勾配相互接続部を有する固体酸化物型燃料電池（ｓｏｌｉｄｏｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）装置
【課題】固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell、SOFC)装置を提供する。
【解決手段】勾配相互接続部を有するＳＯＦＣ装置が提供される。本装置は、以下の構成素子からなる。第一勾配相互接続部は、互いに向かい合う第一と第二表面を有し、第一トレンチが第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチが第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネルは、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスクが第一トレンチ中に設置されて、一部が、第一勾配相互接続部の第一表面から突出する。第一密封層が第一勾配相互接続部の第一表面上に設置されて、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造MEAが、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一多孔導電ディスクと第一密封層と接触する。
【解決手段】勾配相互接続部を有するＳＯＦＣ装置が提供される。本装置は、以下の構成素子からなる。第一勾配相互接続部は、互いに向かい合う第一と第二表面を有し、第一トレンチが第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチが第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネルは、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスクが第一トレンチ中に設置されて、一部が、第一勾配相互接続部の第一表面から突出する。第一密封層が第一勾配相互接続部の第一表面上に設置されて、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造MEAが、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一多孔導電ディスクと第一密封層と接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池機器に関するものであって、特に、勾配相互接続部を有する固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell、SOFC)装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低温で動作する固体高分子型燃料電池（proton exchange membrane fuel cells 、PEMFC) 、或いは、直接メタノール型燃料電池（direct methanol fuel cell 、DMFC) 等の燃料電池、及び、高温で動作する溶融炭酸塩型燃料電池（molten carbonates fuel cells 、MCFC) 、及び、固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cells、SOFC)等の燃料電池が既に開発されている。ＳＯＦＣの長所は、電解質が固体で形成されるので、低汚染、高エネルギー変換効率（high energy conversion efficiency）で、電解質蒸発（electrolyte evaporation）、漏れ（leakage）、腐蝕（corrosion）がないことである。よって、ＳＯＦＣの動作寿命は長い。
【０００３】
ＳＯＦＣは、陽極（anode）、陰極（cathode）、固体酸化物電解質（solid oxide electrolyte）、及び、相互接続板（interconnect plate） (又は、バイポーラ板（bipolar plate）、或いは、相互接続とも称される)からなる。相互接続板はＳＯＦＣの鍵となる要素で、材料はセラミックか金属である。相互接続板は、二つの近接する単一セルユニットの陰極と陽極を接合し、又、物的障壁となり、ＳＯＦＣの陰極端の還元環境から、陰極電極中の材料を保護する。同様に、相互接続板は、ＳＯＦＣの陽極端の酸化環境から、陽極電極材料を保護する。
【０００４】
主に、鉄ベース材料等の材料からなる金属相互接続板がＳＯＦＣに用いられる。LaCrO3 等のセラミック酸化物が早期の相互接続板に用いられ、高い動作温度を可能にしていたが、LaCrO3 は、鉄ベースの材料と比較すると、高価で、加工しにくく、延性に乏しい。
【０００５】
よって、現在は、鉄ベースの材料がＳＯＦＣに用いられる。しかし、鉄ベースの材料とイットリア安定化ジルコニア（yttria-stabilized zirconia 、YSZ)の固体酸化物電解質との間に、セラミック/鉄の界面の接合問題が存在し、固体酸化物電解質の辺縁において、水素と酸素との混合が起こってしまい、これにより、ＳＯＦＣの密封に影響を与える。また、鉄ベースの材料は、空気中の高温で酸化される。
【０００６】
更に、ＳＯＦＣの高い動作温度と快速な温度サイクリングの問題により、ＳＯＦＣが高い熱応力を受ける。故に、ＳＯＦＣ中の固体酸化物電解質、電極、及び、相互接続板などの素子間の異なる材料の接合は、高温度動作と温度サイクリング動作下で、異なる材料間の接合状況の機械性質の差異により熱応力を生成し、この熱応力が、ＳＯＦＣ内の素子を破裂させたり、ＳＯＦＣの機械構造の整合性を破壊し、ＳＯＦＣの反応ガスの漏れが発生する。
【０００７】
よって、従来の固体酸化物電解質と相互接続板とを用いることにより生じる、密封問題、高動作温度での酸化問題、機械構造整合性の問題を解決するために、ＳＯＦＣの構造を改善する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell、SOFC)装置とその製造方法を提供し、上述の問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一具体例によると、勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池装置は、以下の構成要素からなる。第一勾配相互接続部は、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有し、第一トレンチが第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチが、第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネルが、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスクは、第一トレンチ中に位置し、一部が第一勾配相互接続部の第一表面から突出する。第一密封層は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造（membrane electrode assembly、MEA）は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有する電解質層と、第一表面上に位置する第一電極と、第二表面上に位置する第二電極と、からなり、電解質層の第一表面は第一密封層と接触し、第一電極は第一多孔導電ディスクと接触する。
【００１０】
他の具体例によると、ＳＯＦＣ装置は、更に、以下の構成要素からなる。第二勾配相互接続部は、電解質層の第二表面に位置し、互いに向かい合う第三、及び、第四表面を有し、第三トレンチが第二勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第四トレンチが、第二勾配相互接続部の第四表面に形成され、第二相互接続トンネルが、第二勾配相互接続部中に形成され、第三と第四トレンチを接続する。第二多孔導電ディスクは、第三トレンチ中に位置し、一部が第二勾配相互接続部の第三表面から突出する。第二密封層は、第二勾配相互接続部の第三表面上に位置し、第三トレンチを囲繞し、電解質層の第二表面は第二密封層に接触し、第二電極は第二多孔導電ディスクに接触する。
【発明の効果】
【００１１】
公知の金属/セラミック接合問題、及び、高い動作温度下での酸化問題を防止し、また、構造的完全性が維持され、湾曲や破裂が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の具体例による勾配相互接続部を製造する方法の断面図である。
【図２】本発明の具体例による勾配相互接続部を製造する方法の断面図である。
【図３】本発明の様々な具体例による勾配相互接続部の立体図である。
【図４】本発明の様々な具体例による勾配相互接続部の立体図である。
【図５】本発明の具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図６】本発明の具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図７】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【図８】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図９】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図１０】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【図１１】本発明の更にもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のＳＯＦＣ装置とその製造方法の様々な具体例は、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００１４】
図１と図２で、勾配相互接続部の製造方法が説明される。勾配相互接続部は本発明のＳＯＦＣ装置に適用される。
【００１５】
図１のように、グラファイト等の材料からなるモールド１００が提供される。次に、複数の勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８が提供され、下から上にモールド１００中にスタックされる。モールド１００中に提供された勾配サブレイヤーの数量は、図１の４個に限定されず、必要に応じて増減できる。
【００１６】
具体例中、サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８を形成する材料は、テープキャスティング（tape-casting）、プラズマスプレイ（plasma spraying）、及び、スクリーンプリント（screen-printing）等の湿式処理方法を用いて、下から上に、モールド１００中にスタックされる。勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８を形成する材料は、様々な含量のセラミック材料、及び、ニッケルベースの超合金である。
【００１７】
勾配サブレイヤー１０４、１０６、及び１０８中のセラミック材料の含量は、勾配サブレイヤー１０４から勾配サブレイヤー１０８に増加し、勾配サブレイヤー１０４、１０６、及び、１０８中のニッケルベースの超合金の含量は、勾配サブレイヤー１０８から勾配サブレイヤー１０４に増加する。勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び 、１０８の形成中、材料の含量は適時変更し、後述する湿式処理の後、各勾配サブレイヤー中の有機材料を除去するために、乾燥や焼結等の追加のプロセスが実行される。
【００１８】
次に、温度約１０００℃〜１３００℃、且つ、 窒素雰囲気下で、圧縮プロセス１１０が実行され、モールド１００内の勾配サブレイヤー１０２、 １０４、１０６、及び、１０８を約３０分間熱圧縮し、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８が接合され、勾配相互接続部（濃度勾配を有する相互接続部）１４０を形成する。勾配相互接続部１４０は、厚さTが約１〜４ｍｍで形成される(図２で示される)。勾配相互接続部１４０中の勾配サブレイヤー１０８は、セラミック含量が５０ｖｏｌ％以上で、ニッケルベースの超合金含量は５０ｖｏｌ％以下である。勾配サブレイヤー１０２は、５０〜1００％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄と０〜２０ｖｏｌ％のセラミックからなる。
【００１９】
勾配サブレイヤー１０８は、５０ｖｏｌ％以上のセラミック含量で形成され、勾配サブレイヤー１０８は非導電で、他の勾配サブレイヤー１０６、１０４、及び、１０２は、５０ｖｏｌ％以下のセラミック含量、或いは、０ｖｏｌ％のセラミック含量で形成される。勾配サブレイヤー１０６、１０４、及び 、１０２は導電サブレイヤーである。
【００２０】
具体例中、勾配 サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８の製造に適するニッケルベースの超合金として、例えば、Inco625、Inco600、或いは、Inco601があり、勾配サブレイヤー１０２、１０４、及び、１０６の製造に適したセラミック材料は、例えば、SiC、TiN、及び、BNの導電セラミック、ナノAl2O3、イットリア安定化ジルコニア(たとえば、８Y-ZrO2及び３Y-ZrO2)、Bi2O3、MnO、バリウムアルミノケイ酸塩（（barium aluminosilicate）(たとえば、BaAl2Si2O8)、ケイ酸塩ガラス（silicate glass ）、或いは、二酸化チタン（titanium dioxide、TiO2)がある。鉄ベースの鋼鉄がニッケルベースの超合金に加えられて、熱応力作用を調整する。材料の組成は以下の通りである。
【００２１】
Inco625は、６１ｗｔ％のNi、２１.５ｗｔ％のCr、２.５ｗｔ％のFe、０.２ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSi、９ｗｔ％のMo、及び、３.６ｗｔ％のNbからなる。
Inco600は、７５ｗｔ％のNi、 １５.５ｗｔ％のCr、８ｗｔ％のFe、０.５ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSiからなる。
Inco601は、６０.５ｗｔ％のNi、２３ｗｔ％のCr、１４.１ｗｔ％のFe、０.５ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSi、１．４ｗｔ％のAlからなる。
イットリア安定化ジルコニアは、８ｗｔ％のY2O3-ZrO2 、或いは、３ｗｔ％のY2O3-ZrO2からなる。
バリウムアルミノケイ酸塩は、BaAl2Si2O8からなる。
ケイ酸塩ガラスは、０〜２０ｗｔ％Li2O、 Na2O、 K2O、或いは、Ba2O3がドープされたBaAl2Si2O8からなる。
鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSからなる。
【００２２】
図２中、勾配相互接続部１４０はモールド１００から分離され、その後、機械プロセスが勾配相互接続部１４０上で実行される。例えば、回転、フライス、或いは、研磨などの機械プロセス１８０が勾配サブレイヤー１０８の表面１７０上で実行され、トレンチ１８５が勾配サブレイヤー１０８と１０６中に形成される。トレンチ１８５は、深さｄ１が約０.２〜０.８ｍｍである。次に、回転、フライス、或いは、研磨などの他の機械プロセス１９０が勾配サブレイヤー１０２の表面１６０上で実行されて、勾配サブレイヤー１０２中にトレンチ１９５を形成する。トレンチ１９５は、深さｄ２が約０.２〜０.８ｍｍである。次に、ドリル等の機械プロセス２００が、トレンチ１９５により露出した勾配サブレイヤー１０２で実行されて、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過する相互接続トンネル２０５を形成する。相互接続トンネル２０５は、勾配サブレイヤー１０８中のトレンチ１８５と、勾配サブレイヤー１０２中のトレンチ１９５を接続する。
【００２３】
この具体例中、トレンチ１８５は、勾配相互接続部１４０と陽極電極、或いは、陰極電極とを接続するための多孔導電ディスクを配置するための導電トレンチとなり、トレンチ１９５は酸素か水素等の反応ガスを保存するガスタンクとなる。相互接続トンネル２０５はトレンチ１８５と１９５間に提供されるガストンネルとなり、トレンチ１９５からの反応ガスが、トレンチ１８５中の多孔導電ディスクに運搬され、これにより、反応ガスがＭＥＡの近くまで運搬されて、電気化学反応する。
【００２４】
具体例中の相互接続トンネル２０５は、直径Ｄが２ｍｍ以下の単一トンネルとして描かれている。相互接続トンネル２０５は図２のものに制限されず、間隔を隔てた複数の相互接続トンネル２０５が勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８に提供されて、トレンチ１９５から、トレンチ１８５中に形成された多孔導電ディスクへのガス運搬量を増加させてもよい。
【００２５】
図２で示されるように、トレンチ１８５は二つの勾配サブレイヤー１０８と１０６に形成され、トレンチ１９５は一つの勾配サブレイヤー１０２中に形成される。しかし、トレンチ１８５と１９５の形成は、図２のものに制限されず、トレンチ１８５と１９５の底部表面は、半分、一層、一層半、或いは、二層の勾配サブレイヤー内に形成することができ、これにより、導電性のある勾配サブレイヤーの表面を露出させることができる。
【００２６】
図３は、図２で示される勾配相互接続部１４０の立体図である。勾配相互接続部１４０は直方体で示されるが、これに制限されない。勾配相互接続部１４０は、他の円柱形等の形状に形成することもできる。図３で示されるように、トレンチ１８５は、勾配サブレイヤー１０８と１０６に位置する円形トレンチで、勾配サブレイヤー１０６の表面により露出され、また、トレンチ１８５は、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過して形成される相互接続トンネル２０５を露出させる。トレンチ１９５は勾配サブレイヤー１０２に内蔵されるので、勾配サブレイヤー１０２中に位置するトレンチ１９５は図３で示されない。
【００２７】
図４は、図２で示される勾配相互接続部１４０の他の立体図である。図４で示されるように、勾配相互接続部１４０は図３とほぼ同じである。図４中、勾配相互接続部１４０の勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８は、上下が逆さまで、勾配サブレイヤー１０２の表面１６０により露出するトレンチ１９５を表示する。
【００２８】
この具体例中、トレンチ１９５は、勾配サブレイヤー１０２中に形成された円形トレンチとして示され、また、トレンチ１９５は、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過する相互接続トンネル２０５を露出させる。トレンチ１８５は勾配サブレイヤー１０８内に内蔵されるので、示されていない。更に、勾配相互接続部の大面積の製作において、トレンチ１９５の相対側に近接して、勾配サブレイヤー１０２中に、更に、接続トンネル１９６ (点線で示される) が形成される。
【００２９】
図２〜図４で示されるように、勾配相互接続部１４０中のトレンチ１８５と１９５は円形トレンチとして示されるが、これに制限されない。トレンチ１８５と１９５は、方形等、その他の多角形に形成され、勾配相互接続部１４０は立方体に制限されず、円盤、或いは、円形インゴット等のほかの形状に形成してもよい。
【００３０】
図５と図６は、ＳＯＦＣ装置を製造する方法の断面図である。
【００３１】
図５中、まず、図２で示される勾配相互接続部１４０等の勾配相互接続部が提供される。勾配相互接続部１４０は互いに向かい合う表面１７０と１６０を有し、トレンチ１８５、１９５と相互接続トンネル２０５が勾配相互接続部内に設置される。相互接続トンネル２０５は、トレンチ１８５とトレンチ１９５を接続し、トレンチ１９５に保存される反応ガスをトレンチ１８５に運搬することを可能とする。次に、密封層２７０が勾配相互接続部１４０の表面１７０上に形成される。ここで、密封層２７０はトレンチ１８５を囲繞する。次に、多孔導電ディスク２６０が提供され、トレンチ１８５内に配置される。この具体例中、多孔導電ディスク２６０は導電パレットで、一部が勾配相互接続部１４０の表面１７０から突出する。次に、電解質層２８０と、電解質層２８０の互いに向かい合う表面２８２と２８４上にそれぞれ形成された電極層２８１、２８３と、を有する膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)２８５が提供される。この具体例中、ＭＥＡの表面２８２と電極層２８１は、トレンチ１８５、密封層２７０と多孔導電ディスク２６０に面している。
【００３２】
一具体例中、表面２８２と２８４上に形成された電極層２８１と２８３は、多孔陰極層か多孔陽極層となる。電極層２８１と２８３の一つが陽極電極層として機能する場合、イットリア安定化ジルコニアとニッケルか銅からなる多孔膜が提供され、電極層２８１と２８３の一つが陰極電極層として機能する場合、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)FeO3、(La,Sr)CoO3、或いは、La(Ni,Fe)O3等の導電酸化物と電解質材料からなる多孔膜が提供される。
【００３３】
次に、遮断板２５０が提供され、勾配相互接続部１４０の表面１６０近くに設置される。次に、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセス２９０が約１５〜６０分行われて、ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０、勾配相互接続部１４０、及び、遮断板２５０を接合し、これにより、図６で示されるような、固体酸化物型燃料電池 (ＳＯＦＣ)装置３００を形成する。
【００３４】
図６で示されるように、ＳＯＦＣ装置３００が提供され、以下の構成要素からなる。第一勾配相互接続部(たとえば、勾配相互接続部１４０)は、互いに向かい合う第一表面 (たとえば、表面１７０)と第二表面 (たとえば、表面１６０)を有し、第一トレンチ (たとえば、トレンチ１８５)が第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチ (たとえば、トレンチ１９５)が第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル２０５)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク２６０)は、第一トレンチ中に配置され、一部が第一勾配相互接続部の第一表面上から突出する。第一密封層 (たとえば、密封層２７０) は、第一勾配相互接続部の第一表面上に位置し、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造 (ＭＥＡ) (たとえば、ＭＥＡ２８５)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に位置し、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一と第二表面を有する電解質層と、ＭＥＡの第一表面上に位置し、第一多孔導電ディスクと第一密封層に接触する第一電極と、からなる。
【００３５】
具体例中、多孔導電ディスク２６０は、陰極側コネクタか陽極側コネクタとなる。陰極側コネクタを製造する適当な材料は、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)FeO3、(La,Sr)CoO3、或いは、La(Ni,Fe)O3等の導電酸化物、及び、電解質で、陽極側コネクタを製造するのに適当な材料は、ニッケルか銅を含むイットリア安定化ジルコニアである。
【００３６】
多孔導電ディスク２６０の製造は、まず、上述の電極を形成するための材料を砕いて粉末とし、これらの粉末を圧縮して、ペレットを形成し、ペレットはその後、トレンチ中に設置する。粗粉末は熱圧縮プロセスで緻密に出来ないので、多数の微細孔が形成され、電気化学反応させるために、反応ガスを電極まで流すことを可能とする。 粗粉砕プロセスは、まず、材料を９００〜１２５０℃に加熱し、機械クラッシュ方法を実行して、焼結されにくい粗粉末を形成する。
【００３７】
電解質層２８０の材料は、例えば、イットリア安定化ジルコニア(たとえば、8wt% Y2O3-ZrO2, 8Y-ZrO2)、希土類元素金属をドープした酸化セリウム（cerium oxide）(たとえば、(Ce,Gd)O2)、ストロンチウム（strontium）とマグネシウム（magnesium）をドープしたランタン酸化ガリウム（lanthanum gallium oxide）(たとえば、(La,Sr)(Ga,Mg)O3)、希土類元素金属、或いは、BaCeO3、SrCeO3、BaZrO3、及び、SrZrO3などのセラミック固体酸化物電解質をドープした灰チタン石（Perovskite）である。電解質層２８０は、厚さ約１０ 〜数１００μｍ、直径が５０ｍｍ以上に形成される。
【００３８】
電解質層２８０の製造は、まず、材料の粉末を、厚さが１ｍｍ以下の薄いタブレットに圧縮し、薄いタブレットは、その後、温度約１５００℃〜１６００℃で、１〜６ 時間焼結され、粗研磨（rough grinding）、 微粉砕（fine grinding）、 及び、研磨プロセス（polishing process）などの機械プロセスにより処理される。電極層２８１と２８３は、電解質層２８０一表面上(表面２８２)と別表面 (表面２８４) にコートされて、サンドウィッチ構造を形成する。テープキャスティングプロセス（tape casting process）も実行することができ、この場合には、電解質テープと、テープキャスティング方法により形成された電極層２８１および別の電極層２８３と、を結合することにより、サンドウィッチされた電解質層２８０を形成する。
【００３９】
更に、この具体例中、密封層２７０は、セラミック材料、例えば、２０ｖｏｌ％のMnOと２０ｖｏｌ％のBi2O3の低融点の酸化物、１０ｖｏｌ％のBaAl2Si2O8、１５ｖｏｌ％のTi、及び、３５ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金等を含む。他の具体例中、密封層２７０内に、含有率１０〜３０ｖｏｌ％のセラミック材料、例えば、ナノアルミニウム酸化物、K2O、Na2O、B2O3、或いは、TiO2、或いは、それらの混合物がドープされたBaAl2Si2O8を添加することができ、これにより、密封層の焼結を強化する。密封層２７０に加えられる低融点のその他の酸化物は、例えば、ZnO、SnO2、In2O3、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物（alkaline-earth metal oxide）、或いは、それらの混合物で、ニッケルベースの超金属は、例えば、Inco625、Inco600、或いは、Inco601である。
【００４０】
具体例中、ガラス充填剤の公知の材料と比較すると、密封層２７０の３Y-ZrO2セラミック材料は好ましい靭性と強度を有し、低融点の酸化物の添加により、密封温度1２００℃以下で、圧縮プロセスが実行できる。
【００４１】
更に、この具体例中、トレンチ1９５を密封するために勾配相互接続部１４０の表面１６０上に位置する遮断板２５０が用いられ、遮断板２５０は５０〜1００ vol% のニッケルベースの超合金、３０〜４０ vol% の鉄ベースの鋼鉄、及び、０〜２０ vol% のSiCのセラミックで形成され、これにより、勾配相互接続部１４０の金属を豊富に含む相である表面１６０と精確に接合する。
【００４２】
図６で示されるＳＯＦＣ装置３００は、ＳＯＦＣ装置の陰極端か陽極端に位置する単一セルユニットとなる。陰極電解質層、陽極電解質層がコートされたＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、及び、遮断板２５０がまず準備され、ＳＯＦＣ装置３００の組み立て中に提供される。ＳＯＦＣ装置３００の素子が先に製造されるので、ＳＯＦＣ装置は組み立てが簡単で、量産に適する。
【００４３】
図５と図６で示されるＳＯＦＣ装置の製造方法中、小面積のＳＯＦＣ装置の製造状況が示されている。しかし、ＳＯＦＣ装置の製造方法は、勾配相互接続部１４０と遮断板２５０の表面積を拡大することにより、大面積のＳＯＦＣ装置を製造することもできる。ＭＥＡ２８５と多孔導電ディスク２６０等のほかの素子は小面積のものを参照にして製造すればよい。図７は、大面積で形成された勾配相互接続部１４０’と遮断板２５０’を有する改良されたＳＯＦＣ装置３００’を示す図である。ＳＯＦＣ装置 ３００’は、図６で示される３組の単一セルユニットからなる。
【００４４】
図８と図９は、ＳＯＦＣ装置を製造する他の方法の断面図である。
【００４５】
図８で、図２の勾配相互接続部１４０等の勾配相互接続部が提供される。勾配相互接続部１４０は、互いに向かい合う表面１７０と１６０を有し、トレンチ１８５、１９５と相互接続トンネル２０５がその中に配置される。相互接続トンネル２０５は、トレンチ１８５とトレンチ１９５を接続して、トレンチ１９５中に保存された反応ガスをトレンチ１８５に送ることを可能としている。次に、密封層２７０が勾配相互接続部１４０の表面１７０上に形成されて、ここで、密封層２７０がトレンチ１８５を囲繞する。次に、多孔導電ディスク２６０が提供され、トレンチ１８５中に配置される。この具体例中、多孔導電ディスク２６０は電気的導電インゴットで、一部が勾配相互接続部１４０上の表面１７０から突出する。次に、膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)２８５が提供され、電解質層２８０と、電解質層２８０の互いに向かい合う表面２８２と２８４上にそれぞれ形成される電極層２８１と２８３からなる。この具体例中、ＭＥＡの表面２８２と電極層２８１は、トレンチ１８５、密封層２７０、及び、多孔導電ディスク２６０に面する。
【００４６】
次に、図２の勾配相互接続部１４０と類似の別の勾配相互接続部１４０’ が、ＭＥＡ２８５中の電解質層２８０の表面２８２上に提供される。ここで、勾配相互接続部１４０’は互いに向かい合う表面１７０’と１６０’を有し、表面１７０’は、ＭＥＡ２８５中の電解質層２８０の表面２８４と向かい合い、トレンチ１８５’、１９５’、及び、相互接続トンネル２０５’がその中に配置される。相互接続トンネル ２０５’はトレンチ１８５’とトレンチ１９５’を接続して、トレンチ １９５’に保存される反応ガスをトレンチ１８５’に送ることを可能としている。次に、密封層２７０’が勾配相互接続部１４０’の表面１７０’上に形成され、トレンチ １８５’を囲繞する。多孔導電ディスク２６０’が提供され、トレンチ１８５’中に位置する。
【００４７】
この具体例中、多孔導電ディスク２６０’は電気的導電インゴットで、一部が勾配相互接続部１４０’の表面１７０’から突出し、遮断板２５０と遮断板２５０’が提供され、それぞれ、勾配相互接続部１４０の表面１６０と勾配相互接続部 １４０’の表面１６０’に近接して設置される。
【００４８】
次に、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセス２９０が約１５〜６０分実行されて、遮断板２５０’、勾配相互接続部１４０’、多孔導電ディスク２６０’、密封層１７０’、 ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０、勾配相互接続部１４０、及び、遮断板２５０を接合して、図９で示されるようなＳＯＦＣ装置４００を形成する。
【００４９】
図９で示されるように、ＳＯＦＣ装置４００は、以下の構成素子からなる。第一勾配相互接続部 (たとえば、勾配相互接続部１４０)は、互いに向かい合う第一表面 (たとえば、表面１７０)と第二表面 (たとえば、表面１６０)を有し、第一トレンチ (たとえば、トレンチ１８５)が第一勾配相互接続部の第一表面に形成され、第二トレンチ (たとえば、トレンチ１９５)が第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル ２０５)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク ２６０)は、第一トレンチ中に形成され、一部が第一勾配相互接続部の第一表面上から突出する。第一密封層 (たとえば、密封層 ２７０)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造 (たとえば、ＭＥＡ２８５)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一表面(たとえば、表面２８２)と第二表面(たとえば、表面２８４)を有する電解質層 (たとえば、電解質層２８０)と、ＭＥＡの第一表面上に形成され、第一多孔導電ディスクと第一密封層と接触する第一電極と、からなる。第二勾配相互接続部 (たとえば、勾配相互接続部１４０’) は、電解質層の第二表面上に形成され、互いに向かい合う第三表面 (たとえば、表面１７０’) と第四表面 (たとえば、表面1６０’)を有し、第三トレンチ (たとえば、トレンチ1８５’)は第二勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第四トレンチ (たとえば、トレンチ1９５’)は第二勾配相互接続部の第四表面上に形成される。第二相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル２０５’)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第三と第四トレンチを接続する。第二多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク２６０’) は、第三トレンチ中に形成され、一部が第二勾配相互接続部の第三表面から突出する。第二密封層(たとえば、密封層 ２７０’) は、第一勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第三トレンチを囲繞し、電解質層の第二表面は第二密封層と接触し、第二電極は第二多孔導電相互接続ディスクと接触する。
【００５０】
この具体例中、遮断板２５０’、勾配相互接続部１４０’、多孔導電ディスク２６０’、密封層１７０’の材料は、 図５と図６で示されるＳＯＦＣ装置３００に用いられる遮断板２５０、勾配相互接続部１４０、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０と同じである。注意すべきことは、多孔導電ディスク２６０’と２６０がそれぞれ、陽極側コネクタ及び陰極側コネクタとして機能し、多孔導電ディスク２６０’と２６０は異なる材料で形成されることである。
【００５１】
この具体例中、図９で示されるＳＯＦＣ装置４００は、セルユニットとして用いられ、ＭＥＡ２８５の中央を境として、陽極側３１０と陰極側３２０に分けられる。ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０/２６０’、遮断板 ２５０/２５０’ がまず準備され、その後、ＳＯＦＣ装置４００の組み立て中に提供される。素子が先に準備されるので、ＳＯＦＣ装置４００ は製造が容易で、大量生産に適する。
【００５２】
図８と図９で示されるＳＯＦＣ装置の製造方法中、小面積のＳＯＦＣ装置４００の製造状況が示されている。しかし、ＳＯＦＣ装置の製造方法は、勾配相互接続部１４０ と１４０’、多孔導電ディスク２６０と２６０’、密封層１７０と１７０’、及び、ＭＥＡ２８５を重複して配置することにより、大面積のＳＯＦＣ装置を製造することもできる。
【００５３】
図１０で示されるように、セルスタック構造を有する他の具体例のＳＯＦＣ装置５００が説明される。図９と同じ素子は、ＳＯＦＣ装置５００中でも同じ符号で示される。更に、図１０で示される接続トンネル１９６が勾配相互接続部１４０/１４０’のそれぞれの表面１６０上に形成され、接続トンネル１９６はその後、レーザー溶接（laser welding）によりガス供給パイプ（図示しない）に接続されて、セルスタック構造を形成する。更に、図１１で示されるように、 図１０中の３組のＳＯＦＣ装置５００を横向けに結合することにより形成されたもう一つの具体例によるＳＯＦＣ装置６００が示され、複数の接続トンネル１９６がレーザー溶接によりＳＯＦＣ装置５００間に提供され、ガス供給パイプに接続される。
【００５４】
図６と図７、及び、図９〜図１１で示されるＳＯＦＣ装置は以下のような長所を有する。
【００５５】
1. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、勾配濃度変化があるニッケルベースの超合金とセラミック材料を用い、密封層２７０/２７０’の表面１７０/１７０’に接続される勾配相互接続部の一部は、セラミックが豊富に含有した組成で形成される (たとえば、セラミック含有率≧５０ｖｏｌ％)。よって、セラミック/セラミック接合は、密封層２７０/２７０’中のセラミック密封材料とＭＥＡ２８５中のセラミック材料からなる電解質層２８０間に形成され、よって、相互接続板の金属材料とセラミック電解質中のセラミック材料間の湿潤特性の差異により生じる金属/セラミック接合問題が解決する。
【００５６】
２. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、ニッケルベースの超合金を用い、９００℃の高い動作温度下での酸化問題を回避する。
【００５７】
３. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、勾配濃度変化があるニッケルベースの超合金、 鉄ベースの合金、及び、セラミック材料を用い、密封層２７０/２７０’の表面１７０/１７０’と接続する勾配相互接続部の一部は、セラミックが豊富に含有された組成物(セラミック含有率 が５０ｖｏｌ％以上)により形成され、遮断板２５０/２５０’、或いは、表面１６０/１６０’と接続する勾配相互接続部は、セラミック含量が０〜２０ｖｏｌ％の金属を豊富に含有した組成物により形成される。
よって、燃料電池機器の動作により誘発される温度サイクリングの後、密封層２７０/２７０’の表面に接続された勾配相互接続部のセラミックが豊富に含有された組成物と、近接したセラミック材料のＭＥＡ２８５との間で圧縮応力が生じ、遮断板２５０/２５０’、或いは、表面１６０/１６０’に接続された勾配相互接続部の金属を豊富に含有した組成物間で引張応力（tensile stress）が生じ、これにより、ＭＥＡ２８５、密封層２７０/２７０’、勾配相互接続部の表面１７０/１７０’間のセラミック密封破裂や漏れを防止する。本発明のＳＯＦＣ装置は、３０回以上の、２５〜８００℃の温度サイクリングテスト後も、構造的完全性（structural integrity）が維持され、湾曲や破裂が生じない。
【００５８】
4. 密封層２７０/２７０’中に用いられるセラミック密封材料は改善された強度と増加した破壊靱性（fracture toughness）を提供する。密封プロセスは高温１１００〜１２００℃なので、接合信頼度は、８００℃の高温動作下でも持続する。
【００５９】
５. 多孔導電ディスク ２６０/２６０’とＭＥＡ２８５の電解質層２８１と２８３は 、勾配相互接続部１４０/１４０’中に内蔵される。多孔導電ディスク２６０/２６０’は、電解質構造に適当な支持を提供し、金属が豊富に含まれた組成物の勾配相互接続部１４０/１４０’はＭＥＡに適当な機械的保護を提供し、これにより、燃料電池機器の組み立て中の完全性を確保する。
【００６０】
６. 本発明のＳＯＦＣ装置中のＭＥＡ、勾配相互接続部、多孔導電ディスク、密封層等の素子は、個別に製造され、組み合われることにより、大集積と大面積のＳＯＦＣ装置を形成する。
【実施例】
【００６１】
例１:勾配相互接続部Ａの製造
勾配相互接続部Ａは Inco625をニッケルベースの超合金とし、ナノアルミニウム酸化物をセラミック材料とし、勾配相互接続部Ａは五個の勾配サブレイヤーを有し、それぞれ、３ｃｍ×３ｃｍの表面積を有する。各勾配サブレイヤーの組成は以下のようである。
第一勾配 サブレイヤー:４５ｖｏｌ％ Inco625と５５ｖｏｌ％ Al2O3;
第二勾配 サブレイヤー:５５ｖｏｌ％ Inco625と４５ｖｏｌ％ Al2O3;
第三勾配 サブレイヤー:７０ｖｏｌ％ Inco625と３０ｖｏｌ％ Al2O3;
第四勾配 サブレイヤー:８５ｖｏｌ％ Inco625と1５ｖｏｌ％ Al2O3;及び
第五勾配 サブレイヤー:1００ｖｏｌ％ Inco625。
【００６２】
例２：勾配相互接続部Ｂの製造
勾配相互接続部Ｂは、Inco625 をニッケルベースの超合金とし、ナノアルミニウム酸化物をセラミック材料とし、勾配相互接続部Ｂは５個の勾配サブレイヤーを有し、それぞれ、３ｃｍ×３ｃｍの表面積を有する。各勾配サブレイヤーの組成は以下のようである。
第一勾配サブレイヤー:５５ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、３５ｖｏｌ％ Inco625、及び、 １０ｖｏｌ％ Al2O3 + １０ｗｔ％ Bi2O3 (3Y-ZrO2、Inco625、及び、Al2O3の量に基づく);
第二勾配サブレイヤー:２０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、４５ｖｏｌ％ Inco625、２６．５ｖｏｌ％ 410SS、及び、５ｖｏｌ％ SiC;
第三勾配サブレイヤー: ４０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、４０ｖｏｌ％ Inco625、１５ｖｏｌ％ 410SS、及び、８．５ｖｏｌ％ SiC;
第四勾配サブレイヤー:１０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、５０ｖｏｌ％ Inco625、３０ｖｏｌ％ 410SS、及び、１０ｖｏｌ％ SiC;
第五勾配サブレイヤー:５０ｖｏｌ％ Inco625、４０ｖｏｌ％ 410SS、及び、１０ｖｏｌ％ SiC。
【００６３】
勾配相互接続部 ＡとＢ中の第三勾配サブレイヤーと第二勾配サブレイヤー間の材料特性は著しく変化するので、このような非線形変化は、圧縮応力により形成される勾配相互接続部ＡとＢ中の金属を豊富に含有した端で引張応力、勾配相互接続部ＡとＢ中のセラミックを豊富に含有した端で圧縮応力を生じる。よって、熱応力により誘発されるセラミック材料のクラックが除去される。勾配相互接続部ＡとＢのサブレイヤーは、アルゴン雰囲気、１２００℃の条件で熱圧縮され、これにより、勾配相互接続部ＡとＢを形成する。
【００６４】
例３：電解質層の準備
8Y-ZrO2 固体酸化物の粉末 (Zirconia Sales (米国), Inc. (Marietta, Georgia,米国)により製造)が提供され、モールドにより圧縮されて、薄いディスクを形成する。得られた薄いディスクは、大気環境で、１５５０℃の温度で、３時間焼結される。焼結された薄いディスクは、その後、適当な機械プロセスと研磨により、薄くされ、艶出しされる。
【００６５】
例４：陰極電極の製造
含量が５０〜７５ｗｔ％の(La,Sr)MnO3 、５０〜２５ｗｔ％の8Y-ZrO2を混合して得られるスラリー、ポリビニルアルコール結合剤を含む溶液が電解質層上にコートされ、その後、９００〜１２００℃で、二時間焼結されて、陰極電極を得る。高気孔率の陰極電極を得るため、(La,Sr)MnO3の粉末が、まず、９００〜１２５０℃下で焼結され、その後、機械粉砕方法により処理され、更に、きめを粗くする。
【００６６】
例５：陽極電極の製造
含量が５０〜３０ｗｔ％の8Y-ZrO2 、５０〜７０ｗｔ％の NiOを混合して得られるスラリー、ポリビニルアルコール結合剤を含む溶液が電解質層上にコートされ、その後、１２００〜１４００℃で、二時間焼結されて、陽極電極を得る。高気孔率の陰極電極を得るため、8Y-ZrO2の粉末が、まず、１０００〜１３５０℃下で焼結され、その後、機械粉砕方法により処理され、更に、きめを粗くする。
【００６７】
例６：密封層の製造
３５ｖｏｌ％のInco625、２０ｖｏｌ％のMnO、１５ｖｏｌ％のBaAl2Si2O8、 １５ｖｏｌ％のTi、及び、２０ｖｏｌ％のBi2O3の組成の密封材料が、ＭＥＡに面する勾配相互接続部の表面上にコートされる。
【００６８】
温度サイクリングテスト：
電極層でコートされた電解質層、密封層、及び、勾配相互接続部からなるスタック構造上に、大きな重量を掛けた状態で、１２００℃で、３０分間、圧縮プロセスが実行されて、単一のセルユニットを形成する。光学顕微鏡と電気顕微鏡により、単一セルユニットの素子間の界面にテストが実施されて、界面でクラックが生じないことが分かる。密封層が、勾配相互接続部により電解質層を緊密に接合する。
【００６９】
次に、２５〜８００℃で、３０回、熱疲労試験（thermal fatigue test）がスタック構造に実行される。熱疲労試験で、スタック構造は、五段階で、徐々に、高温の加熱炉に送られる。各段階で１分ほど停留し、第五段階は１０分である。その後、スタック構造を出すときも、五段階で、それぞれ１分停留し、高温加熱炉から徐々に離れる。高温加熱炉により実行される３０回の熱疲労試験を経ても、スタック構造の構造的完全性が維持される。スタック構造中の素子は、１２５０℃の製造プロセス中、熱応力に耐えることができ、８００℃で実行される温度サイクリングテストで、界面での亀裂やガス漏れが発生しない。
【００７０】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【符号の説明】
【００７１】
１００〜モールド
１０２、１０４、１０６、１０８〜勾配サブレイヤー
１１０〜圧縮プロセス
１４０、１４０’〜 勾配相互接続部
１６０、１６０’、１７０、１７０’〜表面
１８０、１９０〜機械プロセス
１８５、１８５’、１９５、１９５’〜トレンチ
１９６〜接続トンネル
２０５、２０５’〜相互接続トンネル
２５０、２５０’〜遮断板
２６０、２６０’〜電極
２７０、２７０’〜密封層
２８０〜電解質層
２８１、２８３〜電極層
２８５〜膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)
２８２、２８４〜電解質層の表面
２９０〜圧縮プロセス
３００、３００’、４００、５００、６００〜ＳＯＦＣ装置
３１０〜陰極側
３２０〜陽極側
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池機器に関するものであって、特に、勾配相互接続部を有する固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cell、SOFC)装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
低温で動作する固体高分子型燃料電池（proton exchange membrane fuel cells 、PEMFC) 、或いは、直接メタノール型燃料電池（direct methanol fuel cell 、DMFC) 等の燃料電池、及び、高温で動作する溶融炭酸塩型燃料電池（molten carbonates fuel cells 、MCFC) 、及び、固体酸化物型燃料電池（solid oxide fuel cells、SOFC)等の燃料電池が既に開発されている。ＳＯＦＣの長所は、電解質が固体で形成されるので、低汚染、高エネルギー変換効率（high energy conversion efficiency）で、電解質蒸発（electrolyte evaporation）、漏れ（leakage）、腐蝕（corrosion）がないことである。よって、ＳＯＦＣの動作寿命は長い。
【０００３】
ＳＯＦＣは、陽極（anode）、陰極（cathode）、固体酸化物電解質（solid oxide electrolyte）、及び、相互接続板（interconnect plate） (又は、バイポーラ板（bipolar plate）、或いは、相互接続とも称される)からなる。相互接続板はＳＯＦＣの鍵となる要素で、材料はセラミックか金属である。相互接続板は、二つの近接する単一セルユニットの陰極と陽極を接合し、又、物的障壁となり、ＳＯＦＣの陰極端の還元環境から、陰極電極中の材料を保護する。同様に、相互接続板は、ＳＯＦＣの陽極端の酸化環境から、陽極電極材料を保護する。
【０００４】
主に、鉄ベース材料等の材料からなる金属相互接続板がＳＯＦＣに用いられる。LaCrO3 等のセラミック酸化物が早期の相互接続板に用いられ、高い動作温度を可能にしていたが、LaCrO3 は、鉄ベースの材料と比較すると、高価で、加工しにくく、延性に乏しい。
【０００５】
よって、現在は、鉄ベースの材料がＳＯＦＣに用いられる。しかし、鉄ベースの材料とイットリア安定化ジルコニア（yttria-stabilized zirconia 、YSZ)の固体酸化物電解質との間に、セラミック/鉄の界面の接合問題が存在し、固体酸化物電解質の辺縁において、水素と酸素との混合が起こってしまい、これにより、ＳＯＦＣの密封に影響を与える。また、鉄ベースの材料は、空気中の高温で酸化される。
【０００６】
更に、ＳＯＦＣの高い動作温度と快速な温度サイクリングの問題により、ＳＯＦＣが高い熱応力を受ける。故に、ＳＯＦＣ中の固体酸化物電解質、電極、及び、相互接続板などの素子間の異なる材料の接合は、高温度動作と温度サイクリング動作下で、異なる材料間の接合状況の機械性質の差異により熱応力を生成し、この熱応力が、ＳＯＦＣ内の素子を破裂させたり、ＳＯＦＣの機械構造の整合性を破壊し、ＳＯＦＣの反応ガスの漏れが発生する。
【０００７】
よって、従来の固体酸化物電解質と相互接続板とを用いることにより生じる、密封問題、高動作温度での酸化問題、機械構造整合性の問題を解決するために、ＳＯＦＣの構造を改善する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell、SOFC)装置とその製造方法を提供し、上述の問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一具体例によると、勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池装置は、以下の構成要素からなる。第一勾配相互接続部は、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有し、第一トレンチが第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチが、第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネルが、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスクは、第一トレンチ中に位置し、一部が第一勾配相互接続部の第一表面から突出する。第一密封層は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造（membrane electrode assembly、MEA）は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有する電解質層と、第一表面上に位置する第一電極と、第二表面上に位置する第二電極と、からなり、電解質層の第一表面は第一密封層と接触し、第一電極は第一多孔導電ディスクと接触する。
【００１０】
他の具体例によると、ＳＯＦＣ装置は、更に、以下の構成要素からなる。第二勾配相互接続部は、電解質層の第二表面に位置し、互いに向かい合う第三、及び、第四表面を有し、第三トレンチが第二勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第四トレンチが、第二勾配相互接続部の第四表面に形成され、第二相互接続トンネルが、第二勾配相互接続部中に形成され、第三と第四トレンチを接続する。第二多孔導電ディスクは、第三トレンチ中に位置し、一部が第二勾配相互接続部の第三表面から突出する。第二密封層は、第二勾配相互接続部の第三表面上に位置し、第三トレンチを囲繞し、電解質層の第二表面は第二密封層に接触し、第二電極は第二多孔導電ディスクに接触する。
【発明の効果】
【００１１】
公知の金属/セラミック接合問題、及び、高い動作温度下での酸化問題を防止し、また、構造的完全性が維持され、湾曲や破裂が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の具体例による勾配相互接続部を製造する方法の断面図である。
【図２】本発明の具体例による勾配相互接続部を製造する方法の断面図である。
【図３】本発明の様々な具体例による勾配相互接続部の立体図である。
【図４】本発明の様々な具体例による勾配相互接続部の立体図である。
【図５】本発明の具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図６】本発明の具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図７】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【図８】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図９】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣを製造する方法の断面図である。
【図１０】本発明のもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【図１１】本発明の更にもう一つの具体例によるＳＯＦＣの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のＳＯＦＣ装置とその製造方法の様々な具体例は、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００１４】
図１と図２で、勾配相互接続部の製造方法が説明される。勾配相互接続部は本発明のＳＯＦＣ装置に適用される。
【００１５】
図１のように、グラファイト等の材料からなるモールド１００が提供される。次に、複数の勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８が提供され、下から上にモールド１００中にスタックされる。モールド１００中に提供された勾配サブレイヤーの数量は、図１の４個に限定されず、必要に応じて増減できる。
【００１６】
具体例中、サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８を形成する材料は、テープキャスティング（tape-casting）、プラズマスプレイ（plasma spraying）、及び、スクリーンプリント（screen-printing）等の湿式処理方法を用いて、下から上に、モールド１００中にスタックされる。勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８を形成する材料は、様々な含量のセラミック材料、及び、ニッケルベースの超合金である。
【００１７】
勾配サブレイヤー１０４、１０６、及び１０８中のセラミック材料の含量は、勾配サブレイヤー１０４から勾配サブレイヤー１０８に増加し、勾配サブレイヤー１０４、１０６、及び、１０８中のニッケルベースの超合金の含量は、勾配サブレイヤー１０８から勾配サブレイヤー１０４に増加する。勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び 、１０８の形成中、材料の含量は適時変更し、後述する湿式処理の後、各勾配サブレイヤー中の有機材料を除去するために、乾燥や焼結等の追加のプロセスが実行される。
【００１８】
次に、温度約１０００℃〜１３００℃、且つ、 窒素雰囲気下で、圧縮プロセス１１０が実行され、モールド１００内の勾配サブレイヤー１０２、 １０４、１０６、及び、１０８を約３０分間熱圧縮し、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８が接合され、勾配相互接続部（濃度勾配を有する相互接続部）１４０を形成する。勾配相互接続部１４０は、厚さTが約１〜４ｍｍで形成される(図２で示される)。勾配相互接続部１４０中の勾配サブレイヤー１０８は、セラミック含量が５０ｖｏｌ％以上で、ニッケルベースの超合金含量は５０ｖｏｌ％以下である。勾配サブレイヤー１０２は、５０〜1００％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄と０〜２０ｖｏｌ％のセラミックからなる。
【００１９】
勾配サブレイヤー１０８は、５０ｖｏｌ％以上のセラミック含量で形成され、勾配サブレイヤー１０８は非導電で、他の勾配サブレイヤー１０６、１０４、及び、１０２は、５０ｖｏｌ％以下のセラミック含量、或いは、０ｖｏｌ％のセラミック含量で形成される。勾配サブレイヤー１０６、１０４、及び 、１０２は導電サブレイヤーである。
【００２０】
具体例中、勾配 サブレイヤー１０２、１０４、１０６、及び、１０８の製造に適するニッケルベースの超合金として、例えば、Inco625、Inco600、或いは、Inco601があり、勾配サブレイヤー１０２、１０４、及び、１０６の製造に適したセラミック材料は、例えば、SiC、TiN、及び、BNの導電セラミック、ナノAl2O3、イットリア安定化ジルコニア(たとえば、８Y-ZrO2及び３Y-ZrO2)、Bi2O3、MnO、バリウムアルミノケイ酸塩（（barium aluminosilicate）(たとえば、BaAl2Si2O8)、ケイ酸塩ガラス（silicate glass ）、或いは、二酸化チタン（titanium dioxide、TiO2)がある。鉄ベースの鋼鉄がニッケルベースの超合金に加えられて、熱応力作用を調整する。材料の組成は以下の通りである。
【００２１】
Inco625は、６１ｗｔ％のNi、２１.５ｗｔ％のCr、２.５ｗｔ％のFe、０.２ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSi、９ｗｔ％のMo、及び、３.６ｗｔ％のNbからなる。
Inco600は、７５ｗｔ％のNi、 １５.５ｗｔ％のCr、８ｗｔ％のFe、０.５ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSiからなる。
Inco601は、６０.５ｗｔ％のNi、２３ｗｔ％のCr、１４.１ｗｔ％のFe、０.５ｗｔ％のMn、０.２ｗｔ％のSi、１．４ｗｔ％のAlからなる。
イットリア安定化ジルコニアは、８ｗｔ％のY2O3-ZrO2 、或いは、３ｗｔ％のY2O3-ZrO2からなる。
バリウムアルミノケイ酸塩は、BaAl2Si2O8からなる。
ケイ酸塩ガラスは、０〜２０ｗｔ％Li2O、 Na2O、 K2O、或いは、Ba2O3がドープされたBaAl2Si2O8からなる。
鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSからなる。
【００２２】
図２中、勾配相互接続部１４０はモールド１００から分離され、その後、機械プロセスが勾配相互接続部１４０上で実行される。例えば、回転、フライス、或いは、研磨などの機械プロセス１８０が勾配サブレイヤー１０８の表面１７０上で実行され、トレンチ１８５が勾配サブレイヤー１０８と１０６中に形成される。トレンチ１８５は、深さｄ１が約０.２〜０.８ｍｍである。次に、回転、フライス、或いは、研磨などの他の機械プロセス１９０が勾配サブレイヤー１０２の表面１６０上で実行されて、勾配サブレイヤー１０２中にトレンチ１９５を形成する。トレンチ１９５は、深さｄ２が約０.２〜０.８ｍｍである。次に、ドリル等の機械プロセス２００が、トレンチ１９５により露出した勾配サブレイヤー１０２で実行されて、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過する相互接続トンネル２０５を形成する。相互接続トンネル２０５は、勾配サブレイヤー１０８中のトレンチ１８５と、勾配サブレイヤー１０２中のトレンチ１９５を接続する。
【００２３】
この具体例中、トレンチ１８５は、勾配相互接続部１４０と陽極電極、或いは、陰極電極とを接続するための多孔導電ディスクを配置するための導電トレンチとなり、トレンチ１９５は酸素か水素等の反応ガスを保存するガスタンクとなる。相互接続トンネル２０５はトレンチ１８５と１９５間に提供されるガストンネルとなり、トレンチ１９５からの反応ガスが、トレンチ１８５中の多孔導電ディスクに運搬され、これにより、反応ガスがＭＥＡの近くまで運搬されて、電気化学反応する。
【００２４】
具体例中の相互接続トンネル２０５は、直径Ｄが２ｍｍ以下の単一トンネルとして描かれている。相互接続トンネル２０５は図２のものに制限されず、間隔を隔てた複数の相互接続トンネル２０５が勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８に提供されて、トレンチ１９５から、トレンチ１８５中に形成された多孔導電ディスクへのガス運搬量を増加させてもよい。
【００２５】
図２で示されるように、トレンチ１８５は二つの勾配サブレイヤー１０８と１０６に形成され、トレンチ１９５は一つの勾配サブレイヤー１０２中に形成される。しかし、トレンチ１８５と１９５の形成は、図２のものに制限されず、トレンチ１８５と１９５の底部表面は、半分、一層、一層半、或いは、二層の勾配サブレイヤー内に形成することができ、これにより、導電性のある勾配サブレイヤーの表面を露出させることができる。
【００２６】
図３は、図２で示される勾配相互接続部１４０の立体図である。勾配相互接続部１４０は直方体で示されるが、これに制限されない。勾配相互接続部１４０は、他の円柱形等の形状に形成することもできる。図３で示されるように、トレンチ１８５は、勾配サブレイヤー１０８と１０６に位置する円形トレンチで、勾配サブレイヤー１０６の表面により露出され、また、トレンチ１８５は、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過して形成される相互接続トンネル２０５を露出させる。トレンチ１９５は勾配サブレイヤー１０２に内蔵されるので、勾配サブレイヤー１０２中に位置するトレンチ１９５は図３で示されない。
【００２７】
図４は、図２で示される勾配相互接続部１４０の他の立体図である。図４で示されるように、勾配相互接続部１４０は図３とほぼ同じである。図４中、勾配相互接続部１４０の勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８は、上下が逆さまで、勾配サブレイヤー１０２の表面１６０により露出するトレンチ１９５を表示する。
【００２８】
この具体例中、トレンチ１９５は、勾配サブレイヤー１０２中に形成された円形トレンチとして示され、また、トレンチ１９５は、勾配サブレイヤー１０２、１０４、１０６と１０８を通過する相互接続トンネル２０５を露出させる。トレンチ１８５は勾配サブレイヤー１０８内に内蔵されるので、示されていない。更に、勾配相互接続部の大面積の製作において、トレンチ１９５の相対側に近接して、勾配サブレイヤー１０２中に、更に、接続トンネル１９６ (点線で示される) が形成される。
【００２９】
図２〜図４で示されるように、勾配相互接続部１４０中のトレンチ１８５と１９５は円形トレンチとして示されるが、これに制限されない。トレンチ１８５と１９５は、方形等、その他の多角形に形成され、勾配相互接続部１４０は立方体に制限されず、円盤、或いは、円形インゴット等のほかの形状に形成してもよい。
【００３０】
図５と図６は、ＳＯＦＣ装置を製造する方法の断面図である。
【００３１】
図５中、まず、図２で示される勾配相互接続部１４０等の勾配相互接続部が提供される。勾配相互接続部１４０は互いに向かい合う表面１７０と１６０を有し、トレンチ１８５、１９５と相互接続トンネル２０５が勾配相互接続部内に設置される。相互接続トンネル２０５は、トレンチ１８５とトレンチ１９５を接続し、トレンチ１９５に保存される反応ガスをトレンチ１８５に運搬することを可能とする。次に、密封層２７０が勾配相互接続部１４０の表面１７０上に形成される。ここで、密封層２７０はトレンチ１８５を囲繞する。次に、多孔導電ディスク２６０が提供され、トレンチ１８５内に配置される。この具体例中、多孔導電ディスク２６０は導電パレットで、一部が勾配相互接続部１４０の表面１７０から突出する。次に、電解質層２８０と、電解質層２８０の互いに向かい合う表面２８２と２８４上にそれぞれ形成された電極層２８１、２８３と、を有する膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)２８５が提供される。この具体例中、ＭＥＡの表面２８２と電極層２８１は、トレンチ１８５、密封層２７０と多孔導電ディスク２６０に面している。
【００３２】
一具体例中、表面２８２と２８４上に形成された電極層２８１と２８３は、多孔陰極層か多孔陽極層となる。電極層２８１と２８３の一つが陽極電極層として機能する場合、イットリア安定化ジルコニアとニッケルか銅からなる多孔膜が提供され、電極層２８１と２８３の一つが陰極電極層として機能する場合、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)FeO3、(La,Sr)CoO3、或いは、La(Ni,Fe)O3等の導電酸化物と電解質材料からなる多孔膜が提供される。
【００３３】
次に、遮断板２５０が提供され、勾配相互接続部１４０の表面１６０近くに設置される。次に、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセス２９０が約１５〜６０分行われて、ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０、勾配相互接続部１４０、及び、遮断板２５０を接合し、これにより、図６で示されるような、固体酸化物型燃料電池 (ＳＯＦＣ)装置３００を形成する。
【００３４】
図６で示されるように、ＳＯＦＣ装置３００が提供され、以下の構成要素からなる。第一勾配相互接続部(たとえば、勾配相互接続部１４０)は、互いに向かい合う第一表面 (たとえば、表面１７０)と第二表面 (たとえば、表面１６０)を有し、第一トレンチ (たとえば、トレンチ１８５)が第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第二トレンチ (たとえば、トレンチ１９５)が第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル２０５)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク２６０)は、第一トレンチ中に配置され、一部が第一勾配相互接続部の第一表面上から突出する。第一密封層 (たとえば、密封層２７０) は、第一勾配相互接続部の第一表面上に位置し、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造 (ＭＥＡ) (たとえば、ＭＥＡ２８５)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に位置し、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一と第二表面を有する電解質層と、ＭＥＡの第一表面上に位置し、第一多孔導電ディスクと第一密封層に接触する第一電極と、からなる。
【００３５】
具体例中、多孔導電ディスク２６０は、陰極側コネクタか陽極側コネクタとなる。陰極側コネクタを製造する適当な材料は、(La,Sr)MnO3、(La,Sr)(Fe,Co)O3、(La,Sr)FeO3、(La,Sr)CoO3、或いは、La(Ni,Fe)O3等の導電酸化物、及び、電解質で、陽極側コネクタを製造するのに適当な材料は、ニッケルか銅を含むイットリア安定化ジルコニアである。
【００３６】
多孔導電ディスク２６０の製造は、まず、上述の電極を形成するための材料を砕いて粉末とし、これらの粉末を圧縮して、ペレットを形成し、ペレットはその後、トレンチ中に設置する。粗粉末は熱圧縮プロセスで緻密に出来ないので、多数の微細孔が形成され、電気化学反応させるために、反応ガスを電極まで流すことを可能とする。 粗粉砕プロセスは、まず、材料を９００〜１２５０℃に加熱し、機械クラッシュ方法を実行して、焼結されにくい粗粉末を形成する。
【００３７】
電解質層２８０の材料は、例えば、イットリア安定化ジルコニア(たとえば、8wt% Y2O3-ZrO2, 8Y-ZrO2)、希土類元素金属をドープした酸化セリウム（cerium oxide）(たとえば、(Ce,Gd)O2)、ストロンチウム（strontium）とマグネシウム（magnesium）をドープしたランタン酸化ガリウム（lanthanum gallium oxide）(たとえば、(La,Sr)(Ga,Mg)O3)、希土類元素金属、或いは、BaCeO3、SrCeO3、BaZrO3、及び、SrZrO3などのセラミック固体酸化物電解質をドープした灰チタン石（Perovskite）である。電解質層２８０は、厚さ約１０ 〜数１００μｍ、直径が５０ｍｍ以上に形成される。
【００３８】
電解質層２８０の製造は、まず、材料の粉末を、厚さが１ｍｍ以下の薄いタブレットに圧縮し、薄いタブレットは、その後、温度約１５００℃〜１６００℃で、１〜６ 時間焼結され、粗研磨（rough grinding）、 微粉砕（fine grinding）、 及び、研磨プロセス（polishing process）などの機械プロセスにより処理される。電極層２８１と２８３は、電解質層２８０一表面上(表面２８２)と別表面 (表面２８４) にコートされて、サンドウィッチ構造を形成する。テープキャスティングプロセス（tape casting process）も実行することができ、この場合には、電解質テープと、テープキャスティング方法により形成された電極層２８１および別の電極層２８３と、を結合することにより、サンドウィッチされた電解質層２８０を形成する。
【００３９】
更に、この具体例中、密封層２７０は、セラミック材料、例えば、２０ｖｏｌ％のMnOと２０ｖｏｌ％のBi2O3の低融点の酸化物、１０ｖｏｌ％のBaAl2Si2O8、１５ｖｏｌ％のTi、及び、３５ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金等を含む。他の具体例中、密封層２７０内に、含有率１０〜３０ｖｏｌ％のセラミック材料、例えば、ナノアルミニウム酸化物、K2O、Na2O、B2O3、或いは、TiO2、或いは、それらの混合物がドープされたBaAl2Si2O8を添加することができ、これにより、密封層の焼結を強化する。密封層２７０に加えられる低融点のその他の酸化物は、例えば、ZnO、SnO2、In2O3、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物（alkaline-earth metal oxide）、或いは、それらの混合物で、ニッケルベースの超金属は、例えば、Inco625、Inco600、或いは、Inco601である。
【００４０】
具体例中、ガラス充填剤の公知の材料と比較すると、密封層２７０の３Y-ZrO2セラミック材料は好ましい靭性と強度を有し、低融点の酸化物の添加により、密封温度1２００℃以下で、圧縮プロセスが実行できる。
【００４１】
更に、この具体例中、トレンチ1９５を密封するために勾配相互接続部１４０の表面１６０上に位置する遮断板２５０が用いられ、遮断板２５０は５０〜1００ vol% のニッケルベースの超合金、３０〜４０ vol% の鉄ベースの鋼鉄、及び、０〜２０ vol% のSiCのセラミックで形成され、これにより、勾配相互接続部１４０の金属を豊富に含む相である表面１６０と精確に接合する。
【００４２】
図６で示されるＳＯＦＣ装置３００は、ＳＯＦＣ装置の陰極端か陽極端に位置する単一セルユニットとなる。陰極電解質層、陽極電解質層がコートされたＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、及び、遮断板２５０がまず準備され、ＳＯＦＣ装置３００の組み立て中に提供される。ＳＯＦＣ装置３００の素子が先に製造されるので、ＳＯＦＣ装置は組み立てが簡単で、量産に適する。
【００４３】
図５と図６で示されるＳＯＦＣ装置の製造方法中、小面積のＳＯＦＣ装置の製造状況が示されている。しかし、ＳＯＦＣ装置の製造方法は、勾配相互接続部１４０と遮断板２５０の表面積を拡大することにより、大面積のＳＯＦＣ装置を製造することもできる。ＭＥＡ２８５と多孔導電ディスク２６０等のほかの素子は小面積のものを参照にして製造すればよい。図７は、大面積で形成された勾配相互接続部１４０’と遮断板２５０’を有する改良されたＳＯＦＣ装置３００’を示す図である。ＳＯＦＣ装置 ３００’は、図６で示される３組の単一セルユニットからなる。
【００４４】
図８と図９は、ＳＯＦＣ装置を製造する他の方法の断面図である。
【００４５】
図８で、図２の勾配相互接続部１４０等の勾配相互接続部が提供される。勾配相互接続部１４０は、互いに向かい合う表面１７０と１６０を有し、トレンチ１８５、１９５と相互接続トンネル２０５がその中に配置される。相互接続トンネル２０５は、トレンチ１８５とトレンチ１９５を接続して、トレンチ１９５中に保存された反応ガスをトレンチ１８５に送ることを可能としている。次に、密封層２７０が勾配相互接続部１４０の表面１７０上に形成されて、ここで、密封層２７０がトレンチ１８５を囲繞する。次に、多孔導電ディスク２６０が提供され、トレンチ１８５中に配置される。この具体例中、多孔導電ディスク２６０は電気的導電インゴットで、一部が勾配相互接続部１４０上の表面１７０から突出する。次に、膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)２８５が提供され、電解質層２８０と、電解質層２８０の互いに向かい合う表面２８２と２８４上にそれぞれ形成される電極層２８１と２８３からなる。この具体例中、ＭＥＡの表面２８２と電極層２８１は、トレンチ１８５、密封層２７０、及び、多孔導電ディスク２６０に面する。
【００４６】
次に、図２の勾配相互接続部１４０と類似の別の勾配相互接続部１４０’ が、ＭＥＡ２８５中の電解質層２８０の表面２８２上に提供される。ここで、勾配相互接続部１４０’は互いに向かい合う表面１７０’と１６０’を有し、表面１７０’は、ＭＥＡ２８５中の電解質層２８０の表面２８４と向かい合い、トレンチ１８５’、１９５’、及び、相互接続トンネル２０５’がその中に配置される。相互接続トンネル ２０５’はトレンチ１８５’とトレンチ１９５’を接続して、トレンチ １９５’に保存される反応ガスをトレンチ１８５’に送ることを可能としている。次に、密封層２７０’が勾配相互接続部１４０’の表面１７０’上に形成され、トレンチ １８５’を囲繞する。多孔導電ディスク２６０’が提供され、トレンチ１８５’中に位置する。
【００４７】
この具体例中、多孔導電ディスク２６０’は電気的導電インゴットで、一部が勾配相互接続部１４０’の表面１７０’から突出し、遮断板２５０と遮断板２５０’が提供され、それぞれ、勾配相互接続部１４０の表面１６０と勾配相互接続部 １４０’の表面１６０’に近接して設置される。
【００４８】
次に、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセス２９０が約１５〜６０分実行されて、遮断板２５０’、勾配相互接続部１４０’、多孔導電ディスク２６０’、密封層１７０’、 ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０、勾配相互接続部１４０、及び、遮断板２５０を接合して、図９で示されるようなＳＯＦＣ装置４００を形成する。
【００４９】
図９で示されるように、ＳＯＦＣ装置４００は、以下の構成素子からなる。第一勾配相互接続部 (たとえば、勾配相互接続部１４０)は、互いに向かい合う第一表面 (たとえば、表面１７０)と第二表面 (たとえば、表面１６０)を有し、第一トレンチ (たとえば、トレンチ１８５)が第一勾配相互接続部の第一表面に形成され、第二トレンチ (たとえば、トレンチ１９５)が第一勾配相互接続部の第二表面上に形成される。相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル ２０５)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第一と第二トレンチを接続する。第一多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク ２６０)は、第一トレンチ中に形成され、一部が第一勾配相互接続部の第一表面上から突出する。第一密封層 (たとえば、密封層 ２７０)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、第一トレンチを囲繞する。膜・電極一体構造 (たとえば、ＭＥＡ２８５)は、第一勾配相互接続部の第一表面上に形成され、ＭＥＡは、互いに向かい合う第一表面(たとえば、表面２８２)と第二表面(たとえば、表面２８４)を有する電解質層 (たとえば、電解質層２８０)と、ＭＥＡの第一表面上に形成され、第一多孔導電ディスクと第一密封層と接触する第一電極と、からなる。第二勾配相互接続部 (たとえば、勾配相互接続部１４０’) は、電解質層の第二表面上に形成され、互いに向かい合う第三表面 (たとえば、表面１７０’) と第四表面 (たとえば、表面1６０’)を有し、第三トレンチ (たとえば、トレンチ1８５’)は第二勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第四トレンチ (たとえば、トレンチ1９５’)は第二勾配相互接続部の第四表面上に形成される。第二相互接続トンネル (たとえば、相互接続トンネル２０５’)は、第一勾配相互接続部中に形成され、第三と第四トレンチを接続する。第二多孔導電ディスク (たとえば、多孔導電ディスク２６０’) は、第三トレンチ中に形成され、一部が第二勾配相互接続部の第三表面から突出する。第二密封層(たとえば、密封層 ２７０’) は、第一勾配相互接続部の第三表面上に形成され、第三トレンチを囲繞し、電解質層の第二表面は第二密封層と接触し、第二電極は第二多孔導電相互接続ディスクと接触する。
【００５０】
この具体例中、遮断板２５０’、勾配相互接続部１４０’、多孔導電ディスク２６０’、密封層１７０’の材料は、 図５と図６で示されるＳＯＦＣ装置３００に用いられる遮断板２５０、勾配相互接続部１４０、多孔導電ディスク２６０、密封層１７０と同じである。注意すべきことは、多孔導電ディスク２６０’と２６０がそれぞれ、陽極側コネクタ及び陰極側コネクタとして機能し、多孔導電ディスク２６０’と２６０は異なる材料で形成されることである。
【００５１】
この具体例中、図９で示されるＳＯＦＣ装置４００は、セルユニットとして用いられ、ＭＥＡ２８５の中央を境として、陽極側３１０と陰極側３２０に分けられる。ＭＥＡ２８５、多孔導電ディスク２６０/２６０’、遮断板 ２５０/２５０’ がまず準備され、その後、ＳＯＦＣ装置４００の組み立て中に提供される。素子が先に準備されるので、ＳＯＦＣ装置４００ は製造が容易で、大量生産に適する。
【００５２】
図８と図９で示されるＳＯＦＣ装置の製造方法中、小面積のＳＯＦＣ装置４００の製造状況が示されている。しかし、ＳＯＦＣ装置の製造方法は、勾配相互接続部１４０ と１４０’、多孔導電ディスク２６０と２６０’、密封層１７０と１７０’、及び、ＭＥＡ２８５を重複して配置することにより、大面積のＳＯＦＣ装置を製造することもできる。
【００５３】
図１０で示されるように、セルスタック構造を有する他の具体例のＳＯＦＣ装置５００が説明される。図９と同じ素子は、ＳＯＦＣ装置５００中でも同じ符号で示される。更に、図１０で示される接続トンネル１９６が勾配相互接続部１４０/１４０’のそれぞれの表面１６０上に形成され、接続トンネル１９６はその後、レーザー溶接（laser welding）によりガス供給パイプ（図示しない）に接続されて、セルスタック構造を形成する。更に、図１１で示されるように、 図１０中の３組のＳＯＦＣ装置５００を横向けに結合することにより形成されたもう一つの具体例によるＳＯＦＣ装置６００が示され、複数の接続トンネル１９６がレーザー溶接によりＳＯＦＣ装置５００間に提供され、ガス供給パイプに接続される。
【００５４】
図６と図７、及び、図９〜図１１で示されるＳＯＦＣ装置は以下のような長所を有する。
【００５５】
1. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、勾配濃度変化があるニッケルベースの超合金とセラミック材料を用い、密封層２７０/２７０’の表面１７０/１７０’に接続される勾配相互接続部の一部は、セラミックが豊富に含有した組成で形成される (たとえば、セラミック含有率≧５０ｖｏｌ％)。よって、セラミック/セラミック接合は、密封層２７０/２７０’中のセラミック密封材料とＭＥＡ２８５中のセラミック材料からなる電解質層２８０間に形成され、よって、相互接続板の金属材料とセラミック電解質中のセラミック材料間の湿潤特性の差異により生じる金属/セラミック接合問題が解決する。
【００５６】
２. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、ニッケルベースの超合金を用い、９００℃の高い動作温度下での酸化問題を回避する。
【００５７】
３. 勾配相互接続部１４０/１４０’は、勾配濃度変化があるニッケルベースの超合金、 鉄ベースの合金、及び、セラミック材料を用い、密封層２７０/２７０’の表面１７０/１７０’と接続する勾配相互接続部の一部は、セラミックが豊富に含有された組成物(セラミック含有率 が５０ｖｏｌ％以上)により形成され、遮断板２５０/２５０’、或いは、表面１６０/１６０’と接続する勾配相互接続部は、セラミック含量が０〜２０ｖｏｌ％の金属を豊富に含有した組成物により形成される。
よって、燃料電池機器の動作により誘発される温度サイクリングの後、密封層２７０/２７０’の表面に接続された勾配相互接続部のセラミックが豊富に含有された組成物と、近接したセラミック材料のＭＥＡ２８５との間で圧縮応力が生じ、遮断板２５０/２５０’、或いは、表面１６０/１６０’に接続された勾配相互接続部の金属を豊富に含有した組成物間で引張応力（tensile stress）が生じ、これにより、ＭＥＡ２８５、密封層２７０/２７０’、勾配相互接続部の表面１７０/１７０’間のセラミック密封破裂や漏れを防止する。本発明のＳＯＦＣ装置は、３０回以上の、２５〜８００℃の温度サイクリングテスト後も、構造的完全性（structural integrity）が維持され、湾曲や破裂が生じない。
【００５８】
4. 密封層２７０/２７０’中に用いられるセラミック密封材料は改善された強度と増加した破壊靱性（fracture toughness）を提供する。密封プロセスは高温１１００〜１２００℃なので、接合信頼度は、８００℃の高温動作下でも持続する。
【００５９】
５. 多孔導電ディスク ２６０/２６０’とＭＥＡ２８５の電解質層２８１と２８３は 、勾配相互接続部１４０/１４０’中に内蔵される。多孔導電ディスク２６０/２６０’は、電解質構造に適当な支持を提供し、金属が豊富に含まれた組成物の勾配相互接続部１４０/１４０’はＭＥＡに適当な機械的保護を提供し、これにより、燃料電池機器の組み立て中の完全性を確保する。
【００６０】
６. 本発明のＳＯＦＣ装置中のＭＥＡ、勾配相互接続部、多孔導電ディスク、密封層等の素子は、個別に製造され、組み合われることにより、大集積と大面積のＳＯＦＣ装置を形成する。
【実施例】
【００６１】
例１:勾配相互接続部Ａの製造
勾配相互接続部Ａは Inco625をニッケルベースの超合金とし、ナノアルミニウム酸化物をセラミック材料とし、勾配相互接続部Ａは五個の勾配サブレイヤーを有し、それぞれ、３ｃｍ×３ｃｍの表面積を有する。各勾配サブレイヤーの組成は以下のようである。
第一勾配 サブレイヤー:４５ｖｏｌ％ Inco625と５５ｖｏｌ％ Al2O3;
第二勾配 サブレイヤー:５５ｖｏｌ％ Inco625と４５ｖｏｌ％ Al2O3;
第三勾配 サブレイヤー:７０ｖｏｌ％ Inco625と３０ｖｏｌ％ Al2O3;
第四勾配 サブレイヤー:８５ｖｏｌ％ Inco625と1５ｖｏｌ％ Al2O3;及び
第五勾配 サブレイヤー:1００ｖｏｌ％ Inco625。
【００６２】
例２：勾配相互接続部Ｂの製造
勾配相互接続部Ｂは、Inco625 をニッケルベースの超合金とし、ナノアルミニウム酸化物をセラミック材料とし、勾配相互接続部Ｂは５個の勾配サブレイヤーを有し、それぞれ、３ｃｍ×３ｃｍの表面積を有する。各勾配サブレイヤーの組成は以下のようである。
第一勾配サブレイヤー:５５ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、３５ｖｏｌ％ Inco625、及び、 １０ｖｏｌ％ Al2O3 + １０ｗｔ％ Bi2O3 (3Y-ZrO2、Inco625、及び、Al2O3の量に基づく);
第二勾配サブレイヤー:２０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、４５ｖｏｌ％ Inco625、２６．５ｖｏｌ％ 410SS、及び、５ｖｏｌ％ SiC;
第三勾配サブレイヤー: ４０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、４０ｖｏｌ％ Inco625、１５ｖｏｌ％ 410SS、及び、８．５ｖｏｌ％ SiC;
第四勾配サブレイヤー:１０ｖｏｌ％ 3Y-ZrO2、５０ｖｏｌ％ Inco625、３０ｖｏｌ％ 410SS、及び、１０ｖｏｌ％ SiC;
第五勾配サブレイヤー:５０ｖｏｌ％ Inco625、４０ｖｏｌ％ 410SS、及び、１０ｖｏｌ％ SiC。
【００６３】
勾配相互接続部 ＡとＢ中の第三勾配サブレイヤーと第二勾配サブレイヤー間の材料特性は著しく変化するので、このような非線形変化は、圧縮応力により形成される勾配相互接続部ＡとＢ中の金属を豊富に含有した端で引張応力、勾配相互接続部ＡとＢ中のセラミックを豊富に含有した端で圧縮応力を生じる。よって、熱応力により誘発されるセラミック材料のクラックが除去される。勾配相互接続部ＡとＢのサブレイヤーは、アルゴン雰囲気、１２００℃の条件で熱圧縮され、これにより、勾配相互接続部ＡとＢを形成する。
【００６４】
例３：電解質層の準備
8Y-ZrO2 固体酸化物の粉末 (Zirconia Sales (米国), Inc. (Marietta, Georgia,米国)により製造)が提供され、モールドにより圧縮されて、薄いディスクを形成する。得られた薄いディスクは、大気環境で、１５５０℃の温度で、３時間焼結される。焼結された薄いディスクは、その後、適当な機械プロセスと研磨により、薄くされ、艶出しされる。
【００６５】
例４：陰極電極の製造
含量が５０〜７５ｗｔ％の(La,Sr)MnO3 、５０〜２５ｗｔ％の8Y-ZrO2を混合して得られるスラリー、ポリビニルアルコール結合剤を含む溶液が電解質層上にコートされ、その後、９００〜１２００℃で、二時間焼結されて、陰極電極を得る。高気孔率の陰極電極を得るため、(La,Sr)MnO3の粉末が、まず、９００〜１２５０℃下で焼結され、その後、機械粉砕方法により処理され、更に、きめを粗くする。
【００６６】
例５：陽極電極の製造
含量が５０〜３０ｗｔ％の8Y-ZrO2 、５０〜７０ｗｔ％の NiOを混合して得られるスラリー、ポリビニルアルコール結合剤を含む溶液が電解質層上にコートされ、その後、１２００〜１４００℃で、二時間焼結されて、陽極電極を得る。高気孔率の陰極電極を得るため、8Y-ZrO2の粉末が、まず、１０００〜１３５０℃下で焼結され、その後、機械粉砕方法により処理され、更に、きめを粗くする。
【００６７】
例６：密封層の製造
３５ｖｏｌ％のInco625、２０ｖｏｌ％のMnO、１５ｖｏｌ％のBaAl2Si2O8、 １５ｖｏｌ％のTi、及び、２０ｖｏｌ％のBi2O3の組成の密封材料が、ＭＥＡに面する勾配相互接続部の表面上にコートされる。
【００６８】
温度サイクリングテスト：
電極層でコートされた電解質層、密封層、及び、勾配相互接続部からなるスタック構造上に、大きな重量を掛けた状態で、１２００℃で、３０分間、圧縮プロセスが実行されて、単一のセルユニットを形成する。光学顕微鏡と電気顕微鏡により、単一セルユニットの素子間の界面にテストが実施されて、界面でクラックが生じないことが分かる。密封層が、勾配相互接続部により電解質層を緊密に接合する。
【００６９】
次に、２５〜８００℃で、３０回、熱疲労試験（thermal fatigue test）がスタック構造に実行される。熱疲労試験で、スタック構造は、五段階で、徐々に、高温の加熱炉に送られる。各段階で１分ほど停留し、第五段階は１０分である。その後、スタック構造を出すときも、五段階で、それぞれ１分停留し、高温加熱炉から徐々に離れる。高温加熱炉により実行される３０回の熱疲労試験を経ても、スタック構造の構造的完全性が維持される。スタック構造中の素子は、１２５０℃の製造プロセス中、熱応力に耐えることができ、８００℃で実行される温度サイクリングテストで、界面での亀裂やガス漏れが発生しない。
【００７０】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【符号の説明】
【００７１】
１００〜モールド
１０２、１０４、１０６、１０８〜勾配サブレイヤー
１１０〜圧縮プロセス
１４０、１４０’〜 勾配相互接続部
１６０、１６０’、１７０、１７０’〜表面
１８０、１９０〜機械プロセス
１８５、１８５’、１９５、１９５’〜トレンチ
１９６〜接続トンネル
２０５、２０５’〜相互接続トンネル
２５０、２５０’〜遮断板
２６０、２６０’〜電極
２７０、２７０’〜密封層
２８０〜電解質層
２８１、２８３〜電極層
２８５〜膜・電極一体構造 (ＭＥＡ)
２８２、２８４〜電解質層の表面
２９０〜圧縮プロセス
３００、３００’、４００、５００、６００〜ＳＯＦＣ装置
３１０〜陰極側
３２０〜陽極側
【特許請求の範囲】
【請求項１】
勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）装置であって、
互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有し、第一トレンチが前記第一表面上に形成され、第二トレンチが前記第二表面上に形成され、相互接続トンネルが、その中に形成され、前記相互接続トンネルにより前記第一トレンチと前記第二トレンチとが接続されてなる第一勾配相互接続部と、
前記第一トレンチ中に位置し、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する第一多孔導電ディスクと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に形成され、前記第一トレンチを囲繞する第一密封層と、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に形成され、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有する電解質層と、前記第一表面上に位置する第一電極と、前記第二表面上に位置する第二電極と、からなり、前記電解質層の前記第一表面は前記第一密封層と接触し、前記第一電極は前記第一多孔導電ディスクと接触する膜・電極一体構造（ＭＥＡ）と、
からなることを特徴とするＳＯＦＣ装置。
【請求項２】
前記第一勾配相互接続部は、ニッケルベースの超合金と鉄ベースの鋼鉄の金属材料とセラミック材料からなり、前記第一勾配相互接続部の前記金属材料の含量は、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面から、前記第一勾配接続の前記第一表面に向かって減少し、前記第一勾配相互接続部中の前記セラミック材料の含量は、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項３】
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０〜１００ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記鉄ベースの鋼鉄の含量は３０〜４０ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は０〜２０ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０％以下で、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は５０％以上で、前記ニッケルベースの超合金は、Inco625、 Inco600、或いは、Inco601を含み、前記鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSを含み、前記第一密封層は、セラミック材料の含量が５０ｖｏｌ％以上であり、かつ、１５ｖｏｌ％以上の低融点の酸化物、金属Ti、及び、ニッケルベースの超合金等を含むことを特徴とする請求項２に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項４】
前記電解質層は、イットリア安定化ジルコニア、希土類元素金属をドープした酸化セリウム、ストロンチウム及びマグネシウムをドープしたランタン酸化ガリウム、或いは、希土類元素金属をドープした灰チタン石からなり、前記第二トレンチは、酸素か水素を保存するのに用いられることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項５】
ＳＯＦＣ装置は、更に、
前記電解質層の前記第二表面に位置し、互いに向かい合う第三、及び、第四表面を有し、第三トレンチが前記第三表面上に形成され、第四トレンチが前記第四表面に形成され、第二相互接続トンネルが、その中に形成され、前記第二相互接続トンネルにより前記第三トレンチと前記第四トレンチとが接続されてなる第二勾配相互接続部と、
前記第三トレンチ中に位置し、一部が前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から突出する第二多孔導電ディスクと、
前記第二勾配相互接続部の前記第三表面上に位置し、前記第三トレンチを囲繞し、前記電解質層の前記第二表面が接触し、前記第二電極が前記第二多孔導電ディスクに接触する第二密封層と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項６】
前記第二勾配相互接続部は、ニッケルベースの超合金と鉄ベースの鋼鉄の金属材料とセラミック材料からなり、前記第二勾配相互接続部の前記金属材料の含量は、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面から、前記第二勾配接続の前記第三表面に向かって減少し、前記第二勾配相互接続部中の前記セラミック材料の含量は、前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に向かって減少することを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項７】
前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０〜１００ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記鉄ベースの鋼鉄の含量は３０〜４０ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は０〜２０ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第三表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０％以下で、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は５０％以上で、前記ニッケルベースの超合金は、Inco625、 Inco600、或いは、Inco601を含み、前記鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSを含み、前記第二密封層は、セラミック材料の含量が５０ｖｏｌ％以上であり、かつ、１５ｖｏｌ％以上の低融点の酸化物、金属Ti、及び、ニッケルベースの超合金等を含むことを特徴とする請求項６に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項８】
更に、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上に形成され、前記第二トレンチを密封する第一遮断板、及び、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面上に形成され、前記第四トレンチを密封する第二遮断板を有し、前記第一遮断板は、含量が５０〜１００ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄、０〜２０ｖｏｌ％のセラミックSiCからなり、前記第二遮断板は、含量が５０〜１００ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄、０〜２０ｖｏｌ％のセラミックSiCからなることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項９】
前記ＳＯＦＣ装置は、
前記第一勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記第一密封層を形成して、前記第一トレンチを囲繞するステップと、
前記第一トレンチ中に、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する前記第一多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記ＭＥＡを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上に、前記第一遮断板を提供、設置するステップと、
不活性ガスの雰囲気下、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセスが行われて、前記ＭＥＡ、前記第一多孔導電ディスク、前記第一勾配相互接続部、及び、前記第一遮断板を接合するステップと、
により製造されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項１０】
前記ＳＯＦＣ装置は、
前記第一勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記第一密封層を形成して、前記第一トレンチを囲繞するステップと、
前記第一トレンチ中に、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する前記第一多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記MEAを提供、設置するステップと、
前記第二勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第二勾配相互接続部の前記第三表面上に、前記第三トレンチを囲繞する前記第二密封層を形成するステップと、
前記第三トレンチ中に、一部が前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から突出し、前記MEAの前記第二電極と接触する前記第二多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上と前記第二勾配相互接続部の前記第四表面上に、それぞれ、前記第一、第二遮断板を提供、設置するステップと、
不活性ガスの雰囲気下、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセスが行われて、前記第二遮断板、前記第二勾配相互接続部、前記第二多孔導電ディスク、前記MEA、前記第一多孔導電ディスク、前記第一勾配相互接続部、及び、前記第一遮断板を接合するステップと、
により製造されることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項１】
勾配相互接続部を有する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）装置であって、
互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有し、第一トレンチが前記第一表面上に形成され、第二トレンチが前記第二表面上に形成され、相互接続トンネルが、その中に形成され、前記相互接続トンネルにより前記第一トレンチと前記第二トレンチとが接続されてなる第一勾配相互接続部と、
前記第一トレンチ中に位置し、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する第一多孔導電ディスクと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に形成され、前記第一トレンチを囲繞する第一密封層と、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に形成され、互いに向かい合う第一、及び、第二表面を有する電解質層と、前記第一表面上に位置する第一電極と、前記第二表面上に位置する第二電極と、からなり、前記電解質層の前記第一表面は前記第一密封層と接触し、前記第一電極は前記第一多孔導電ディスクと接触する膜・電極一体構造（ＭＥＡ）と、
からなることを特徴とするＳＯＦＣ装置。
【請求項２】
前記第一勾配相互接続部は、ニッケルベースの超合金と鉄ベースの鋼鉄の金属材料とセラミック材料からなり、前記第一勾配相互接続部の前記金属材料の含量は、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面から、前記第一勾配接続の前記第一表面に向かって減少し、前記第一勾配相互接続部中の前記セラミック材料の含量は、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項３】
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０〜１００ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記鉄ベースの鋼鉄の含量は３０〜４０ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は０〜２０ｖｏｌ％で、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０％以下で、前記第一勾配相互接続部の前記第一表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は５０％以上で、前記ニッケルベースの超合金は、Inco625、 Inco600、或いは、Inco601を含み、前記鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSを含み、前記第一密封層は、セラミック材料の含量が５０ｖｏｌ％以上であり、かつ、１５ｖｏｌ％以上の低融点の酸化物、金属Ti、及び、ニッケルベースの超合金等を含むことを特徴とする請求項２に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項４】
前記電解質層は、イットリア安定化ジルコニア、希土類元素金属をドープした酸化セリウム、ストロンチウム及びマグネシウムをドープしたランタン酸化ガリウム、或いは、希土類元素金属をドープした灰チタン石からなり、前記第二トレンチは、酸素か水素を保存するのに用いられることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項５】
ＳＯＦＣ装置は、更に、
前記電解質層の前記第二表面に位置し、互いに向かい合う第三、及び、第四表面を有し、第三トレンチが前記第三表面上に形成され、第四トレンチが前記第四表面に形成され、第二相互接続トンネルが、その中に形成され、前記第二相互接続トンネルにより前記第三トレンチと前記第四トレンチとが接続されてなる第二勾配相互接続部と、
前記第三トレンチ中に位置し、一部が前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から突出する第二多孔導電ディスクと、
前記第二勾配相互接続部の前記第三表面上に位置し、前記第三トレンチを囲繞し、前記電解質層の前記第二表面が接触し、前記第二電極が前記第二多孔導電ディスクに接触する第二密封層と、
からなることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項６】
前記第二勾配相互接続部は、ニッケルベースの超合金と鉄ベースの鋼鉄の金属材料とセラミック材料からなり、前記第二勾配相互接続部の前記金属材料の含量は、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面から、前記第二勾配接続の前記第三表面に向かって減少し、前記第二勾配相互接続部中の前記セラミック材料の含量は、前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に向かって減少することを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項７】
前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０〜１００ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記鉄ベースの鋼鉄の含量は３０〜４０ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第二表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は０〜２０ｖｏｌ％で、前記第二勾配相互接続部の前記第三表面に近接する部分における前記ニッケルベースの超合金の含量は５０％以下で、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面に近接する部分における前記セラミック材料の含量は５０％以上で、前記ニッケルベースの超合金は、Inco625、 Inco600、或いは、Inco601を含み、前記鉄ベースの鋼鉄は、純鉄、304SS、410SS、430SSを含み、前記第二密封層は、セラミック材料の含量が５０ｖｏｌ％以上であり、かつ、１５ｖｏｌ％以上の低融点の酸化物、金属Ti、及び、ニッケルベースの超合金等を含むことを特徴とする請求項６に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項８】
更に、前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上に形成され、前記第二トレンチを密封する第一遮断板、及び、前記第二勾配相互接続部の前記第四表面上に形成され、前記第四トレンチを密封する第二遮断板を有し、前記第一遮断板は、含量が５０〜１００ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄、０〜２０ｖｏｌ％のセラミックSiCからなり、前記第二遮断板は、含量が５０〜１００ｖｏｌ％のニッケルベースの超合金、３０〜４０ｖｏｌ％の鉄ベースの鋼鉄、０〜２０ｖｏｌ％のセラミックSiCからなることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項９】
前記ＳＯＦＣ装置は、
前記第一勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記第一密封層を形成して、前記第一トレンチを囲繞するステップと、
前記第一トレンチ中に、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する前記第一多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記ＭＥＡを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上に、前記第一遮断板を提供、設置するステップと、
不活性ガスの雰囲気下、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセスが行われて、前記ＭＥＡ、前記第一多孔導電ディスク、前記第一勾配相互接続部、及び、前記第一遮断板を接合するステップと、
により製造されることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＦＣ装置。
【請求項１０】
前記ＳＯＦＣ装置は、
前記第一勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記第一密封層を形成して、前記第一トレンチを囲繞するステップと、
前記第一トレンチ中に、一部が前記第一勾配相互接続部の前記第一表面から突出する前記第一多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第一表面上に、前記MEAを提供、設置するステップと、
前記第二勾配相互接続部を提供するステップと、
前記第二勾配相互接続部の前記第三表面上に、前記第三トレンチを囲繞する前記第二密封層を形成するステップと、
前記第三トレンチ中に、一部が前記第二勾配相互接続部の前記第三表面から突出し、前記MEAの前記第二電極と接触する前記第二多孔導電ディスクを提供、設置するステップと、
前記第一勾配相互接続部の前記第二表面上と前記第二勾配相互接続部の前記第四表面上に、それぞれ、前記第一、第二遮断板を提供、設置するステップと、
不活性ガスの雰囲気下、約１０５０〜１２５０℃で、圧縮プロセスが行われて、前記第二遮断板、前記第二勾配相互接続部、前記第二多孔導電ディスク、前記MEA、前記第一多孔導電ディスク、前記第一勾配相互接続部、及び、前記第一遮断板を接合するステップと、
により製造されることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＦＣ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２６７６１９（Ｐ２０１０−２６７６１９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１１１０２（Ｐ２０１０−１１１１０２）
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（５０３３７８２３５）国立台湾科技大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（５０３３７８２３５）国立台湾科技大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
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