅによってさらに支持され、合計電極ＡＳＲ０．０７Ωｃｍ２（ｔ＝０時間）から０．１１Ωｃｍ２（ｔ＝５０時間）に増加し、その後、試験期間（ｔ＝５００時間）安定化した。オームＡＳＲは、同様の傾向を示したが、これは、粒子の凝集による電子的接続の損失に起因する可能性がある。１つの一次電子伝導経路は、表面上に接続されたＰＳＣ浸潤粒子を通ることに留意されたい。それにもかかわらず、長期定電流試験は、とりわけ最初の５０時間後に、５００時間の長時間試験にわたって２００ｍＡ／ｃｍ２で非常にわずかな劣化しか示さない。
【0080】
提案された電極設計の全電位を理解するために、加圧動作をシミュレートするために、純酸素に曝露された陰極（ｐＯ２＝１ａｔｍ）を用いて全電池を試験し、その結果を図８Ａ～８Ｄに示す。高導電性ＧＤＣ電解質と組み合わせて、ＭＩＥＣ足場上に分散された極めて活性なナノ触媒は、燃料電池のための非常に高い性能をもたらす。図８ＡのＥＩＳ掃引は、全電池が６５０℃でわずか０．０３１Ωｃｍの２の全インピーダンスを有することを示す。エネルギー損失の大部分（例えば、９１．３％）は、オーム抵抗に起因する可能性があり、これは、酸素還元反応（ＯＲＲ）過電圧が電池の性能を制限しないことを意味する。さらに、非オームインピーダンスは、図８Ｂに示されるように、５００℃を超えるオーム抵抗よりも著しく低いＡＳＲをもたらす。電解質の厚さを減少させることによって、システム性能をさらに改善することができる。それにもかかわらず、極端に低い全ＡＳＲは、図８Ｃに示されるように、電池が、６５０℃で４．０１Ｗ／ｃｍ２、５５０℃で１．８７Ｗ／ｃｍ２、および４５０℃で０．４８Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤを示すことを可能にする。さらに、図８Ｄの定電位（０．７５Ｖ）エージングは、１００時間後に～０．８６Ｗ／ｃｍ２の定電力への安定化と同様に、一定の開路電圧（ＯＣＶ）を示す。
【0081】
上記の実施例は、陰極のためにＰｒ－Ｓｒ－Ｃｏ浸透物を使用するが、ＳｒおよびＣｏの存在は、それぞれ、安定性およびサプライチェーンの問題に悩まされ得る。しかしながら、他の材料を、同様の効果のために、電極触媒浸透物として使用することができる。例えば、Ｓｒは、他の大きな半径２／３＋要素で置換され（図９Ａ～９Ｂ）、Ｃｏは、他の小さな遷移金属で置換された（図９Ｃ～９Ｄ）。最新のＬＳＣＦ－ＧＤＣ陰極と比較して、図９Ａ～９Ｂは、１３種の組成物すべてが～５倍低いＡＳＲを示し、大部分が全温度範囲にわたって少なくとも１０倍の改善を提供することを示す。したがって、組成にかかわらず、この新規な低温陰極調製アプローチから生成されるナノ構造化は、このような低ＡＳＲを達成することができる。
【0082】
対称電池のＡＳＲを６００℃で～２００時間プロービングすることにより、Ｓｒ置換浸潤物の陰極安定性を評価した。図９Ｃに示されるように、全ての組成物のＡＳＲは、経時的に増加したが、Ｐｒ－Ｌａ－Ｃｏの分解速度の抑制は、～５０時間の老化後にＰＳＣとほぼ同一のＡＳＲをもたらした。対称電池のＡＳＲを６００℃で～２００時間プロービングすることにより、Ｃｏ置換浸潤物の陰極安定性も評価した。図９Ｄに示されるように、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＺｎを含有する浸透物は、２００時間にわたって無視できるほどのまたは負の劣化を示した。さらなる分析は、この傾向が１８００時間を超えて継続したことを示す。Ｃｏと比較して、３つの代替物（Ｆｅ、Ｎｉ、またはＺｎ）は、競争的に低いＡＳＲを提供し、より豊富であり、地政学的懸念がより少ない。
【0083】
空気側多孔質機能層
ドープされたセリア電解質は、それらの高いイオン伝導性および良好な材料適合性のために、最先端の低温固体酸化物電解質である。電解質全体のＣｅ４＋／３＋酸化還元状態の程度が異なっているため（電気化学的電位勾配のため）、電解質中の全電子伝導率は、厚さ、両側の気体環境、および気温によって直接的に影響を受ける。セリウムの還元は、陽極近傍領域に限定されるので、より厚いドープされたセリア層は、イオン移動数ｔＯ２－を増加させることができる。しかし、厚さの増加は、より高いオーム損失にも寄与し、低温での性能を阻害する。Ｖｔに対する測定ＯＣＶがｔＯ２－（ｔＯ２－＝ＯＣＶ／Ｖｔ）に直接的に関係するので、典型的な２０μｍ厚のＧＤＣ電解質は、５００℃で８０％のＶｔ（理論電位）しか有さない。
ドープされたセリア電解質は、それらの高いイオン伝導性および良好な材料適合性のために、最先端の低温固体酸化物電解質である。電解質全体のＣｅ４＋／３＋酸化還元状態の程度が異なっているため（電気化学的電位勾配のため）、電解質中の全電子伝導率は、厚さ、両側の気体環境、および気温によって直接的に影響を受ける。セリウムの還元は、陽極近傍領域に限定されるので、より厚いドープされたセリア層は、イオン移動数ｔＯ２－を増加させることができる。しかし、厚さの増加は、より高いオーム損失にも寄与し、低温での性能を阻害する。Ｖｔに対する測定ＯＣＶがｔＯ２－（ｔＯ２－＝ＯＣＶ／Ｖｔ）に直接的に関係するので、典型的な２０μｍ厚のＧＤＣ電解質は、５００℃で８０％のＶｔ（理論電位）しか有さない。
【0084】
低温（例えば、≦６５０℃）で薄いＧＤＣ電解質（例えば、２０μｍ以下）のためのｔＯ２－を増加させるために、電解質の空気側に多孔質機能層（ＰＦＬ）を設け、このセリア層の酸素分圧（ｐＯ２）への曝露を増加させた。加えて、ＰＦＬ中の真性電子電荷キャリア密度は、空気中のＰＦＬの気体－固体平衡のために著しく低い。さらに、ＰＦＬを活性ドーパント（例えば、Ｐｒ）で操作することによって、ＰＦＬ中の酸素輸送を促進することができ、細胞性能を著しく向上させる相乗効果をもたらす。結果として、そのような構造を組み込んだＳＯＣは、はるかに高いＯＣＶ、より低い面積比抵抗（ＡＳＲ）、より高い性能、および耐久性の増加を示すことができ、例えば、性能損失無しに２０００時間を超える電池動作を達成する。
【0085】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ボタン電池をテープキャスティングを用いて作製した。陽極支持層（ＡＳＬ）は、テープキャスティング法を用いて作製した。特に、６０重量％のＮｉＯと４０重量％のＧＤＣを組み合わせ、続いて３重量％のＰＭＭＡをスラリーに加えて所望の多孔度にした。陽極機能層（ＡＦＬ）は、また、４８重量％ＮｉＯおよび５２重量％ＧＤＣを用いてテープキャスティングによって作製した。２０μｍ、１５μｍ、および１０μｍの厚さを有するＧＤＣ電解質をテープキャスティングによって作製した。次いで、ＡＳＬ（厚さ～５００μｍ）、ＡＦＬ（厚さ～１５μｍ）、および電解質（厚さ２０μｍ、１５μｍ、または１０μｍ）を、ロールラミネーターを使用して一緒に積層し、続いて１４５０℃で４時間焼結して、ハーフ電池を形成した。ＳＳＣ－ＧＤＣ陰極インクは、ＳＳＣ、ＧＤＣ、およびＥＳＬ４４１インクビヒクル（ＥｌｅｃｔｒｏＳｃｉｅｎｃｅ社によって販売されているテキサノール系組成物）を使用して作製した。ＰＦＬ層は、陰極インキと同じ方法で、しかしＰｒ６Ｏ１１粉末およびＧＤＣを用いて作製した。次いで、スクリーン印刷法を用いて、ＰＦＬまたはＳＳＣ－ＧＤＣ陰極インクを、０．３１ｃｍの２活性領域陰極中のＮｉ－ＧＤＣ／ＧＤＣ半電池上に堆積させた。その後、陰極とＰＦＬを９５０℃で２時間同時焼成した。
【0086】
電解質支持電池をイオン移動数測定研究に使用し、テープキャストＧＤＣ支持体（２００～３００μｍ）を１４５０℃で４時間焼結した。陰極インクと同様の方法で作製したＮｉ－ＧＤＣ（４８％ＮｉＯ－５２％ＧＤＣ）インクを電池に塗布し、１２００℃で２時間焼結した。ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＰＦＬを電解質の反対側に適用し、９５０℃で２時間焼結した。対称電池を作るために、ＧＤＣ粉末をプレスして約１．５ｍｍ厚のペレットを作った。ＳＳＣ－ＧＤＣ複合陰極ペーストとＰＦＬ（形状に依存）を対称電池の両側に塗布し、９５０℃で２時間焼結した。ＳＳＣ－ＧＤＣ複合陰極の浸透のために、硝酸プラセオジムを最初に脱イオン水に溶解して１Ｍ硝酸プラセオジム溶液を作製し、次いで、１Ｍ硝酸プラセオジム溶液６μＬを使用して陰極を浸透させた。次に、浸透した陰極を１０分間真空下に置いた。細胞を真空下に置いた後、４５０℃の炉内で３０分間焼成し、硝酸塩前駆体を乾燥させた。
【0087】
Ｓｒ０．５Ｓｍ０．５ＣｏＯ３－δ-Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２－δのコンポジット陰極（ＳＳＣ－ＧＤＣ）および挿入されたＰＦＬ（例えば、ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＰＦＬ／ＧＤＣ／Ｎｉ－ＧＤＣ）を有する、図２Ｂの層構成を有するＳＯＦＣを作製した。図１１Ａに示されるように、作製された構造は、陰極、ＰＦＬ、緻密電解質層（ＤＥＬ）、および陽極のための別個の層を示す。ＰＦＬの多孔質微細構造は、図２ＢのＳＥＭ挿入図にも反映される。２つの電池を同じ合計ＧＤＣ厚で試験した。一方は、１０μｍＤＥＬ＋１０μｍＰＦＬで構成され、他方は、２０μｍＤＥＬで構成された。図１１Ｂの結果は、多孔質工学的微細構造の影響を強調する。特に、ＰＦＬは、電池に２つの性能向上、（１）開回路電圧（ＯＣＶ）の増加、および（２）インピーダンスの減少を提供する。例えば、ＰＦＬ層を設けることによって、ＯＣＶは、５００℃で０．９１Ｖから０．９８Ｖに、５５０℃で０．８８Ｖから０．９５Ｖに増加し、ＤＥＬのみの構成と比較して８％改善した。さらに、図１１Ｃ～１１ＤのＥＩＳに示されるように、１０μｍのＤＥＬをＰＦＬに置き換えることによって、オームＡＳＲは、５５０℃で０．２５Ωｃｍ２から０．１７Ωｃｍ２まで、および５００℃で０．４６Ωｃｍ２から０．３４Ωｃｍ２まで低下する。
【0088】
作製された実施例の両方において、合計ＧＤＣ厚さは、同じである（例えば、２０μｍ）。しかしながら、ＤＥＬと陰極との間にＰＦＬを使用する場合、その厚さの半分は、多孔質である。これは、多孔質構造におけるイオン輸送の狭窄に起因して、オームＡＳＲを増加させることが期待される。しかし、ＰＦＬの提供は、ＡＳＲの低下につながる。さらに、ＰＦＬ（５５０℃で０．１４Ωｃｍ２および５００℃で０．４７Ωｃｍ２）による非オーム分極は、ＤＥＬ単独（５５０℃で０．５５Ωｃｍ２および５００℃で１．３７Ωｃｍ２）よりも著しく小さい。ＰＦＬを加えると、最大出力密度（ＰＰＤ）が大きく上昇し（５５０℃で２５７％にも達する）、５００℃で０．３６Ｗ／ｃｍ２、５５０℃で０．７６Ｗ／ｃｍまで上昇する。
【0089】
図１２Ａ～１２Ｄに示すように、異なるＤＥＬ厚さおよびＰＦＬ濃度（例えば、０、０．５、および５．０重量％Ｐｒ）を有するＳＯＦＣを試験して、ＰＦＬのＯＣＶ増強機構を理解した。図全体を通して参照される基準ＰＦＬ濃度は、（０．５重量％Ｐｒ６Ｏ１１＋ＧＤＣ）ＰＦＬであり、他のすべての重量％構成は、（Ｘ重量％のＰｒ＋ＧＤＣ）と示される。ＯＣＶ増強に対するＰＦＬの効果を、２００μｍＧＤＣ支持体上に異なるＰｒ濃度を有する１０μｍＰＦＬを堆積させることによって試験した。図１２Ａに示されるように、低いＧＤＣ厚さでのＯＣＶの低減は、ＰＦＬを使用することによって、最小限にすることができ、または少なくとも低減することができる。ＧＤＣにおけるＭＩＥＣのために、２００μｍＧＤＣの見かけのイオン移動数ｔＯ２－は、５００℃でわずか０．９１に達する。温度が上昇することにつれて、酸素の非化学量論、ｘ、および電子欠陥の両方が熱的に活性化され、ｔＯ２－は、６５０℃で０．８５にさらに減少する。ＰＦＬでは、ＰＦＬが全電解質厚さのわずか５％であるにもかかわらず、ｔＯ２－は、著しく改善され、この強化は、低温でより効果的である。
【0090】
図１２Ｂは、１０μｍ～２０μｍの範囲のＰＦＬ厚さを有する、薄い陽極支持２０μｍＧＤＣ電解質についてのＯＣＶに対するＰＦＬの効果を示す。２００μｍおよび２０μｍのＤＥＬ厚さのＧＤＣベースラインも、実線を有する白抜き記号として図１２Ｂに示されている。理論電圧のみならず、ｔＯ２－のレベルも示した。ＧＤＣの厚さが２００μｍから２０μｍに減少すると、薄い電解質を横切る電気化学的勾配（空気／Ｈ２＠３％Ｈ２Ｏ）が高くなるため（それぞれ２００から２０μｍ厚のＧＤＣで５８ｍＶ／μｍに対して５．８）、Ｃｅ４＋／３＋酸化還元対の減少を強制し、電子伝導性を増大させるため、ＯＣＶは、１０％以上低下する。２０μｍのＧＤＣベースラインと比較して、ＰＦＬの存在は、全ての温度でＯＣＶを増加させる。ＤＥＬの厚さを２００μｍに増すと、ＯＣＶは、５００℃と５５０℃でそれぞれ理論値の９３％と９０％に達する。しかし、厚さ２０μｍのＧＤＣ ＤＥＬへの１５μｍのＰＦＬまたは２０μｍのＰＦＬの追加は、そのＯＣＶを、厚さ２００μｍのＧＤＣ ＤＥＬのＯＣＶに一致するように増加させることができる。実際、そのようなＰＦＬ－ＤＥＬの組合せは、温度が６００℃未満に低下することにつれて、２００μｍ厚のＧＤＣ ＤＥＬを超えた。この外部構造設計は、２０μｍ厚のＤＥＬ＋１５μｍ厚のＰＦＬ（総厚３５μｍ）のＯＣＶが著しく低いＡＳＲを有する２００μｍ厚のＧＤＣのＯＣＶよりも高いので、単純にＧＤＣ厚を増加させるより効果的にＯＣＶを強化する。
【0091】
外因性構造設計は、ＧＤＣにおける電子伝導を最小限にすることができるので、ＯＣＶを犠牲にすることなく、酸素輸送のためのオーム損失を低減するために、ＤＥＬの厚さを最小限にすることができ、または少なくとも低減することができる。図１２Ｃは、様々な厚さを有する１０μｍＰＦＬ（０．５重量％ＰｒＯ２－ｘ－ＧＤＣ）の厚さの影響を示す。オームＡＳＲは、変化する電解質厚さに直線的に依存し、１０μｍＤＥＬ試料について達成された最低値であった。さらに、５００℃で～０．３Ωｃｍ２のオームＡＳＲで１Ｖを越えることができた。１５μｍＤＥＬ＋１０μｍＰＦＬのＯＣＶは、高いＯＣＶ（２０μｍＤＥＬ＋１０μｍＰＦＬ構成のＯＣＶに匹敵する）を維持したが、２０μｍ厚の電解質のオーム損失は、なかった。これは、１５μｍを超えるＤＥＬがＯＣＶ増加に最小の効果を有するが、オーム損失に寄与することを示唆する。
【0092】
図１２Ｄは、１０μｍＤＥＬ＋１０μｍＰＦＬに対するＯＣＶ増強に対するＰＦＬ中のＰｒドーピングレベルの効果を示す。ＰＦＬ中に均質なドーパントとしてＰｒを添加すると、ＯＣＶ増強がいくらか減少する。いかなる特定の理論にも拘束されることを望むものではないが、ＰＦＬの外部多孔質構造は、ＧＤＣ層における電子伝導の減少の主な要因であると考えられる。それにもかかわらず、Ｐｒの添加は、電気化学的性能に有意な利点を有することができる。電気化学的性能向上に対するＰＦＬの効果を、対称電池構成を用いて決定した。図１３Ａは、ＰＦＬの存在の有無にかかわらず、ＳＳＣ－ＧＤＣ陰極のナイキストプロットを示す。ＰＦＬの添加により分極インピーダンスが減少し、ＰＦＬ中のＰｒ濃度が全体的な陰極性能において役割を果たすことができる。純粋な多孔質ＧＤＣ層は、陰極三相境界における活性領域の増加に起因して、陰極ＡＳＲを減少させ、多価Ｐｒの添加は、電気化学的性能をさらに向上させた。例えば、０．５重量％のＰｒＯ２－ｘを含むＰＦＬは、ＰＦＬを含まない３．２Ωｃｍ２と比較して、０．７Ωｃｍの最も低い陰極ＡＳＲを有した。しかしながら、Ｐｒのより高いドーピングレベル（５重量％）は、微細構造が活性表面積の減少をもたらす高密度化組成を有するように見えるので、焼結助剤として作用し得る。
【0093】
ＰＦＬ／ＧＤＣ対称電池（ＳＳＣ－ＧＤＣ陰極無し）をさらに試験して、ＰＦＬの電気化学的活性を別々に決定した。図１３Ｂ～図１３Ｃにおける陰極ＡＳＲのアレニウスプロットは、電極分極がＰＦＬ構成の上の陰極より２～３桁高いので、ＰＦＬは、Ｐｒドーピングレベルにかかわらず、それ自体で十分な陰極活性を欠くことを示す。陰極無しで作用するＰＦＬは、従来のＳＳＣ－ＧＤＣ陰極（図１３Ｃに示されるように）よりも桁違いに大きいＡＳＲを有したので、Ｐｒの影響が図１３Ｂにさらに示され、ＰＦＬがそれ自体で十分な陰極活性を有しないことが確認される。ＰＦＬが陰極として機能するのに十分な電気化学的活性を有さないというさらなる証拠がある。特に、Ｐｒは、ＰＦＬにおける陰極活性を増加させる役割を果たす。このように、ＰＦＬでは、Ｐｒが無い場合の５００℃での～１０４Ωｃｍ２のオーダーから、ＰＦＬでは、Ｐｒが無い場合とＳＳＣ－ＧＤＣ陰極では、５００℃での１０２Ωｃｍ２のオーダーまで低下した。これは、ＰｒがＰＦＬ中の電気化学活性を増強することを示唆する。
【0094】
図１３Ｄの緩和時間（ＤＲＴ）分析の分布は、ＰＦＬが陰極性能をどのように向上させたかをさらに明らかにする。ＳＳＣ－ＧＤＣ（ＰＦＬ無し）（曲線Ｙ）は、典型的には、表層反応に起因する時定数（τ）＝１０－３～１００（秒）で最も高い総合反応ロスを有する。ＰＦＬの添加により、このピーク強度は、減少し、ＰＦＬが表面反応ステップを促進することを示唆した。参照により本明細書に組み込まれる、下にある米国仮出願第６３／２６５，９２１号の図Ｓ７における５００℃および６００℃でのさらなるエージングの結果に基づいて、ＰＦＬを有するＳＳＣ－ＧＤＣは、５００℃および６００℃で１２００時間を超えて単独で安定であり、それぞれ～０．８Ωｃｍ２および０．２５Ωｃｍ２の電極ＡＳＲを維持することが分かる。６００℃での老化の結果は、ＳＳＣ－ＧＤＣ＋ＰＦＬの安定性がベースラインＳＳＣ－ＧＤＣと比較して有意に増強されることを示唆した。
【0095】
陰極性能に対するＰＦＬの効果を説明するのに役立つように、等温酸素分圧（ｐＯ２）依存性研究および対応するＤＲＴ分析を実施し、その結果を図１３Ｅ～１３Ｆに示す。図１３Ｅにおける陰極ＡＳＲ対ｌｏｇ（ｐＯ２）の二重対数プロットは、ＰＦＬを加えることによって、インピーダンスが全てのｐＯ２で低下し、１／４から１／６への勾配変化が表面反応における律速段階の変化を示すことを示す。図１３ＦのＤＲＴ結果は、インピーダンス結果を逆畳み込みして、ＰＦＬが表面反応域における反応ロスを減少させたことを示す（τ＝１０－３－１００（ｓ））。
【0096】
表面改質（ＳＭ）を、ＰＦＬベースの電池に対して実施して、耐久性および性能をさらに向上させた。特に、表面改質は、Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ、“Ｎａｎｏｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ、Ｈｉｇｈ－Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏｂａｌｔ－Ｆｒｅｅ Ｂｉｓｍｕｔｈ－Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｃａｔｈｏｄｅ ｆｏｒ Ｌｏｗ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ．”ＡＣＳ Ａｐｐｌ． Ｍａｔｅｒ．Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ、２０１８、１０（３４）： ｐｐ．２８６３５－４３を参照されたい。結果を図１４Ａ～１４Ｄに示す。図１４Ａに示されるように、ＰＦＬベースのＳＳＣ－ＧＤＣ ＳＯＦＣは、Ｈ２中５００℃で０．３５Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤを有した。Ｐｒ表面改質陰極（Ｐｒ－ＳＭ ＳＳＣ－ＧＤＣ）では、０．５５Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤに達した。図１４Ｂに示すように、Ｐｒ－ＳＭ ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＰＦＬ電池は、５００℃で０．３Ωｃｍ２の合計ＡＳＲを有し、ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＰＦＬは、５００℃で０．７５Ωｃｍ２の合計ＡＳＲを有する。したがって、陰極表面改質は、電池ＡＳＲを著しく低下させた。
【0097】
０．２Ａ／ｃｍの２で加湿Ｈ２を用いて５００℃および５５０℃で細胞をエージングし、端子電圧および対応する細胞ＡＳＲをそれぞれ図１４Ｃ～１４Ｄに示す。図１４Ｃに示されるように、ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＰＦＬ電池（ＮＮ曲線）は、５５０℃で８００時間を超えて高い耐久性を示し、ＰＦＬの多孔質設計は、長期老化後でさえその機能性を維持することができることを実証する。しかし、Ｐｒ－ＳＭ電池（ＯＯ曲線）は、性能をさらに高め、５０℃で動作しながら同じ電力密度を持つことを可能にした。Ｐｒ－ＳＭ電池は、５００℃で０．５Ｗ／ｃｍ２のＰＰＤを示し、２０００時間以上の運転に対して優れた安定性を示した。Ｐｒ－ＳＭ ＳＳＣ－ＧＤＣ／ＧＤＣ／Ｎｉ－ＧＤＣの電池ＡＳＲを図１４Ｄに示し、オームおよび非オームの寄与を解決する。２０００時間の運転中、大きな劣化は、現れなかった。
【0098】
開示された技術のさらなる例
開示された主題の上述の実装を考慮して、本出願は、以下に列挙される付記における追加の例を開示する。単独での付記の１つの特徴、または組み合わせて取られた付記の２つ以上の特徴、および任意選択で、１つ以上のさらなる付記の１つ以上の特徴と組み合わせたさらなる例も、本出願の開示の範囲内に含まれることに留意されたい。
開示された主題の上述の実装を考慮して、本出願は、以下に列挙される付記における追加の例を開示する。単独での付記の１つの特徴、または組み合わせて取られた付記の２つ以上の特徴、および任意選択で、１つ以上のさらなる付記の１つ以上の特徴と組み合わせたさらなる例も、本出願の開示の範囲内に含まれることに留意されたい。
【0099】
付記１．
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、
非多孔質酸化物層の第１の側面の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記第１の側と反対側の前記非多孔質酸化物層の第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層の各々よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記第１の多孔質層および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、
非多孔質酸化物層の第１の側面の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記第１の側と反対側の前記非多孔質酸化物層の第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層の各々よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記第１の多孔質層および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【0100】
付記２．
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、
非多孔質酸化物層の第１の面上に配置された多孔質機能層と、
多孔質機能層の非多孔質酸化物層と対向する側の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記非多孔質酸化物層の前記第１の側と対向する第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記多孔質機能層の密度よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記多孔質機能層は、５５０℃以下の温度で、前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させるのに効果的であり、
前記１つ以上の第１の多孔質層の少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層の少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
酸素イオンを伝導し、固体電解質として動作するように構成された非多孔質酸化物層と、
非多孔質酸化物層の第１の面上に配置された多孔質機能層と、
多孔質機能層の非多孔質酸化物層と対向する側の上に配置された１つ以上の第１の多孔質層と、
前記非多孔質酸化物層の前記第１の側と対向する第２の側の上に配置された１つ以上の第２の多孔質層と、を備え、
前記非多孔質酸化物層は、前記多孔質機能層の密度よりも大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層の電子伝導率は、前記非多孔質酸化物層のイオン伝導率の２５％未満であり、
前記多孔質機能層は、５５０℃以下の温度で、前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させるのに効果的であり、
前記１つ以上の第１の多孔質層の少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層の少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【0101】
付記３．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、固体酸化物電池。
【0102】
付記４．
本明細書のいずれかの項または例の固体酸化物電池、特に、付記１～３のいずれか一項に記載固体酸化物電池であって、
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデン酸塩、モリブデン酸塩のニッケルサーメット、クロム酸塩、クロム酸塩のニッケルサーメット、バナジン酸塩、またはバナジン酸塩のニッケルサーメットから形成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例の固体酸化物電池、特に、付記１～３のいずれか一項に記載固体酸化物電池であって、
前記１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデン酸塩、モリブデン酸塩のニッケルサーメット、クロム酸塩、クロム酸塩のニッケルサーメット、バナジン酸塩、またはバナジン酸塩のニッケルサーメットから形成される、固体酸化物電池。
【0103】
付記５．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、固体酸化物電池。
【0104】
付記６．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶酸化ビスマス、菱面体晶酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶酸化ビスマスを含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶酸化ビスマス、菱面体晶酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶酸化ビスマスを含む、固体酸化物電池。
【0105】
付記７．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～６のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアを含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～６のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアを含む、固体酸化物電池。
【0106】
付記８．
本明細書のいずれかの項または例、特に付記７の固体酸化物電池であって、
添加される１種または複数のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムおよびサマリウムの両方である、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に付記７の固体酸化物電池であって、
添加される１種または複数のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムおよびサマリウムの両方である、固体酸化物電池。
【0107】
付記９．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～８のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上の電極触媒酸化物で浸透されている、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～８のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上の電極触媒酸化物で浸透されている、固体酸化物電池。
【0108】
付記１０．
本明細書のいずれかの項または例、特に付記９の固体酸化物電池であって、
１つ以上の電極触媒酸化物が、少なくともＡおよびＢによって形成される１つ以上の多相電極触媒を含み、１つ以上の多相電極触媒中のＡ：Ｂのモル比が約１：１である、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に付記９の固体酸化物電池であって、
１つ以上の電極触媒酸化物が、少なくともＡおよびＢによって形成される１つ以上の多相電極触媒を含み、１つ以上の多相電極触媒中のＡ：Ｂのモル比が約１：１である、固体酸化物電池。
【0109】
付記１１．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１０に記載の固体酸化物電池であって、
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１０に記載の固体酸化物電池であって、
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、固体酸化物電池。
【0110】
付記１２．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１０～１１のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、
Ｂは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１０～１１のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、
Ｂは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、固体酸化物電池。
【0111】
付記１３．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマス、または（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料を含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマス、または（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料を含む、固体酸化物電池。
【0112】
付記１４．
本明細書のいずれかの項または例の、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウムタングステン安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物（ＳＳＣ）、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選択される材料を含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例の、特に、付記１～４のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウムタングステン安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物（ＳＳＣ）、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選択される材料を含む、固体酸化物電池。
【0113】
付記１５．
本明細書のいずれかの項または例、特に付記１に記載の固体酸化物電池であって、
第１の多孔質層および非多孔質酸化物層のうちの１つの間に配置され、それらと直接接触する多孔質機能層をさらに含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に付記１に記載の固体酸化物電池であって、
第１の多孔質層および非多孔質酸化物層のうちの１つの間に配置され、それらと直接接触する多孔質機能層をさらに含む、固体酸化物電池。
【0114】
付記１６．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１５のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、固体酸化物電池。
【0115】
付記１７．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１６のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
多孔質機能層は、固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１６のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
多孔質機能層は、固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、固体酸化物電池。
【0116】
付記１８．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１７に記載の固体酸化物電池であって、
前記開放電圧は、５００～５５０℃の範囲（両端値を含む）の温度で少なくとも０．９Ｖである、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１７に記載の固体酸化物電池であって、
前記開放電圧は、５００～５５０℃の範囲（両端値を含む）の温度で少なくとも０．９Ｖである、固体酸化物電池。
【0117】
付記１９．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１８のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または
第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２～１８のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または
第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、固体酸化物電池。
【0118】
付記２０．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～１９のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陽極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、電気化学的酸化が第２の側で起こるときに陰極として動作するように構成され、および／または
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陰極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、還元が第２の側で起こるときに陽極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～１９のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陽極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、電気化学的酸化が第２の側で起こるときに陰極として動作するように構成され、および／または
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、陰極として動作するように構成され、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、還元が第２の側で起こるときに陽極として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【0119】
付記２１．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２０のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層は、２０～１００％（モル分率）の範囲（両端値を含む）の酸素濃度を含む入力流を受け取るように構成され、
１つ以上の第２の多孔質層は、燃料を受容するように構成され、固体酸化物電池は、燃料を電気化学的に酸化して電気を生成することによって固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として動作するように構成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２０のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第１の多孔質層は、２０～１００％（モル分率）の範囲（両端値を含む）の酸素濃度を含む入力流を受け取るように構成され、
１つ以上の第２の多孔質層は、燃料を受容するように構成され、固体酸化物電池は、燃料を電気化学的に酸化して電気を生成することによって固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【0120】
付記２２．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２０のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第２の多孔質層は、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２を含む入力流を受け取るように構成され、
固体酸化物電池は、第２の側でＨ２ＯまたはＣＯ２を電気化学的に還元し、第１の側でＯ２を発生させることによって、固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）として動作するように構成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２０のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
１つ以上の第２の多孔質層は、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２を含む入力流を受け取るように構成され、
固体酸化物電池は、第２の側でＨ２ＯまたはＣＯ２を電気化学的に還元し、第１の側でＯ２を発生させることによって、固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）として動作するように構成される、固体酸化物電池。
【0121】
付記２３．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
固体酸化物電池は、極性を逆転させて固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）としての動作と固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）としての動作とを切り替えるように構成され、
固体酸化物電池は、第１の動作モード中に、第１および第２の電極のうちの１つに提供されるＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２を電解して燃料を生成するように構成され、
固体酸化物電池は、第２の動作モード中に、燃料を酸化して電気を生成するように構成される、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２２のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
固体酸化物電池は、極性を逆転させて固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）としての動作と固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）としての動作とを切り替えるように構成され、
固体酸化物電池は、第１の動作モード中に、第１および第２の電極のうちの１つに提供されるＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２を電解して燃料を生成するように構成され、
固体酸化物電池は、第２の動作モード中に、燃料を酸化して電気を生成するように構成される、固体酸化物電池。
【0122】
付記２４．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２３のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
非多孔質酸化物層がセリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記１～２３のいずれか一項に記載の固体酸化物電池であって、
非多孔質酸化物層がセリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、固体酸化物電池。
【0123】
付記２５．
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：
（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を、第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に提供すること、
（ｅ）第１の閾値未満の温度で１つ以上の第３の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第１の側の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層の密度よりも大きい密度を有し、
第１および第２の多孔質層の各々について、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：
（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を、第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に提供すること、
（ｅ）第１の閾値未満の温度で１つ以上の第３の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第１の側の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１および第２の多孔質層の密度よりも大きい密度を有し、
第１および第２の多孔質層の各々について、それぞれの多孔質層の電子伝導率は、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
【0124】
付記２６．
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：
（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を提供すること、
（ｅ）１つ以上の第３の前駆体の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供すること、
（ｆ）第１の閾値よりも低い温度で第３および第４の前駆体を焼結し、非多孔質酸化物層の第１の側上に前記非多孔質酸化物層を形成し、前記非多孔質酸化物層の対向する前記第１の多孔質層の側上に前記第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１の多孔質層および第２の多孔質層の密度より大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率が、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記多孔質層は、５５０℃以下の温度で前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させる効果があり、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
固体酸化物電池を製造する方法であって、以下を含む方法：
（ａ）１つ以上の第２の多孔質層を形成するための１つ以上の第１の前駆体を提供すること、
（ｂ）１つ以上の第１の前駆体上に非多孔質酸化物層を形成するための１つ以上の第２の前駆体を提供すること、
（ｃ）第１の閾値以上の温度で第１および第２の前駆体を焼結して、非多孔質酸化物層の第２の側の上に１つ以上の第２の多孔質層を形成すること、
（ｄ）第２の側とは反対側の非多孔質酸化物層の第１の側の上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第３の前駆体を提供すること、
（ｅ）１つ以上の第３の前駆体の上に１つ以上の第１の多孔質層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供すること、
（ｆ）第１の閾値よりも低い温度で第３および第４の前駆体を焼結し、非多孔質酸化物層の第１の側上に前記非多孔質酸化物層を形成し、前記非多孔質酸化物層の対向する前記第１の多孔質層の側上に前記第１の多孔質層を形成すること、
非多孔質酸化物層は、第１の多孔質層および第２の多孔質層の密度より大きい密度を有し、
前記非多孔質酸化物層は、前記第１および第２の多孔質層のそれぞれについて、それぞれの多孔質層の電子伝導率が、それぞれの多孔質層のイオン伝導率の２５％よりも大きく、
前記多孔質層は、５５０℃以下の温度で前記非多孔質酸化物層および前記多孔質機能層のイオン移動数を少なくとも０．９に増加させる効果があり、
前記１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第１の電極として動作するように構成され、
前記１つ以上の第２の多孔質層のうちの少なくとも１つは、第２の電極として動作するように構成される。
【0125】
付記２７．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２６のいずれか一項に記載の方法であって、
第１の閾値が約１０００℃である、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２６のいずれか一項に記載の方法であって、
第１の閾値が約１０００℃である、方法。
【0126】
付記２８．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２７のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第３の前駆体の焼結または第３および第４の前駆体の焼結は、約９５０℃の温度で行われ、
第１および第２の前駆体の焼結は、約１４５０℃の温度で行われ、または
上記の両方で行われる、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２７のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第３の前駆体の焼結または第３および第４の前駆体の焼結は、約９５０℃の温度で行われ、
第１および第２の前駆体の焼結は、約１４５０℃の温度で行われ、または
上記の両方で行われる、方法。
【0127】
付記２９．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２８のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２８のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、または混合イオン性電子伝導性酸化物を含む、方法。
【0128】
付記３０．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２９のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデート、モリブデートのニッケルサーメット、クロメート、クロメートのニッケルサーメット、バナデート、またはバナデートのニッケルサーメットから形成される、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～２９のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第２の多孔質層が、セリアのニッケルサーメット、ジルコニアのニッケルサーメット、ガレートのニッケルサーメット、モリブデート、モリブデートのニッケルサーメット、クロメート、クロメートのニッケルサーメット、バナデート、またはバナデートのニッケルサーメットから形成される、方法。
【0129】
付記３１．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、セリアまたは酸化ビスマスを含む、方法。
【0130】
付記３２．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３１のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶酸化ビスマス、菱面体晶系酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶系酸化ビスマスを含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３１のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、ドープされたセリア、立方晶酸化ビスマス、菱面体晶系酸化ビスマス、またはドープされた菱面体晶系酸化ビスマスを含む、方法。
【0131】
付記３３．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３２のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアを含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３２のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層が、１つ以上のランタニドが添加されたドープセリアを含む、方法。
【0132】
付記３４．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３３に記載の方法であって、
添加される１種または複数のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムおよびサマリウムの両方である、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３３に記載の方法であって、
添加される１種または複数のランタニドが、プラセオジム、サマリウム、またはプラセオジムおよびサマリウムの両方である、方法。
【0133】
付記３５．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３４のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層を形成した後、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに、１つ以上の電極触媒酸化物を浸透させることをさらに含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３４のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の第１の多孔質層を形成した後、１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに、１つ以上の電極触媒酸化物を浸透させることをさらに含む、方法。
【0134】
付記３６．
浸透が、以下を含む、本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３５に記載の方法：
（ｆ１）１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに溶液中の１つ以上の電極触媒の用量を提供する工程；
（ｆ２）前記用量を有する１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つを、真空に曝露すること、
（ｆ３）溶液中の１つ以上の電極触媒の別の用量で（ｆ１）および（ｆ２）を繰り返すこと、および
（ｆ４）（ｆ３）の後、１つ以上の第１の多孔質層を約４５０℃の温度に曝して、前記溶液を蒸発または燃焼させること。
浸透が、以下を含む、本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３５に記載の方法：
（ｆ１）１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つに溶液中の１つ以上の電極触媒の用量を提供する工程；
（ｆ２）前記用量を有する１つ以上の第１の多孔質層のうちの少なくとも１つを、真空に曝露すること、
（ｆ３）溶液中の１つ以上の電極触媒の別の用量で（ｆ１）および（ｆ２）を繰り返すこと、および
（ｆ４）（ｆ３）の後、１つ以上の第１の多孔質層を約４５０℃の温度に曝して、前記溶液を蒸発または燃焼させること。
【0135】
付記３７．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３５～３６のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の電極触媒酸化物が少なくともＡおよびＢによって形成される多相電極触媒を含み、１つ以上の多相電極触媒中のＡ：Ｂのモル比が約１：１である、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３５～３６のいずれか一項に記載の方法であって、
１つ以上の電極触媒酸化物が少なくともＡおよびＢによって形成される多相電極触媒を含み、１つ以上の多相電極触媒中のＡ：Ｂのモル比が約１：１である、方法。
【0136】
付記３８．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３７に記載の方法であって、
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３７に記載の方法であって、
Ａが、第２族元素、第３族元素、またはランタニドであり、Ｂが、第４周期元素である、方法。
【0137】
付記３９．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３７～３８のいずれか一項に記載の方法であって、
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、および／または
Ｂは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記３７～３８のいずれか一項に記載の方法であって、
Ａは、プラセオジム（Ｐｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、およびエルビウム（Ｅｒ）からなる群から選択され、および／または
Ｂは、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、および亜鉛（Ｚｎ）からなる群から選択される、方法。
【0138】
付記４０．
（ｄ）の１つ以上の第３の前駆体を提供することが、以下を含む、本明細書の任意の項または例、特に、付記２５～３９のいずれか一項に記載の方法：
（ｄ１）１つ以上のランタニド酸化物を含むかまたは含まないセリアをインク中に混合すること、
（ｄ２）孔形成剤をインク中に混合すること。
（ｄ）の１つ以上の第３の前駆体を提供することが、以下を含む、本明細書の任意の項または例、特に、付記２５～３９のいずれか一項に記載の方法：
（ｄ１）１つ以上のランタニド酸化物を含むかまたは含まないセリアをインク中に混合すること、
（ｄ２）孔形成剤をインク中に混合すること。
【0139】
付記４１．
本明細書のいずれかの項または例の方法、特に、付記４０に記載の方法であって、
孔形成剤が、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例の方法、特に、付記４０に記載の方法であって、
孔形成剤が、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、方法。
【0140】
付記４２．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか一項に記載の方法であって、１つ以上の第１の多孔質層が、セリア、酸化ビスマス、または（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料を含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか一項に記載の方法であって、１つ以上の第１の多孔質層が、セリア、酸化ビスマス、または（ｉ）セリアまたは酸化ビスマスと、（ｉｉ）１つ以上の電子伝導性および電気触媒酸化物とから形成される複合材料を含む、方法。
【0141】
付記４３．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか１項の方法であって、
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウム安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物（ＳＳＣ）、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選択される材料を含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～３０のいずれか１項の方法であって、
前記１つ以上の第１の多孔質層が、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、サマリアネオジムドープセリア（ＳＮＤＣ）、エルビア安定化酸化ビスマス（ＥＳＢ）、ジスプロシウム安定化酸化ビスマス（ＤＷＳＢ）、イットリア安定化酸化ビスマス（ＹＳＢ）、菱面体酸化ビスマス、ストロンチウムおよびマグネシウムドープランタンガレート（ＬＳＧＭ）、ストロンチウムサマリウムコバルト酸化物（ＳＳＣ）、およびニッケル酸Ｌｎ２ＮｉＯ４＋δ（Ｌｎはランタニド）からなる群から選択される材料を含む、方法。
【0142】
付記４４．
本明細書の任意の項または例、特に、付記２５に記載の方法であって、
（ｄ）の前に、非多孔質酸化物層の第１の面上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供し、
（ｄ）を提供することは、１つ以上の第４の前駆体上に１つ以上の第３の前駆体を提供することを含み、
（ｅ）の焼結は、第１の多孔質層と非多孔質酸化物層の間にそれらのうちの１つと直接接触して配置された多孔質機能層として、１つ以上の第４の前駆体を形成する、方法。
本明細書の任意の項または例、特に、付記２５に記載の方法であって、
（ｄ）の前に、非多孔質酸化物層の第１の面上に多孔質機能層を形成するための１つ以上の第４の前駆体を提供し、
（ｄ）を提供することは、１つ以上の第４の前駆体上に１つ以上の第３の前駆体を提供することを含み、
（ｅ）の焼結は、第１の多孔質層と非多孔質酸化物層の間にそれらのうちの１つと直接接触して配置された多孔質機能層として、１つ以上の第４の前駆体を形成する、方法。
【0143】
付記４５．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４４のいずれか一項に記載の方法であって、
多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４４のいずれか一項に記載の方法であって、
多孔質機能層が、セリアまたは酸化ビスマスから本質的になる、方法。
【0144】
付記４６．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４５のいずれか一項に記載の方法であって、
多孔質機能層が、固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４５のいずれか一項に記載の方法であって、
多孔質機能層が、固体酸化物電池の開回路電圧を増加させるように構成される、方法。
【0145】
付記４７．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４６のいずれか一項に記載の方法であって、
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または
第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２６～４６のいずれか一項に記載の方法であって、
第１の電極から第２の電極までの第１の方向に沿った多孔質機能層の厚さは、約２０μｍ以下であり、および／または
第１の方向に沿った非多孔質酸化物層の厚さは、約２０μｍ以下である、方法。
【0146】
付記４８．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４７のいずれか一項に記載の方法であって、
非多孔質酸化物層が、セリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４７のいずれか一項に記載の方法であって、
非多孔質酸化物層が、セリア、ジルコニア、酸化ビスマス、またはガレートランタンを含む、方法。
【0147】
付記４９．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４８のいずれか一項に記載の方法であって、
（ａ）を提供すること、（ｂ）を提供すること、（ｄ）を提供すること、および／または（ｅ）を提供することが、テープキャスティング、ブレードコーティング、積層、スクリーン印刷、または前述のものの任意の組合せを含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４８のいずれか一項に記載の方法であって、
（ａ）を提供すること、（ｂ）を提供すること、（ｄ）を提供すること、および／または（ｅ）を提供することが、テープキャスティング、ブレードコーティング、積層、スクリーン印刷、または前述のものの任意の組合せを含む、方法。
【0148】
付記５０．
（ａ）が、以下を含む、本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４９のいずれか一項に記載の方法：
（ａ１）約６０重量％の酸化ニッケル（ＮｉＯ）および約４０重量％のガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）を第１のスラリーに混合すること、
（ａ２）第１のスラリーに孔形成剤を混合し、第１のスラリーは、第２の電極の多孔質支持層に対応する孔形成剤を有すること、
（ａ３）約４８重量％のＮｉＯおよび約５２重量％のＧＤＣを第２のスラリーに混合し、第２のスラリーは、第２の電極の多孔質機能層に対応すること。
（ａ）が、以下を含む、本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～４９のいずれか一項に記載の方法：
（ａ１）約６０重量％の酸化ニッケル（ＮｉＯ）および約４０重量％のガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）を第１のスラリーに混合すること、
（ａ２）第１のスラリーに孔形成剤を混合し、第１のスラリーは、第２の電極の多孔質支持層に対応する孔形成剤を有すること、
（ａ３）約４８重量％のＮｉＯおよび約５２重量％のＧＤＣを第２のスラリーに混合し、第２のスラリーは、第２の電極の多孔質機能層に対応すること。
【0149】
付記５１．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記５０に記載の方法であって、
孔形成剤は、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、方法。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記５０に記載の方法であって、
孔形成剤は、ポリ（メチルメタクリレート）を含む、方法。
【0150】
付記５２．
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～５１のいずれか一項に記載の方法によって形成された固体酸化物電池。
本明細書のいずれかの項または例、特に、付記２５～５１のいずれか一項に記載の方法によって形成された固体酸化物電池。
【0151】
結論
例えば、図１Ａ～１４Ｄおよび付記１～５２に関して、本明細書に図示または説明される特徴のいずれかを、例えば、図１Ａ～１４Ｄおよび付記１～５２に関して、本明細書に図示または説明される任意の他の特徴と組み合わせて、本明細書に他に図示または具体的に説明されない材料、システム、デバイス、構造、方法、および／または実施形態を提供することができる。本明細書に記載される全ての特徴は、互いに独立しており、構造的に不可能な場合を除いて、本明細書に記載される任意の他の特徴と組み合わせて使用することができる。開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は、例にすぎず、開示された技術の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことが認識されるべきである。むしろ、範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。したがって、本発明者らは、これらの特許請求の範囲の範囲および精神の範囲内に入るすべてを主張するものである。
例えば、図１Ａ～１４Ｄおよび付記１～５２に関して、本明細書に図示または説明される特徴のいずれかを、例えば、図１Ａ～１４Ｄおよび付記１～５２に関して、本明細書に図示または説明される任意の他の特徴と組み合わせて、本明細書に他に図示または具体的に説明されない材料、システム、デバイス、構造、方法、および／または実施形態を提供することができる。本明細書に記載される全ての特徴は、互いに独立しており、構造的に不可能な場合を除いて、本明細書に記載される任意の他の特徴と組み合わせて使用することができる。開示された技術の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は、例にすぎず、開示された技術の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことが認識されるべきである。むしろ、範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。したがって、本発明者らは、これらの特許請求の範囲の範囲および精神の範囲内に入るすべてを主張するものである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図13F】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【国際調査報告】