包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的固体氧化物燃料电池互连件.pdf

本发明公开了固体氧化物燃料电池制品的互连件。所述互连件设置在所述固体氧化物燃料电池制品的第一电极和第二电极之间。所述互连件包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。所述经部分稳定的氧化锆可在所述互连件的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。

权利要求书
1.  一种设置在固体氧化物燃料电池制品的第一电极和所述固体氧化物燃料电池制品的第二电极之间的互连件，所述互连件包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。

2.  根据权利要求1所述的互连件，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约1体积％至约70体积％的范围内，例如在约5体积％至约70体积％的范围内、在约10体积％至约70体积％的范围内、在约15体积％至约70体积％的范围内、或在约20体积％至约70体积％的范围内。

3.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约1体积％至约60体积％的范围内，例如在约1体积％至约50体积％的范围内、在约5体积％至约50体积％的范围内、在约10体积％至约50体积％的范围内、在约15体积％至约50体积％的范围内、在约20体积％至约50体积％的范围内、或在约20体积％至约40体积％的范围内。

4.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述包含陶瓷互连材料的第一相具有不大于约40μm且不小于约0.05μm的平均晶粒尺寸A。

5.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相具有比所述包含陶瓷互连材料的第一相的平均晶粒尺寸小的平均晶粒尺寸B。

6.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述第一相为连续相且所述第二相为基本上均匀地分散在所述第一相中的不连续相，且其中所述第二相的内容物的大部分设置在所述第一相的晶界处。

7.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述互连件具有不小于约40MPa且不大于约200MPa的双轴挠曲强度。

8.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述互连件具有不小于约1S/cm且不大于约25S/cm的在包含约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。

9.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相配置成在四方结构和单斜结构之间进行相转变，其中 所述第二相配置成在所述相转变期间改变体积，其中所述体积变化在约3体积％至约5体积％的范围内。

10.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述经部分稳定的氧化锆包括ZrO2和稳定氧化物。

11.  根据权利要求10所述的互连件，其中所述经部分稳定的氧化锆包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不小于约0.1摩尔％的稳定氧化物，且其中所述经部分稳定的氧化锆包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不大于约8.0摩尔％的稳定氧化物。

12.  根据权利要求10或11所述的互连件，其中所述稳定氧化物包括选自Y2O3、CeO2、CaO和MgO的至少一种稳定氧化物。

13.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述陶瓷互连材料包括LaxSr1-xTiO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50。

14.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述陶瓷互连材料包括LaxSr1-xTi1-yNbyO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50，且其中y不小于约0.001且y不大于约0.25。

15.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述陶瓷互连材料包括LaxSr1-xTi1-yMnyO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50，且其中y不小于约0.001且y不大于约0.70。

16.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述陶瓷互连材料包括Sr1-1.5zYzTiO3，其中z不小于约0.001且z不大于约0.30。

17.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述陶瓷互连材料包括Sr1-0.5kNbkTi1-kO3，其中k不小于约0.001且k不大于约0.30。

18.  根据以上权利要求中任一项所述的互连件，其中所述互连件的孔隙率不小于约0.05体积％且不大于约5体积％。

19.  一种固体氧化物燃料电池制品，包括：
阴极；
阳极；和
设置在所述阴极和所述阳极之间的互连件，其中所述互连件包括包含镧掺杂钛酸锶(LST)材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。

20.  根据权利要求19所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述LST 材料用在约0.5摩尔％Nb2O5至约8.0摩尔％Nb2O5的范围内的Nb2O5掺杂。

21.  根据权利要求19或20中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述LST材料用约4.0摩尔％Nb2O5掺杂。

22.  根据权利要求19-21中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述LST材料用约6.0摩尔％Nb2O5掺杂。

23.  根据权利要求19-22中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆包括ZrO2和在约1.0摩尔％Y2O3至约5.0摩尔％Y2O3范围内的Y2O3。

24.  根据权利要求19-23中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆包括约3.0摩尔％Y2O3。

25.  根据权利要求19-24中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约1体积％至约70体积％的范围内。

26.  根据权利要求19-25中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述包含LST材料的第一相具有不大于约40μm且不小于约0.05μm的平均晶粒尺寸A。

27.  根据权利要求19-26中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相具有比所述包含LST材料的第一相的平均晶粒尺寸B小的平均晶粒尺寸B。

28.  根据权利要求29所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述平均晶粒尺寸B比所述平均晶粒尺寸A小至少约5％，其中晶粒尺寸的百分数差是基于下式确定的：[(A–B)/A]*100％。

29.  根据权利要求19-28中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相具有不大于约15μm且不小于约0.01μm的平均晶粒尺寸B。

30.  根据权利要求19-29中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述第一相为连续相且所述第二相为基本上均匀地分散在所述第一相中的不连续相，且其中所述第二相的内容物的大部分设置在所述第一相的晶界处。

31.  根据权利要求19-30中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述互连件具有不小于约40MPa且不大于约200MPa的双轴挠曲强度。

32.  根据权利要求19-31中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述互连件具有不小于约1S/cm且不大于约25S/cm的在包含约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。

33.  根据权利要求19-32中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相配置成在四方结构和单斜结构之间进行相转变，其中所述第二相配置成在所述相转变期间改变体积，其中所述体积变化在约3体积％至约5体积％的范围内。

34.  根据权利要求19-33中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆具有比所述固体氧化物燃料电池制品的运行温度低的四方到单斜相转变温度。

35.  根据权利要求34所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述运行温度在约700℃至约1000℃的范围内。

36.  根据权利要求19-35中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆包括ZrO2和稳定氧化物。

37.  根据权利要求36所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不小于约0.1摩尔％的稳定氧化物，且所述经部分稳定的氧化锆包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不大于约8.0摩尔％的稳定氧化物。

38.  根据权利要求19-37中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述稳定氧化物包括选自Y2O3、CeO2、CaO和MgO的至少一种稳定氧化物。

39.  根据权利要求19-38中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述互连件的孔隙率不小于约0.05体积％，且不大于约5体积％。

40.  根据权利要求19-39中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述互连件具有不大于约100μm且不小于约5μm的平均厚度。

41.  一种固体氧化物燃料电池制品，包括：
阴极；
阳极；和
设置在所述阴极和所述阳极之间的互连件，其中所述互连件包括第一相和第二相，其中所述互连件具有在所述互连件和所述阴极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度，其中所述互连件具有在所述互连件和所述阳极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度，且其中所述第一浓度不 同于所述第二浓度。

42.  根据权利要求41所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述互连件包括：
第一离散互连层，所述第一离散互连层具有在所述互连件和所述阴极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度；和
第二离散互连层，所述第二离散互连层具有在所述互连件和所述阳极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度。

43.  根据权利要求41-42中任一项所述的固体氧化物燃料电池制品，其中在所述互连件和所述阳极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度高于在所述互连件和所述阴极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度。

44.  根据权利要求41-43所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述第一离散互连层基本上不包括经部分稳定的氧化锆。

45.  根据权利要求41-44所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约1体积％至约70体积％的范围内。

46.  根据权利要求41-45所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述第一相为连续相且所述第二相为基本上均匀地分散在所述第一相中的不连续相，且其中所述第二相的内容物的大部分设置在所述第一相的晶界处。

47.  根据权利要求41-46所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述稳定氧化物包括选自Y2O3、CeO2、CaO和MgO的至少一种稳定氧化物。

48.  根据权利要求41-47所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述第一相包括LaxSr1-xTi1-yNbyO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50，且其中y不小于约0.001且y不大于约0.25。

49.  根据权利要求41-48所述的固体氧化物燃料电池制品，其中所述第一相包括Sr1-1.5zYzTiO3，其中z不小于约0.001且z不大于约0.30。

50.  一种形成固体氧化物燃料电池制品的互连件的方法，所述方法包括将陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆烧结，其中所述陶瓷互连材料为第一相且所述经部分稳定的氧化锆为基本上均匀地分散在所述第一相中的第二相，且其中所述经部分稳定的氧化锆在所述陶瓷互连材料和所述经部分稳定的氧化锆的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。

说明书包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的固体氧化物燃料电池互连件
技术领域
本公开内容涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，且更具体地涉及SOFC互连件。
背景技术
燃料电池是通过化学反应产生电的装置。在各种燃料电池之中，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用硬的陶瓷化合物金属(例如，钙或锆)氧化物作为电解质。典型地，在固体氧化物燃料电池中，氧气例如O2在阴极处被还原为氧离子(O2-)，且燃料气体例如H2气体在阳极处被所述氧离子氧化以形成水。
在一些情况下，燃料电池组件已被设计为叠堆(stack)。单一固体氧化物燃料电池可包括阴极、阳极、以及在阴极和阳极之间的固体电解质。各电池(cell)可被认为是子组件，其可与其它电池组合以形成全SOFC叠堆。在组装SOFC叠堆时，电互连件可设置在一个电池的阴极和另一电池的阳极之间。
然而，单独的燃料电池的叠堆可易受由在其形成或使用期间的温度的波动导致的损害。特别地，用于形成各种部件的材料，包括不同组成的陶瓷，呈现出不同的材料、化学和电性质，这可导致SOFC制品的破坏和故障。特别地，燃料电池具有有限的对温度变化的耐受性。当将单独的燃料电池堆叠时，与由温度变化导致的机械应力有关的问题可加剧。燃料电池、特别是以叠堆组装的燃料电池的有限的抗热冲击性可限制生产的成品率，造成升高的在运行期间出故障的风险。
发明内容
根据一个实施例，公开了固体氧化物燃料电池制品的互连件。所述互连件设置在所述固体氧化物燃料电池制品的第一电极和第二电极之间。所 述互连件包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。
根据另一实施例，公开了形成固体氧化物燃料电池制品的互连件的方法。所述方法包括将陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆烧结，其中所述陶瓷互连材料为第一相且所述经部分稳定的氧化锆为基本上均匀地分散在所述第一相中的第二相。所述经部分稳定的氧化锆在所述陶瓷互连材料和所述经部分稳定的氧化锆的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。
根据另一实施例，公开了固体氧化物燃料电池制品。所述固体氧化物燃料电池制品包括互连件、第一电极层和第二电极层。所述互连件包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。所述第一电极层包括直接接触所述互连件的第一陶瓷材料，且所述第二电极层包括直接接触所述互连件的第二陶瓷材料。
根据另一实施例，公开了固体氧化物燃料电池制品，其包括阴极、阳极、以及设置在所述阴极和所述阳极之间的互连件。所述互连件包括包含镧掺杂钛酸锶(LST)材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。所述经部分稳定的氧化锆在所述互连件的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。
根据又一实施例，公开了固体氧化物燃料电池制品，其包括阴极、阳极、以及设置在所述阴极和所述阳极之间的互连件。所述互连件包括第一相和第二相。所述互连件具有在所述互连件和所述阴极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度以及在所述互连件和所述阳极的界面处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度。所述第一浓度不同于所述第二浓度。
附图说明
通过参考附图，可更好地理解本公开内容，且可使其许多特征和优点对于本领域技术人员是显而易见的。
图1说明根据一个实施例的形成固体氧化物燃料电池(SOFC)制品的互连件的方法。
图2包括根据一个实施例的SOFC制品的图解。
图3包括根据一个实施例的包括多层互连件的SOFC制品的图解。
图4说明通过膨胀测定法测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的峰值温度。
图5包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y5)的SEM图像。
图6包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y10)的SEM图像。
图7包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y15)的SEM图像。
图8包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y20)的SEM图像。
图9说明在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的双轴挠曲强度(MPa)。
图10包括在约1500℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y5)的SEM图像。
图11包括在约1500℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y10)的SEM图像。
图12包括在约1500℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y15)的SEM图像。
图13包括在约1500℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LST28-3Y20)的SEM图像。
图14说明在约1500℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根 据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的双轴挠曲强度(MPa)。
图15包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5)的SEM图像。
图16包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN4.0-3Y10)的SEM图像。
图17包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN4.0-3Y15)的SEM图像。
图18包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN4.0-3Y20)的SEM图像。
图19说明在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的双轴挠曲强度(MPa)。
图20包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN6.0-3Y5)的SEM图像。
图21包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN6.0-3Y10)的SEM图像。
图22包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN6.0-3Y15)的SEM图像。
图23包括在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料(LSTN6.0-3Y20)的SEM图像。
图24说明在约1320℃的温度下进行自由烧结操作约1小时的时间之后测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的双轴挠曲强度(MPa)。
图25说明包括LST陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互 连材料的化学膨胀。
图26说明包括LSTN陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料的化学膨胀。
图27说明在形成气体气氛中在约1000℃的温度下测量的包括LST陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的体积电导率(S/cm)。
图28说明在形成气体气氛中在约1000℃的温度下测量的包括LSTN4.0陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的体积电导率(S/cm)。
在不同附图中的相同标记符号的使用标示类似或相同的条目。
具体实施方式
本公开内容涉及固体氧化物燃料电池制品的互连件和形成固体氧化物燃料电池制品的互连件的方法。
参照图1，说明形成固体氧化物燃料电池制品的互连件的方法的一个具体实施例且其被总地标示为100。方法100包括，在步骤102，将陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆组合(例如，混合)。在一个具体实施例中，所述陶瓷互连材料和所述经部分稳定的氧化锆可通过常规的陶瓷工艺例如球磨研磨混合。
在一个具体实施例中，在完成所述球磨研磨之前可向混合物中添加一种或多种粘合剂以改善在模压用于强度和电导率测量的圆片和条样品期间的生坯(green)形成。例如，所述粘合剂可包括0.5重量％的来自塞拉尼斯化工有限公司(Celanese Chemicals Ltd)(达拉斯，得克萨斯州)的聚乙烯醇(PVA)Celvol205和0.75重量％的来自马林克罗特贝克有限公司(巴黎，肯塔基州)的聚乙二醇(PEG-400)。
方法100进一步包括在步骤104将所述陶瓷互连材料和所述经部分稳定的氧化锆烧结以形成固体氧化物燃料电池制品的互连件。例如，烧结可于在约1200℃至约1650℃的范围内、例如在约1250℃至约1600℃的范围内、或在约1300℃至约1550℃的范围内的烧结温度下进行。将理解，所述烧结温度可在上面提到的任意范围内。
SOFC制品中的互连件的一个功能是作为连接器以提供电子导体，使得电子可从一个电池转移到另一电池。所述互连件的另一功能是作为气体 隔离物以防止在阳极侧的燃料气体(例如，H2或CH4)与在阴极侧的氧化剂(例如，空气)混合。互连件中的任何裂纹可导致电子传导面积的减小且可容许气体交叉泄漏，从而降低其作为电子导体和气体隔离物的功能。因此，应避免在互连件中的任何裂纹。
在一个具体实施例中，所述互连件可与所述SOFC制品的其它部件共烧结。热应力和开裂可由陶瓷互连材料与SOFC制品的其它部件的热膨胀系数(CTE)失配导致。在一个具体实施例中，在所述烧结温度下，所述经部分稳定的氧化锆包括四方t-ZrO2。在比所述烧结温度小的四方到单斜(t-m)相转变温度下，所述四方t-ZrO2可转变成单斜m-ZrO2。所述经部分稳定的氧化锆可在t-m相转变期间改变体积。例如，所述经部分稳定的氧化锆的体积变化可在约3体积％至约5体积％的范围内。
参照图2，说明包括互连件202的SOFC制品200的一个具体实施例。在一个具体实施例中，图2的互连件202可经由图1的方法100形成。互连件202可包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。在一个具体实施例中，所述第二相可基本上由经部分稳定的氧化锆组成。在图2中说明的具体实施例中，互连件202包括设置在第一电极(例如，阴极204)和第二电极(例如，阳极206)之间的单个离散互连层。在替代实施例中，互连件202可包括多个离散互连层(参见例如图3)。
阴极204和阳极206可包括多个电极层。在图2中说明的实施例中，阴极204包括阴极结合层208、阴极本体层210和阴极功能层212。此外，在图2中说明的实施例中，阳极206包括阳极结合层214、阳极本体层216和阳极功能层218。因此，阴极结合层208可为直接接触互连件202的第一电极层(包含第一陶瓷材料)，阴极本体层210可直接接触阴极结合层208，且阴极功能层212可直接接触阴极本体层210。阳极结合层214可为直接接触互连件202的第二电极层(包含第二陶瓷材料)，阳极本体层216可直接接触阳极结合层214，且阳极功能层218可直接接触阳极本体层216。阴极功能层212可与电解质层220直接接触，且阳极功能层218可与另一电解质层222直接接触。本领域普通技术人员将理解，图2中说明的SOFC制品200可包括另外的层。例如，SOFC叠堆可包括多个SOFC单元电池，其各自包括阴极、阳极和电解质，其中单独的SOFC单元电池经由互连件例如图2的互连件202连接。
在一个具体实施例中，图2中说明的层各自可分别作为生坯层形成并 组装在一起。替代地，所述层可在彼此上接连地以生坯状态形成。在本文中提及“生坯”制品是提及尚未经历烧结以影响致密化或晶粒生长的材料。生坯制品为未完成的制品，其可干燥和具有低的水含量，但为未烧制的。生坯制品可具有合适的强度以支撑它自己和在其上形成的其它生坯层。
根据本文中的实施例描述的层可通过包括、但不限于如下的技术形成：流延、沉积、印刷、挤出、层压、模压、凝胶流延(gel casting)、喷涂、丝网印刷、辊压实、注射成型、及其组合。在一个具体情况中，所述层各自可经由丝网印刷形成。在另一实施例中，所述层各自可经由带式流延工艺形成。
互连件202包括包含陶瓷互连材料的第一相和包含经部分稳定的氧化锆的第二相。所述经部分稳定的氧化锆在互连件202的总体积的约0.1体积％至约70体积％的范围内。例如，所述经部分稳定的氧化锆可在约1体积％至约70体积％的范围内，例如在约5体积％至约70体积％的范围内、在约10体积％至约70体积％的范围内、在约15体积％至约70体积％的范围内、或在约20体积％至约70体积％的范围内。作为另一实例，所述经部分稳定的氧化锆可在约1体积％至约50体积％的范围内、在约5体积％至约50体积％的范围内、在约10体积％至约50体积％的范围内、在约15体积％至约50体积％的范围内、在约20体积％至约50体积％的范围内、或在约20体积％至约40体积％的范围内。将理解，经部分稳定的氧化锆的体积百分数可在上面提到的任意范围内。
作为说明性的非限制性的实例，所述陶瓷互连材料可包括LaxSr1-xTiO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50。即，所述陶瓷互连材料可包括镧掺杂钛酸锶材料，在本文中称作“LST”材料。在一个非限制性的说明性的实施例中，x可为约0.2(即，La0.2Sr0.8TiO3)，在本文中称作“LST28”。
作为另一实例，所述陶瓷互连材料可包括LaxSr1-xTi1-yNbyO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50，且其中y不小于约0.001且y不大于约0.25。即，所述陶瓷互连材料可包括用Nb2O5进一步掺杂的LST材料，在本文中称作“LSTN”材料。例如，所述Nb2O5掺杂剂含量可不小于约0.01摩尔％，例如不小于约0.1摩尔％、或甚至不小于约0.5摩尔％。作为另一实例，所述Nb2O5掺杂剂含量可不大于约12.0摩尔％，例如不大于约11.0摩尔％、不大于约10.0摩尔％、不大于约9.0摩尔％、或甚至不大于约8.0 摩尔％。将理解，所述Nb2O5掺杂剂含量可在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内。在一个说明性的非限制性的实施例中，所述Nb2O5掺杂剂含量可在约0.5摩尔％Nb2O5至约8.0摩尔％Nb2O5的范围内。例如，所述Nb2O5掺杂剂含量可为约4.0摩尔％Nb2O5，在本文中称作“LSTN4.0”。作为另一实例，所述Nb2O5掺杂剂含量可为约6.0摩尔％Nb2O5，在本文中称作“LSTN6.0”。
如以上所讨论的，热应力和开裂可由陶瓷互连材料与SOFC制品的其它部件、特别是与同互连件相邻和/或直接接触的部件的热膨胀系数(CTE)失配导致。在一个具体实施例中，例如，互连材料可选择成具有更密切地匹配所述SOFC制品直接接触所述互连件的另一部件例如阳极功能层(AFL)、阴极功能层(CFL)、阳极结合层或阴极结合层的CTE值的CTE。在至少一个实施例中，所述互连件材料可具有比直接接触所述互连件的部件的CTE低的CTE，使得将所述SOFC制品从高温冷却可将所述互连件置于压缩状态。在这些实施例中，所述互连材料和所述其它部件之间的CTE的差(ΔCTE)可不大于约0.9℃×10-6/K，例如不大于约0.8℃×10-6/K，例如小于约0.7℃×10-6/K，例如小于约0.6℃×10-6/K，例如小于约0.5℃×10-6/K，例如小于约0.4℃×10-6/K，例如小于约0.3℃×10-6/K，例如小于约0.2℃×10-6/K。在一个实施例中，所述互连材料和所述其它部件之间的ΔCTE优选地大于约0.1℃×10-6/K，例如大于约0.2℃×10-6/K。
在至少一个实施例中，所述互连材料可具有比直接接触所述互连件的部件的CTE高的CTE。在这些实施例中，所述互连材料和所述其它部件之间的CTE的差(ΔCTE)可小于约0.9℃×10-6/K，例如小于约0.8℃×10-6/K，例如小于约0.7℃×10-6/K，例如小于约0.6℃×10-6/K，例如小于约0.5℃×10-6/K，例如小于约0.4℃×10-6/K，例如小于约0.3℃×10-6/K，例如小于约0.2℃×10-6/K。在一个实施例中，所述互连材料和所述其它部件之间的ΔCTE可大于约0.1℃×10-6/K，例如大于约0.2℃×10-6/K。
在一个实施例中，所述互连材料具有可为约11.8℃×10-6/K，例如小于约11.3℃×10-6/K，例如小于约11.2℃×10-6/K，例如小于约11.1℃×10-6/K，和大于约10.9℃×10-6/K，例如大于约11.0℃×10-6/K的在1200℃下测量的CTE。在一个实施例中，所述互连材料具有可小于约11.0℃×10-6/K，例如小于约10.8℃×10-6/K，和大于约10.4℃×10-6/K，例如大于约10.5℃×10-6/K的在900℃下测量的CTE。在一个具体实施例中，所述互连材料包括 LSTN6.0。在另一具体实施例中，所述互连件的至少一个离散层包括LSTN6.0。
在另一实施例中，所述陶瓷互连材料可包括LaxSr1-xTi1-yMnyO3，其中x不小于约0.001且x不大于约0.50，且其中y不小于约0.001且y不大于约0.70。在另一实施例中，所述陶瓷互连材料可包括Sr1-1.5zYzTiO3，其中z不小于约0.001且z不大于约0.30。在另一实施例中，所述陶瓷互连材料可包括Sr1-0.5kNbkTi1-kO3，其中k不小于约0.001且k不大于约0.30。
将理解，互连件202可包括超过一种陶瓷互连材料。作为说明性的非限制性的实例，互连件202可包括第一陶瓷互连材料(例如，LST28)和第二陶瓷互连材料(例如，LSTN4.0或LSTN6.0)。此外，互连件202可具有在互连件202和阴极204的界面(即，“阴极界面”224)处的陶瓷材料的第一浓度且可具有在互连件202和阳极206的界面(即，“阳极界面”226)处的所述陶瓷材料的不同浓度。
互连件202可为材料的特别薄的平坦层。例如，互连件202可具有不大于约100μm、例如不大于约90μm、不大于约80μm、不大于约70μm、不大于约60μm、或甚至不大于约50μm的平均厚度。此外，互连件202可具有不小于约5μm、不小于约6μm、不小于约7μm、不小于约8μm、不小于约9μm、或甚至不小于约10μm的平均厚度。将理解，互连件202可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
互连件202的包含陶瓷互连材料的第一相可具有不大于约40μm、例如不大于约30μm、不大于约20μm、不大于约15μm、或不大于约10μm的平均晶粒尺寸(“A”)。平均晶粒尺寸A可不小于约0.05μm，例如不小于0.1μm、不小于约0.5μm、不小于约1μm、或不小于约2μm。将理解，所述陶瓷互连材料可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均晶粒尺寸A。
互连件202的包含经部分稳定的氧化锆的第二相可具有平均晶粒尺寸(“B”)。所述平均晶粒尺寸B可不大于约20μm，例如不大于约10μm、不大于约9μm、不大于约8μm、不大于约7μm、不大于约6μm、或不大于约5μm。所述平均晶粒尺寸B可不小于约0.01μm，例如不小于约0.05μm、不小于约0.1μm、不小于约0.5μm、或不小于约1μm。将理解，所述经部分稳定的氧化锆可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均晶粒尺寸B。
所述第二相的平均晶粒尺寸B可小于所述第一相的平均晶粒尺寸A。所述平均晶粒尺寸B和所述平均晶粒尺寸A之间的晶粒尺寸的百分数差可基于下式确定：[(A–B)/A]*100％。在一个具体实施例中，所述第二相的平均晶粒尺寸B可比所述第一相的平均晶粒尺寸A小至少约5％，例如比平均晶粒尺寸A小至少约10％、比平均晶粒尺寸A小至少约15％、或比平均晶粒尺寸A小至少约20％。在一个具体实施例中，所述第二相的平均晶粒尺寸B可比所述第一相的平均晶粒尺寸A小不大于约90％，例如比平均晶粒尺寸A小不大于约80％、比平均晶粒尺寸A小不大于约70％、或比平均晶粒尺寸A小不大于约60％。将理解，所述平均晶粒尺寸B和所述平均晶粒尺寸A之间的晶粒尺寸的百分数差可在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内。
在一个具体实施例中，所述包含陶瓷互连材料的第一相可为连续相且所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相可为基本上均匀地分散在所述第一相中的不连续相。所述第二相的内容物(content)的大部分可设置在所述第一相的晶界处。作为说明性实例，图16包括互连材料(LSTN4.0-3Y10)的SEM图像(在10k的放大倍率下)，其中所述第二相(包含3YSZ)的内容物的大部分设置在所述第一相(包含陶瓷互连材料LSTN4.0)的晶界处。
在一个具体实施例中，互连件202可具有在阴极界面224处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度(“PSZ1”)，且互连件202可具有在阳极界面226处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度(“PSZ2”)。在阴极界面224处的第一浓度PSZ1可不同于在阳极界面226处的第二浓度PSZ2。例如，在阳极界面226处的第二浓度PSZ2(例如，体积％PSZ)可高于在阴极界面224处的第一浓度PSZ1(例如，体积％PSZ)。在一个具体实施例中，互连件202在互连件202的厚度(即，由阴极界面224和阳极界面226限定的互连件202的尺寸)范围内可具有经部分稳定的氧化锆的浓度梯度。例如，经部分稳定的氧化锆的浓度可在互连件202的厚度范围内从阳极界面226到阴极界面224降低。在一个实施例中，在阴极界面224处的第一浓度PSZ1可基本上为零。
阴极界面224和阳极界面226之间的经部分稳定的氧化锆的浓度的百分数差可基于下式确定：[(PSZ2–PSZ1)/PSZ2]*100％。在一个具体实施例中，在阴极界面224处的第一浓度PSZ1可比在阳极界面226处的第二浓度PSZ2小至少约5％，例如比第二浓度PSZ2小至少约10％、比第二浓度 PSZ2小至少约20％、比第二浓度PSZ2小至少约30％、比第二浓度PSZ2小至少约40％、或比第二浓度PSZ2小至少约50％。在一个具体实施例中，在阴极界面224处的第一浓度PSZ1可比在阳极界面226处的第二浓度PSZ2小不大于约100％，例如比第二浓度PSZ2小不大于约99.9％、比第二浓度PSZ2小不大于约99.5％、比第二浓度PSZ2小不大于约99％、比第二浓度PSZ2小不大于约98％、或比第二浓度PSZ2小不大于约95％。将理解，阴极界面224和阳极界面226之间的经部分稳定的氧化锆的浓度的百分数差可在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内。
所述经部分稳定的氧化锆可包括ZrO2和稳定氧化物(stabilizing oxide)。在一个具体实施例中，所述经部分稳定的氧化锆包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不小于约0.1摩尔％的稳定氧化物，例如不小于约0.2摩尔％的稳定氧化物、不小于约0.3摩尔％的稳定氧化物、不小于约0.4摩尔％的稳定氧化物、或不小于约0.5摩尔％的稳定氧化物。所述经部分稳定的氧化锆可包括所述经部分稳定的氧化锆的总摩尔数的不大于约8.0摩尔％的稳定氧化物，例如不大于约7.0摩尔％的稳定氧化物、不大于约6.0摩尔％的稳定氧化物、不大于约5.0摩尔％的稳定氧化物、不大于约4.0摩尔％的稳定氧化物、或不大于约3.5摩尔％的稳定氧化物。将理解，所述经部分稳定的氧化锆可包括在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的摩尔百分数的稳定氧化物。
在一个具体实施例中，所述稳定氧化物可包括Y2O3、CeO2、CaO、MgO、或其组合。在一个具体实施例中，所述稳定氧化物包括Y2O3。例如，所述经部分稳定的氧化锆可包括ZrO2和在约1.0摩尔％Y2O3至约5.0摩尔％Y2O3的范围内、例如在约2.0摩尔％Y2O3至约4.0摩尔％Y2O3的范围内、或在约2.5摩尔％Y2O3至约3.5摩尔％Y2O3的范围内的Y2O3。在一个说明性的非限制性的实施例中，所述经部分稳定的氧化锆包括ZrO2和在约1.0摩尔％Y2O3至约5.0摩尔％Y2O3的范围内的Y2O3。例如，所述经部分稳定的氧化锆可包括约3.0摩尔％Y2O3。将理解，Y2O3的摩尔百分数可在上面提到的任意范围内。
在一个具体实施例中，在固体氧化物燃料电池制品200的运行温度下，所述经部分稳定的氧化锆可包括单相四方t-ZrO2。在另一实施例中，在固体氧化物燃料电池制品200的运行温度下，所述经部分稳定的氧化锆可包括两相四方t-ZrO2和立方f-ZrO2。例如，所述运行温度可在约700℃至约 1000℃的范围内，例如在约750℃至约950℃的范围内、或在约800℃至约900℃的范围内。将理解，固体氧化物燃料电池制品200的运行温度可在上面提到的任意范围内。
互连件202的包含经部分稳定的氧化锆的第二相可经历四方到单斜(t-m)相转变。在所述t-m相转变期间，所述包含经部分稳定的氧化锆的第二相可在约3体积％和约5体积％的范围内改变体积。在一个具体实施例中，在比所述固体氧化物燃料电池制品的运行温度小的t-m相转变温度下，所述经部分稳定的氧化锆可经历所述t-m相转变。
在一个具体实施例中，所述互连件的孔隙率202可不小于约0.05体积％，例如不小于约0.1体积％、不小于约0.2体积％、或不小于约0.5体积％。所述互连件的孔隙率202可不大于约5体积％，例如不大于约4体积％、不大于约3体积％、或不大于约2体积％。将理解，互连件202可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的孔隙率。
在一个具体实施例中，互连件202可具有(例如，在约800℃、约900℃或约1000℃的温度下)不小于约1S/cm、例如不小于约2S/cm、不小于约3S/cm、不小于约4S/cm、或不小于约5S/cm的在包含约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。互连件202可具有不大于约25S/cm、例如不大于约20S/cm、或不大于约15S/cm的在包含约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。将理解，互连件202可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的在形成气体气氛中的体积电导率。
在一个具体实施例中，互连件202可具有不小于约40MPa、例如不小于约45MPa、不小于约50MPa、不小于约55MPa、不小于约60MPa、不小于约65MPa、不小于约70MPa、不小于约75MPa、不小于约80MPa、不小于约85MPa、或不小于约90MPa的双轴挠曲强度。互连件202可具有不大于约200MPa、例如不大于约190MPa、或不大于约180MPa的双轴挠曲强度。将理解，互连件202可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的双轴挠曲强度。
用于阴极本体层210的材料通常包括锰酸镧材料。特别地，阴极可由掺杂的锰酸镧材料制成，从而赋予阴极组成以钙钛矿型晶体结构。因此，所述掺杂的锰酸镧材料具有由下式表示的总的组成：(La1-xAx)yMnO3-δ，其中掺杂剂材料由“A”表示且在所述材料内代替在所述钙钛矿晶体结构的A- 位处的镧。所述掺杂剂材料可选自碱土金属、铅、或具有约0.4至0.9埃的原子比的通常为二价的阳离子。照这样，根据一个实施例，所述掺杂剂材料选自由Mg、Ba、Sr、Ca、Co、Ga、Pb和Zr组成的元素组。根据一个具体实施例，所述掺杂剂为Sr，且阴极本体层210可包括通常称作LSM的锰酸镧锶材料。在示例性实施例中，阴极结合层208可包括LSM材料和通常称作YSZ的经氧化钇稳定的氧化锆。
参照所述掺杂的锰酸镧阴极材料的化学计量，根据一个实施例，提供参数例如存在的原子的类型、在晶体结构内的空穴的百分数、以及在所述阴极材料内的原子的比、特别是La/Mn之比，以控制在燃料电池的运行期间在所述阴极/电解质界面处的限制电导率的组成的形成。所述限制电导率的组成的形成降低电池的效率并减少SOFC的寿命。根据一个实施例，所述掺杂的锰酸镧阴极材料包括(La1-xAx)yMnO3-δ，其中x不大于约0.5，y不大于约1.0，且La/Mn之比不大于约1.0。在所述掺杂的锰酸镧组成中的x的值表示在所述结构内代替La的掺杂剂的量。进一步参照所述阴极的化学计量，在通式(La1-xAx)yMnO3-δ中的y的值表示在晶格内在A-位上的原子的占位百分数。考虑另一方式，y的值还可从1.0减去且表示在所述晶格内在所述A-位上的空位的百分数。对本公开内容来说，具有小于1.0的y值的掺杂的锰酸镧材料称为“A-位缺陷”结构，因为晶体结构内的A-位未被100％地占据。
在一个具体实施例中，所述掺杂剂材料为Sr(LSM阴极)，使得阴极本体层210的组成为(La1-xSrx)yMnO3-δ，其中x不大于约0.5，例如不大于约0.4、0.3、0.2或甚至不大于约0.1，特别地在约0.3至0.05的范围内。在一个具体实施例中，y的值不大于约1.0。在一个说明性的非限制性的实施例中，x为约0.2且y为约0.98，使得阴极本体层210包括具有(La0.8Sr0.2)0.98MnO3的组成的LSM材料。如在前述实施例中提供的具有A-位缺陷的掺杂的锰酸镧组成的阴极可减少在燃料电池的运行期间在阴极/电解质界面处的限制电导率的组成的形成。
替代地，或者另外，所述阴极的材料可包括基于铁酸La的材料。典型地，所述基于铁酸La的材料可用一种或多种合适的掺杂剂例如Sr、Ca、Ba、Mg、Ni、Co或Fe掺杂。掺杂的基于铁酸La的材料的实例包括LaSrCo-铁酸盐(LSCF)(例如，La1-gSrqCo1-jFejO3，其中q和j各自独立地等于或大于0.1，且等于或小于0.4，且(La+Sr)/(Fe+Co)在约1.0至约0.90(摩尔比) 的范围内。在一个具体实施例中，所述阴极可包括亚锰酸La和铁酸La材料的混合物。例如，所述阴极可包括LaSr-亚锰酸盐(LSM)(例如，La1-kSrkMnO3)和LaSrCo-铁酸盐(LSCF)。通常的实例包括(La0.8Sr0.2)0.98Mn3+-Δ(Δ等于或大于零，且等于或小于0.3)和La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3。
阴极本体层210可具有不小于约0.10mm、例如不小于约0.15mm、不小于约0.20mm、或甚至不小于约0.25mm的平均厚度。此外，阴极本体层210可具有不大于约2mm、例如不大于约1.9mm、不大于约1.8mm、不大于约1.7mm、不大于约1.6mm、或甚至不大于约1.5mm的平均厚度。将理解，阴极本体层210可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
阴极本体层210可为多孔层，其具有在对于阴极本体层210的总体积的约30体积％至约60体积％的范围内的孔隙率。阴极本体层210可具有比阴极功能层212或阴极结合层208内的孔的平均孔径显著大的平均孔径。
阴极结合层208可具有不大于约100μm、例如不大于约90μm、不大于约80μm、不大于约70μm、不大于约60μm、或甚至不大于约50μm的平均厚度。此外，阴极结合层208可具有不小于约5μm、不小于约6μm、不小于约7μm、不小于约8μm、不小于约9μm、或甚至不小于约10μm的平均厚度。将理解，阴极结合层208可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
阴极结合层208的孔隙率可不小于约5体积％，例如不小于约6体积％、不小于约7体积％、不小于约8体积％、不小于约9体积％、不小于约10体积％、不小于约11体积％、或甚至不小于约12体积％。此外，阴极结合层208的孔隙率可不大于约60体积％，例如不大于约55体积％、不大于约50体积％、不大于约45体积％、或甚至不大于约40体积％。将理解，阴极结合层208可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的孔隙率。
阴极功能层212可具有不大于约100μm、例如不大于约90μm、不大于约80μm、不大于约70μm、不大于约60μm、或甚至不大于约50μm的平均厚度。此外，阴极功能层212可具有不小于约5μm、不小于约6μm、不小于约7μm、不小于约8μm、不小于约9μm、或甚至不小于约10μm的平均厚度。将理解，阴极功能层212可具有在包括上面提到的最小和最 大值中的任意的范围内的平均厚度。
阴极功能层212可为多孔层，其具有在对于阴极功能层212的总体积的约20体积％至约50体积％的范围内的孔隙率。阴极功能层212可具有比阴极本体层210内的孔的平均孔径显著小的平均孔径。
阳极本体层216可包括陶瓷金属材料，即，陶瓷和金属材料的组合。例如，阳极本体层216可用镍和YSZ形成。镍通常通过阳极前体例如经热处理的生坯陶瓷组合物中包括的镍氧化物的还原产生。即，阳极本体层216可包括镍氧化物和YSZ(在还原之前)或者镍和YSZ(在还原之后)。阳极结合层214还可包括镍氧化物和YSZ(在还原之前)或者镍和YSZ(在还原之后)。
阳极本体层216可具有不小于约0.10mm、例如不小于约0.15mm、不小于约0.20mm、或甚至不小于约0.25mm的平均厚度。此外，阳极本体层216可具有不大于约2mm、例如不大于约1.9mm、不大于约1.8mm、不大于约1.7mm、不大于约1.6mm、或甚至不大于约1.5mm的平均厚度。将理解，阳极本体层216可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
阳极本体层216可为多孔层，其具有在对于阳极本体层216的总体积的约30体积％至约60体积％的范围内的孔隙率。阳极本体层216可具有比在阳极功能层218或阳极结合层214内的孔的平均孔径显著大的平均孔径。
阳极结合层214可具有不大于约100μm、例如不大于约90μm、不大于约80μm、不大于约70μm、不大于约60μm、或甚至不大于约50μm的平均厚度。此外，阳极结合层214可具有不小于约5μm、不小于约6μm、不小于约7μm、不小于约8μm、不小于约9μm、或甚至不小于约10μm的平均厚度。将理解，阳极结合层214可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
阳极结合层214的孔隙率可不小于约5体积％，例如不小于约6体积％、不小于约7体积％、不小于约8体积％、不小于约9体积％、不小于约10体积％、不小于约11体积％、或甚至不小于约12体积％。此外，阳极结合层214的孔隙率可不大于约60体积％，例如不大于约55体积％、不大于约50体积％、不大于约45体积％、或甚至不大于约40体积％。将理解，阳极结合层214可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的 范围内的孔隙率。
阳极功能层218可具有不大于约100μm、例如不大于约90μm、不大于约80μm、不大于约70μm、不大于约60μm、或甚至不大于约50μm的平均厚度。此外，阳极功能层218可具有不小于约5μm、不小于约6μm、不小于约7μm、不小于约8μm、不小于约9μm、或甚至不小于约10μm的平均厚度。将理解，阳极功能层218可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
阳极功能层218可为多孔层，其具有在对于阳极功能层218的总体积的约20体积％至约50体积％的范围内的孔隙率。阳极功能层218可具有比阳极本体层216内的孔的平均孔径显著小的平均孔径。
电解质层220、222可包括无机材料，例如陶瓷材料。例如，电解质层220、222可包括氧化物材料。一些适合的氧化物可包括氧化锆(ZrO2)，且更特别地包括可引入其它元素例如稳定剂或掺杂剂的基于氧化锆的材料，所述稳定剂或掺杂剂可包括例如如下的元素：钇(Y)、镱(Yb)、铈(Ce)、钪(Sc)、钐(Sm)、钆(Gd)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)、及其组合。合适的电解质材料的具体实例可包括Sc2O3掺杂的ZrO2、Y2O3掺杂的ZrO2、Yb2O3掺杂的ZrO2、Sc2O3掺杂的和CeO2掺杂的ZrO2、及其组合。所述电解质层还可包括二氧化铈(CeO2)，且更特别地包括基于二氧化铈的材料，例如Sm2O3掺杂的CeO2、Gd2O3掺杂的CeO2、Y2O3掺杂的CeO2、和CaO掺杂的CeO2。所述电解质材料还可包括基于镧系元素的材料，例如LaGaO3。所述基于镧系元素的材料可用特别的元素掺杂，所述元素包括但不限于，Ca、Sr、Ba、Mg、Co、Ni、Fe、及其组合。特别地，所述电解质材料可包括亚锰酸镧锶(LSM)材料。一些示例性电解质材料包括La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.2O3、La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.15Co0.5O3、La0.9Sr0.1Ga0.8Mn0.2O3、LaSrGaO4、LaSrGa3O7、或La0.9A0.1GaO3，其中A表示来自组Sr、Ca、或Ba的元素之一。根据一个具体实施例，电解质层101可由掺杂有8摩尔％Y2O3的ZrO2(即，8摩尔％Y2O3掺杂的ZrO2)制成。所述8摩尔％Y2O3可具有特别的掺杂剂，例如Al和/或Mn以促进热反应特性和改善电解质材料的加工特性。其它示例性电解质材料可包括掺杂的钇-锆酸盐(例如，Y2Zr2O7)、掺杂的钆-钛酸盐(例如，Gd2Ti2O7)和钙铁石(例如，Ba2In2O6或Ba2In2O5)。
电解质层220、222可具有不大于约1mm、例如不大于约500微米、 例如不大于约300微米、不大于约200微米、不大于约100微米、不大于约80微米、不大于约50微米、或甚至不大于约25微米的平均厚度。还有，电解质层220、222可具有至少约1微米、例如至少约2微米、至少约5微米、至少约8微米、或至少约10微米的平均厚度。将理解，电解质层220、222可具有在以上提到的最小和最大值中的任意之间的范围内的平均厚度。
参照图3，说明包括互连件302的SOFC制品300的一个具体实施例。在图3的说明性的非限制性的实施例中，互连件302包括第一离散互连层304和第二离散互连层306。第一离散互连层304和第二离散互连层306设置在阴极204和阳极206之间。
第一离散互连层304可具有在阴极界面224处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度，第二离散互连层306可具有在阳极界面226处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度。在阳极界面226处的经部分稳定的氧化锆的第二浓度可高于在阴极界面224处的经部分稳定的氧化锆的第一浓度。在一个具体实施例中，第一离散互连层304可基本上不包括经部分稳定的氧化锆。作为说明性实例，第一离散互连层304可包括陶瓷互连材料(例如，LSTN4.0)，且第二离散互连层306可包括陶瓷互连材料(例如，LSTN4.0)和经部分稳定的氧化锆。
第一离散互连层304可具有比图2的互连件202的厚度小的厚度。此外，第二离散互连层306可具有比图2的互连件202的厚度小的厚度。在一个具体实施例中，第一离散互连层304和第二离散互连层306的总的联合厚度可与图2的互连件202的厚度大致相同。在一个实施例中，第一离散互连层304的厚度可与第二离散互连层306的厚度大致相同。替代地，第一离散互连层304的厚度可不同于第二离散互连层306的厚度。作为说明性的非限制性的实例，第二离散互连层306可包括陶瓷互连材料(例如，LSTN4.0)和经部分稳定的氧化锆且可比第一离散互连层304厚。
在一个具体实施例中，第一离散互连层304可具有不大于约50μm、例如不大于约45μm、不大于约40μm、不大于约35μm、不大于约30μm、或不大于约25μm的平均厚度。第一离散互连层304可具有不小于约2μm、不小于约3μm、不小于约4μm、或不小于约5μm的平均厚度。将理解，第一离散互连层304可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
第二离散互连层306可具有不大于约50μm、例如不大于约45μm、不大于约40μm、不大于约35μm、不大于约30μm、或不大于约25μm的平均厚度。第二离散互连层306可具有不小于约2μm、不小于约3μm、不小于约4μm、或不小于约5μm的平均厚度。将理解，第二离散互连层306可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的平均厚度。
在一个具体实施例中，第一离散互连层304的孔隙率可不小于约0.05体积％，例如不小于约0.1体积％、不小于约0.2体积％、或不小于约0.5体积％。第一离散互连层304的孔隙率可不大于约5体积％，例如不大于约4体积％、不大于约3体积％、或不大于约2体积％。将理解，第一离散互连层304可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的孔隙率。
在一个具体实施例中，第二离散互连层306的孔隙率可不小于约0.05体积％，例如不小于约0.1体积％、不小于约0.2体积％、或不小于约0.5体积％。第二离散互连层306的孔隙率可不大于约5体积％，例如不大于约4体积％、不大于约3体积％、或不大于约2体积％。将理解，第二离散互连层306可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的孔隙率。
在一个具体实施例中，第二离散互连层306可具有(例如，在约800℃、约900℃、或约1000℃的温度下)不小于约1S/cm、例如不小于约2S/cm、不小于约3S/cm、不小于约4S/cm、或不小于约5S/cm的在包括约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。将理解，第一离散互连层304可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的在形成气体气氛中的体积电导率。
第二离散互连层306可具有不大于约25S/cm、例如不大于约20S/cm、或不大于约15S/cm的在包括约4体积％H2和约96体积％N2的形成气体气氛中的体积电导率。将理解，第二离散互连层306可具有在包括上面提到的最小和最大值中的任意的范围内的在形成气体气氛中的体积电导率。
实施例
如本文中所使用的，术语“3Y”将用于指经部分稳定的氧化锆，其包括具有约3.0摩尔％Y2O3的ZrO2。作为说明性实例，术语“LST28-3Y5”将用 于指包括约5体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约95体积％LST28陶瓷互连材料的材料。术语“LST28-3Y10”将用于指包括约10体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约90体积％LST28的材料。术语“LST28-3Y15”将用于指包括约15体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约85体积％LST28的材料。术语“LST28-3Y20”将用于指包括约20体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约80体积％LST28的材料。
术语“LSTN4.0-3Y5”将用于指包括约5体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约95体积％LSTN4.0陶瓷互连材料的材料。术语“LSTN4.0-3Y10”将用于指包括约10体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约90体积％LSTN4.0的材料。术语“LSTN4.0-3Y15”将用于指包括约15体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约85体积％LSTN4.0的材料。术语“LSTN4.0-3Y20”将用于指包括约20体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约80体积％LSTN4.0的材料。
术语“LSTN6.0-3Y5”将用于指包括约5体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约95体积％LSTN6.0陶瓷互连材料的材料。术语“LSTN6.0-3Y10”将用于指包括约10体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约90体积％LSTN6.0的材料。术语“LSTN6.0-3Y15”将用于指包括约15体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约85体积％LSTN6.0的材料。术语“LSTN6.0-3Y20”将用于指包括约20体积％经部分稳定的氧化锆(即，用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)和约80体积％LSTN6.0的材料。
实例1
由陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆形成示例性互连材料。通过膨胀测定法测量包括经部分稳定的氧化锆的各示例性互连材料的收缩率(dL/dT)用于与不具有经部分稳定的氧化锆的互连材料的比较。具体地，测量LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20的收缩率并将其与LST28的收缩率进行比较。测量LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、 LSTN4.0-3Y15和LSTN4.0-3Y20的收缩率并将其与LSTN4.0的收缩率进行比较。测量LSTN6.0-3Y5、LSTN6.0-3Y10、LSTN6.0-3Y15和LSTN6.0-3Y20的收缩率并将其与LSTN6.0的收缩率进行比较。对于所述示例性互连材料各自测定dL/dT曲线的峰值温度。
图4说明通过膨胀测定法测量的包括陶瓷互连材料和经部分稳定的氧化锆的示例性互连材料根据经部分稳定的氧化锆的体积百分数的峰值温度。图4说明向LST28、LSTN4.0和LSTN6.0添加经部分稳定的氧化锆降低峰值温度，从而表明改善的可烧结性。
例如，LST28的峰值温度从约1493℃降低到LST28-3Y5的约1435℃，LSTN4.0的峰值温度从约1392℃降低到LSTN4.0-3Y5的约1316℃，且LSTN6.0的峰值温度从约1361℃降低到LSTN6.0-3Y5的约1311℃。
实例2
将可得自美国元件(American Elements)(洛杉矶，加利福尼亚州)的LST28和可得自美国东曹(Tosoh USA)的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LST28-3Y5混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图5为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LST28-3Y10混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图6为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LST28-3Y15混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图7为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LST28-3Y20混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图8为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率 下的SEM图像。
在所述自由烧结操作之后测定示例性互连材料(LST28-3Y5，LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的相对密度。使用阿基米德(Archimedes)方法测量在自由烧结之后示例性互连材料各自的密度。使用3YSZ、LST28、LSTN4.0和LSTN6.0的理论密度基于混合定律确定示例性互连材料各自的理论密度。通过将所测量的密度除以理论密度确定示例性互连材料各自的相对密度百分比。
例如，在所述自由烧结操作之后，LST28-3Y5的相对密度测定为理论密度的约87.8％。LST28-3Y10的相对密度测定为约79.3％，LST28-3Y15的相对密度确定为约77.1％，且LST28-3Y20的相对密度测定为75％。
在所述自由烧结操作之后，测定示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的双轴挠曲强度。在自由烧结之后，使用对圆片样品(直径＝25.4mm和厚度＝2mm)利用支撑环(直径＝20mm)和负载环(直径＝9.5mm)进行的环上环技术(ASTM-C1499-04)测量示例性互连材料各自的双轴挠曲强度。使用使具有样品尺寸的圆片样品破坏的最大负载确定示例性互连材料的双轴挠曲强度。
图9说明示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的双轴挠曲强度(MPa)。
例如，与LST28的38.5MPa的双轴挠曲强度相比，在自由烧结操作之后，LST28-3Y5的双轴挠曲强度测定为约48.6MPa。LST28-3Y10的双轴挠曲强度测定为约60.3MPa，LST28-3Y15的双轴挠曲强度测定为约59.3MPa，且LST28-3Y20的双轴挠曲强度测定为63.9MPa。
实例3
将可得自美国元件(洛杉矶，加利福尼亚州)的LST28和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LST28-3Y5混合物在约1500℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图10为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LST28-3Y10混合物在约1500℃的温度下自 由烧结约1小时的时间。图11为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LST28-3Y15混合物在约1500℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图12为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LST28-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图13为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
在所述自由烧结操作之后，测定示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的相对密度。所述相对密度是如实例2中所描述的那样测定的。
例如，在所述自由烧结操作之后，LST28-3Y5的相对密度测定为理论密度的约101.7％。LST28-3Y10的相对密度测定为约101.6％，LST28-3Y15的相对密度测定为约101.3％，且LST28-3Y20的相对密度测定为约101.4％。
在所述自由烧结操作之后，测量示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的双轴挠曲强度。所述双轴挠曲强度是如实例2中所描述的那样测定的。
图14说明示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)各自的双轴挠曲强度(MPa)。
例如，与LST28的62.59MPa的双轴挠曲强度相比，在自由烧结操作之后，LST28-3Y5的双轴挠曲强度测定为约56.03MPa。LST28-3Y10的双轴挠曲强度测定为约57.96MPa，LST28-3Y15的双轴挠曲强度测定为约98.02MPa，且LST28-3Y20的双轴挠曲强度测定为99.97MPa。
实例4
将可得自圣戈班公司(Saint-Gobain Corp.)的LSTN4.0和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5 体积％。将所得LSTN4.0-3Y5混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图15为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LSTN4.0-3Y10混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图16为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LSTN4.0-3Y15混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图17为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LSTN4.0-3Y20混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图18为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
在所述自由烧结操作之后，测定示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、LSTN4.0-3Y15和LSTN4.0-3Y20)各自的相对密度。所述相对密度是如实例2中所描述的那样测定的。
例如，在所述自由烧结操作之后，LSTN4.0-3Y5的相对密度测定为理论密度的约102.9％。LSTN4.0-3Y10的相对密度测定为约103％，LSTN4.0-3Y15的相对密度测定为约102.5％，且LSTN4.0-3Y20的相对密度测定为约102.2％。
在所述自由烧结操作之后，测量示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、LSTN4.0-3Y15和LSTN4.0-3Y20)各自的双轴挠曲强度。双轴挠曲强度测试如实例2中所描述的那样进行。
图19说明示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、LSTN4.0-3Y15和LSTN4.0-3Y20)各自的双轴挠曲强度(MPa)。
例如，与LSTN4.0的85.09MPa的双轴挠曲强度相比，在所述自由烧结操作之后，LSTN4.0-3Y5的双轴挠曲强度测定为约72.7MPa。 LSTN4.0-3Y10的双轴挠曲强度测定为约86.21MPa，LSTN4.0-3Y15的双轴挠曲强度测定为约97.51MPa，且LSTN4.0-3Y20的双轴挠曲强度测定为113.02MPa。
实例5
将可得自圣戈班公司的LSTN6.0和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LSTN6.0-3Y5混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图20为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN6.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LSTN6.0-3Y10混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图21为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN6.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LSTN6.0-3Y15混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图22为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
将LSTN6.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LSTN6.0-3Y20混合物在约1320℃的温度下自由烧结约1小时的时间。图23为在所述自由烧结操作之后在10k放大倍率下的SEM图像。
在所述自由烧结操作之后测定示例性互连材料(LSTN6.0-3Y5、LSTN6.0-3Y10、LSTN6.0-3Y15和LSTN6.0-3Y20)各自的相对密度。所述相对密度是如实例2中所描述的那样测定的。
例如，在所述自由烧结操作之后，LSTN6.0-3Y5的相对密度测定为理论密度的约102.3％。LSTN6.0-3Y10的相对密度测定为约102.7％，LSTN6.0-3Y15的相对密度测定为约102.4％，且LSTN6.0-3Y20的相对密度测定为约102.2％。
在所述自由烧结操作之后，测量示例性互连材料(LSTN6.0-3Y5、 LSTN6.0-3Y10、LSTN6.0-3Y15和LSTN6.0-3Y20)各自的双轴挠曲强度。双轴挠曲强度测试如实例2中所描述的那样进行。
图24说明示例性互连材料(LSTN6.0-3Y5、LSTN6.0-3Y10、LSTN6.0-3Y15和LSTN6.0-3Y20)各自的双轴挠曲强度(MPa)。
例如，与LSTN6.0的50.8MPa的双轴挠曲强度相比，在所述自由烧结操作之后，LSTN6.0-3Y5的双轴挠曲强度测定为约57.2MPa。LSTN6.0-3Y10的双轴挠曲强度测定为约77.7MPa，LSTN6.0-3Y15的双轴挠曲强度测定为约88.5MPa，且LSTN6.0-3Y20的双轴挠曲强度测定为113.92MPa。
实例6
将可得自美国元件(洛杉矶，加利福尼亚州)的LST28和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LST28-3Y5混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。
在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间之后，以膨胀测定法对条样品(4mm×5mm×30mm)按照下列程序测量示例性互连材料各自的化学膨胀。将所述条样品在空气中以5℃/分钟的加热速率加热至1200℃并在加热期间测量各样品的CTE。然后将所述条样品以5℃/分钟冷却至900℃并在空气中保持1小时，然后切换成氮气再1小时；最后切换成4％H2+96％N2形成气体并保持12小时。对于示例性互连材料各自测量在于所述形成气体中保持期间条样品膨胀的百分比作为化学膨胀。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LST28-3Y10混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y10进行以上对于LST28-3Y5描述的化学膨胀测试。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LST28-3Y15混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y15进行以上描述的化学膨胀测试。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LST28-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y20进行以上描述的化学膨胀测试。
图25说明与LST28相比较的各示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)的化学膨胀。
实例7
将可得自圣戈班公司的LSTN4.0和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LSTN4.0-3Y5混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y5进行在实例6中描述的化学膨胀测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LSTN4.0-3Y10混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y10进行在实例6中描述的化学膨胀测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LSTN4.0-3Y15混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y15进行在实例6中描述的化学膨胀测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LSTN4.0-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y20进行在实例6中描述的化学膨胀测试。
将可得自圣戈班公司的LSTN6.0和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得 LSTN6.0-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN6.0-3Y20进行在实例6中描述的化学膨胀测试。
图26说明与LSTN4.0相比较的各示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、LSTN4.0-3Y15、LSTN4.0-3Y20和LSTN6.0-3Y20)的化学膨胀。
实例8
将可得自美国元件(洛杉矶，加利福尼亚州)的LST28和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LST28-3Y5混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在约1000℃的温度下在约4摩尔％H2和约96摩尔％N2的形成气体气氛中进行电导率测试。
在空气中在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间之后，使用4探针法对条样品(4mm×5mm×30mm)测量示例性互连材料各自的体积电导率。将所述条样品在形成气体中在约800℃的温度下保持约16小时的时间。然后在形成气体中将所述条样品以5℃/分钟的加热速率加热至约1000℃的高温并保持约4小时，且通过如下测量在1000℃下的电导率：使恒定电流通过两个探针并测量在另外两个探针中的电压降且使用欧姆定律进行计算。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LST28-3Y10混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y10进行以上描述的电导率测试。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LST28-3Y15混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y15进行以上描述的电导率测试。
将LST28和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总 体积的约20体积％。将所得LST28-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LST28-3Y20进行以上描述的电导率测试。
图27说明在约1000℃的温度下测量的各示例性互连材料(LST28-3Y5、LST28-3Y10、LST28-3Y15和LST28-3Y20)在形成气体气氛中的体积电导率(S/cm)。
实例9
将可得自圣戈班公司的LSTN4.0和可得自美国东曹的经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约5体积％。将所得LSTN4.0-3Y5混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在约4摩尔％H2和约96摩尔％N2的形成气体气氛中在约800℃的温度下、在约900℃的温度下和在约1000℃的温度下进行如实例8中所描述的电导率测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约10体积％。将所得LSTN4.0-3Y10混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y10进行以上描述的电导率测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约15体积％。将所得LSTN4.0-3Y15混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y15进行以上描述的电导率测试。
将LSTN4.0和经部分稳定的氧化锆(用约3.0摩尔％Y2O3部分地稳定的ZrO2)球磨研磨以形成混合物。所述经部分稳定的氧化锆为所述混合物的总体积的约20体积％。将所得LSTN4.0-3Y20混合物在约1500℃的温度下自由烧结约六小时的时间。在所述自由烧结操作之后，对LSTN4.0-3Y20进行以上描述的电导率测试。
图28说明在形成气体气氛中在约1000℃的温度下测量的各示例性互连材料(LSTN4.0-3Y5、LSTN4.0-3Y10、LSTN4.0-3Y15和LSTN4.0-3Y20)的体积电导率(S/cm)。
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