JP2004288613A - 液体スプレー法を用いて固体酸化物型燃料電池成分を製造するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、一般に、組み合わせ化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、液体スプレー技術を用いて固体酸化物型燃料電池成分を製造する高生産性システム及び方法に関する。
【解決手段】 固体酸化物型燃料電池の電極及び電解質材料性能を製造し評価する高生産性のシステム及び方法。化学組成及び可変処理に基づいて燃料電池材料を最適化する小スケール技術。固体酸化物型燃料電池に用いる電極及び電解質材料を製造し評価する方法は、非焼結の又は部分的に焼結された基板(106)を準備し、複数の液体スプレー装置(110)を用いて、電極及び電解質材料を基板の複数の領域に送給することを含み、該複数の液体スプレー装置(110)は、該複数の液体スプレー装置(110)のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイが形成されるように、該基板(106)に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置される。システムは、複数の液体スプレー装置(110)と、成分を受け取る基板(106)の複数の領域を制御することができるマスク(112)とを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】 固体酸化物型燃料電池の電極及び電解質材料性能を製造し評価する高生産性のシステム及び方法。化学組成及び可変処理に基づいて燃料電池材料を最適化する小スケール技術。固体酸化物型燃料電池に用いる電極及び電解質材料を製造し評価する方法は、非焼結の又は部分的に焼結された基板(106)を準備し、複数の液体スプレー装置(110)を用いて、電極及び電解質材料を基板の複数の領域に送給することを含み、該複数の液体スプレー装置(110)は、該複数の液体スプレー装置(110)のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイが形成されるように、該基板(106)に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置される。システムは、複数の液体スプレー装置(110)と、成分を受け取る基板(106)の複数の領域を制御することができるマスク(112)とを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、一般に、組み合わせ化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、液体スプレー技術を用いて固体酸化物型燃料電池成分を製造する高生産性システム及び方法に関する。
燃料電池は、イオン伝導性電解質を介して、気体燃料と酸化ガスを電気化学的に結合することによって、電気と熱を生成することができるエネルギー変換装置である。燃料電池の定義上の特徴は、燃焼を必要とせずに、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する能力であり、従来方法に比べ極めて高い変換効率を与える。燃料電池は、主に1つの電解質と2つの電極であるアノード及びカソードから構成される。燃料電池の分類は、一般に電解質の種類によりなされる。
電解質は、2つの電極が電気的接触になるのを防止し、カソードで生成された帯電イオンの流れを電解質を通して、アノードで放電されるように作用する。電解質の種類が燃料電池の動作温度を決める。電極の機能は、電極自体が消費され腐食されることなく、反応型物質(燃料)と電極との間での反応を引き起こすことである。定義によると、電極はまた導電体である必要があり、かつ、その相を接触状態にする必要がある。
燃料電池には多くの異なる種類があり、幾つかのパラメータは、燃料電池の使用目的に応じて異なるものとすることができる。例えば、固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、完全に固体材料で構成された燃料電池である。SOFCは、電解質としてイオン導電性酸化物セラミックを用いており、約900°Cから約1000°Cの範囲で作動される。SOFCは、他の形式の燃料電池に比べて、電解質管理上では問題をほとんど生じず、すべての燃料電池中で最高効率(ほぼ50%−60%)を有するなどの幾つかの利点を提供する。SOFCは、大規模発電所、分散型電力用途及び車両用途に用いることができる。
SOFCの開発における主要な課題の1つは、SOFCの性能及びコスト要件に合致する高性能電極及び電解質材料を開発することである。電極及び電解質とも有力候補の材料のリストはあるが、材料の組み合わせ、化学組成、処理条件及び同様のものを最適化するには、多大の労力が必要とされる。このことは、こうした有力候補材料の大部分が3元又は4元ベースのいずれかである場合に特に当てはまる。
SOFCの電解質材料として、例えば、イットリウム安定化ジルコニウム(YSZ)が広く用いられる。しかしながら、電解質性能は、ジルコニウムに対するイットリウムの比率に比較的敏感であり、この成分比率は、慎重に最適化される必要がある。同じことが、ストロンチウムドープのCeO2、CGOなどを含む電解質のための他の有力候補材料についても言える。電極材料組成もまた、SOFCの性能には極めて重要である。例えば、一般的なカソード材料であるLaxSr1−xMnO(3−d)(LSM)の組成は、その導電性及び電気化学活性に大きく影響を与える場合がある。
一般的には、多様な化学組成を有する、元素又は成分の種々の化合物は、電極及び電解質材料の最適な性能を得るために、比較的に緩慢で労働集約的な、かつコストが高い方法で個別に処方され試験される。従って、必要とされることは、SOFC関連の材料開発をより効率的なものとする高生産性のシステム及び方法である。本発明のシステム及び方法は、組み合わせ手法又は小スケール手法を用いて、SOFCに用いる電極及び電解質材料の高生産性製造、評価、及び最適化を達成するものである。
同様に、SOFCは、比較的高い効率性と低排出物によって、燃料から電気エネルギーを生成する有望な技術であるが、SOFCの広汎な商業的利用には、比較的割高な製造コストと高い作動温度が障壁となっている。製造コストは、主に、比較的高温(ほぼ1000°C)で作動可能な最新式の電解質支持型燃料電池の必要性によって決まる。作動温度が、ステンレス鋼などのより安価な構造成分が使用可能となる800°Cより低く抑えることができると、製造コストは大幅に削減することができる。より低い作動温度はまた、システム全体の効率を増大させ、活性セラミック構造における熱応力を低減することを保証し、余命をより長くする。
SOFCにおける作動温度を低下させることへの障壁の1つは、コモンカソード材料であるLSMの効率である。LSMのカソード分極化は、中間温度では比較的高く、大きな効率損失をもたらす。従って、より低活性分極を有する新たなカソード組成物が必要とされる。しかしながら、新たなカソード組成物を製造するための標準的セラミックの処理技術は、時間がかかり費用が嵩む。典型的には、新たな粉体組成物は、沈殿、濾過、及び焼成を含む複数の工程を経て合成される。カソード構造体の微細構造(即ち空隙率)が大幅にその性能に寄与することから、均質な微細構造を有するカソード構造体を製造するためには、慎重な粉体処理を行う必要がある。こうしたセラミック粉末を合成するのに関連する費用により、製造及び評価できるカソード組成物の数は制限される。
従って、必要とされるのは、固体酸化物型燃料電池用の電解質及び電極材料の製造及び性能の評価のための高生産性システム及び方法である。更に、必要とされるのは、電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し、最適化するシステム及び方法である。又更に必要とされるのは、化学組成及び異なる処理に基づいてこれらの材料を最適化する小スケール技術である。構造的及び表面的方法と統合して高速装置を用いる方法により、SOFCのための新材料の発見率向上が可能になるであろう。
様々な実施の形態において、本発明は、固体酸化物型燃料電池(「SOFC」)に用いる電極及び電解質材料の製造及び評価のための高生産性システム及び方法を提供する。本発明は、こうした電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し、評価し、最適化するためのシステム及び方法を含み、小スケール技術を用いて、異なる化学組成及び処理に基づきこうした統合、評価、及び最適化を行う。構造的及び表面的方法と統合して高速装置を用いるシステム及び方法は、SOFCにおける使用のための新材料及び新材料組み合わせの発見率向上を可能にするという利点をもたらす。
様々な実施の形態において、本発明は、更に、一般に多成分組成の無機材料を合成するために、使い易い高速技術を提供する。これらの技術は、蛍光体、シンチレータ、PZT材料など、SOFCにおいて(電極、電解質、インターコネクタ、シールなどに)使用するための新たな無機材料を発見するのに用いることができる。この技術は、非定常状態の使用を補正するのに用いることができる勾配組成又は空間的に分離された組成の合成及び分析を可能にする。これらの材料の合成は、液体スプレー/噴霧化技術を用いて材料を基板上に被着させることを含む。互いに、かつ基板に対して適切な角度に設置された複数の液体スプレー装置を用いることにより、勾配アレイが生成される。区分的又は連続的な勾配アレイは、液体の流量を制御することにより生成することができる。
本発明の1つの実施の形態において、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極又は電解質材料のアレイを製造する方法は、非焼結の又は部分的に焼結された基板を準備し、複数の液体スプレー装置を用いて、電極及び電解質材料を基板の複数の領域に送給することを含み、該複数の液体スプレー装置は、該液体スプレー装置(110)のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイが形成されるように、該基板に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置され、該基板を焼結する。1つの実施の形態においては、複数の液体スプレー装置は静止状態に保持され、基板は、x−yステージを用いてx−y座標空間で移動することができる。代替的な実施の形態においては、基板は静止状態に保持され、複数の液体スプレー装置は、x−yステージを用いて、x−y座標空間で移動することができる。更に別の実施の形態においては、基板及び装置の両方を移動することができる。
本発明の更に別の実施の形態においては、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極又は電解質材料を製造し評価するシステムは、固体酸化物型燃料電池成分を複数の基板領域に送給して勾配アレイを生成する複数の液体スプレー装置と、該成分を受け取る該複数の基板領域を制御することができるマスクとを備え、該液体スプレー装置の出口が、該複数の液体スプレー装置のスプレープルームが重なり合って、勾配アレイが形成されるように、該基板に対してかつ互いに適切な角度で配置される。幾つかの実施例においては、本発明のシステムにより生成される勾配アレイは、2つ又はそれ以上の成分から構成される3元、4元、又は他のアレイのいずれかを含む。
本発明の更に別の実施の形態においては、高生産性システムは、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な材料の勾配アレイを製造することができ、該材料のアレイの複数の部材の各々は、相対的性能を評価することができる。
次に、本発明の種々の具体的な実施の形態が図面を参照して説明される。これらの図面において、同一要素には同一符号が付与される。
要求事項として、本発明の詳細な実施の形態が本明細書において開示されるが、開示された実施の形態は、様々な代替的形式で具体化することができる本発明の単なる例示に過ぎないことを理解すべきである。本明細書に開示された具体的な構造及び機能的詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に本発明を様々に用いることを当業者に教示するための代表的な根拠として、特許請求の範囲についての根拠として解釈すべきである。以下で説明される方法及びシステムは、固体酸化物型燃料電池成分に適用するものであるが、原理的にはまた、液体スプレー法を採用する高生産性技術のいずれにも適用されるものである。
本発明は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)に用いる電極及び電解質材料の勾配アレイの高生産性製造及び評価を達成する組み合わせ化学手法を用いるシステム及び方法を提供する。本発明は、電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し最適化するシステム及び方法を提供する。以下に説明されるスプレー技術を用いてSOFCに必要な電極及び電解質材料を調べることができる。
1つの実施の形態において、本発明のシステム及び方法は、推進力に依存して異なる化学組成の勾配アレイを生成する液体スプレー技術の使用に基づくものである。本技術は、金属塩混合物又は金属塩混合物の組み合わせを基板上に均等に分配することを可能にする。複数のスプレー器/ネブライザにより塗布されると、3元、4元、又は他の勾配アレイのいずれかが生成されることになる。本発明のシステム及び方法は、基板に塗布された場合には、材料が焼結されると、物理的又は化学的特性を向上させることができる化学種の添加を可能にする。影響を受ける可能性がある物理的特性には、例えば、電気又はイオン伝導率、孔径、及び孔密度がある。
ここで図1を参照すると、本発明の1つの実施の形態において、SOFCに用いる電極又は電解質材料の勾配アレイ102を製造するための液体スプレー/噴霧システムは、基板106の表面への送給に好適な複数の材料104(材料A、B、及びCが示される)を含む。複数の材料104は、反応性又は非反応性の基板106上で、又は該基板と共に又は基板内で作用する材料の区分的又は連続的な勾配アレイのいずれかを形成することができる。基板106に対し、及び互いに対して適切な角度で、複数の該液体送給装置110のノズル108を載置することにより勾配アレイ102が生成され、その結果、液体送給装置110のスプレープルームが重なり合い、所望の勾配混合物が形成される。
基板106は、剛性又は半剛性の表面を有する材料とすることができる。幾つかの実施の形態において、基板106の少なくとも1つの表面は、実質的に平坦である。基板106は、例えば、多孔性又は高密度イットリウム安定化ジルコニウム(「YSZ」)、グリーン・セラミック、プラスチックコート・セラミック、プラチナ金属、又はその種の他のものを含むことができる。基板の表面積は、特定用途の要件を満たすように設計される。好ましくは、基板106の表面積は、1cm2から50cm2までの範囲であり、より好ましくは、30cm2から40cm2までの範囲である。SOFCに使用する電極材料の評価においては、鉄クロム合金又はLaCrO3あるいはプラチナ金属などの導電性セラミックを、アレイ電極として用いることができる。SOFCに使用する電解質材料の評価においては、LaxSr1xMnO(3−d)(「LSM」)被覆鉄クロム合金、プラチナ金属、又はLaCrO3を、アレイ電極として用いることができる。
基板上の所定領域は、特定の固体酸化物型燃料電池成分の被着のために使われるか、使われたか又は使われるのを意図される局所化された範囲である。所定領域は、使いやすい形状であればいずれの形状、例えば直線、円形、矩形、楕円形又は楔形を有するようにすることができる。その領域は、どの成分が基板106上のどの所定領域上に被着されたかを特定するのに用いることができるタグ又はバーコードなどのマーカによって識別することができる。表面積、領域数、及び所定領域の位置は、特定の用途に応じて決まる。
液体の形態で1つ又はそれ以上の材料を基板106の表面に送給するように作動する送給装置110は、該基板106の表面の上方に、又はこれと隣接して配置される。複数の送給装置110の各々は、ネブライザ、スプレー器、簡易型、又はプラズマ型、或いは当技術分野において公知の他のどのような液体スプレー器を含むことができる。送給装置110は正圧により作動して、1つ又はそれ以上の材料が、ノズル108を介して基板106の表面の方向に吐出される。送給装置110は、例えば図1に示すように、3元、4元、又は他の勾配アレイ102が生成されるように配置される。好ましくは、送給装置110は、基板106の表面に対して移動可能とし、これにより、1つ又はそれ以上の材料を、基板106の表面の特定の所定領域に送給できるようにする。任意ではあるが、これらの所定領域は、マスク112の複数の孔又は複数の開口の位置に対応させることができる。基板106上に被着された1つ又はそれ以上の材料は、SOFC成分の勾配アレイ102を形成する。
基板106は、マスク112の上に又は該マスクに隣接して配置することができる。マスク112は、典型的には、そこを貫通して配置された複数の孔(図示せず)或いはそこに配置された開口(図示せず)を有する、プレート、シート、フィルム、コーティング、又は同様な他のものを含む。複数の孔又は開口の各々は、例えば、実質的に円形、長楕円形、正方形、矩形、三角形、又はより複雑な形状とすることができる。マスク112は、複数の孔の各々を通過する材料が、基板106の表面の所定領域に接触するのを選択的に防止されるか又は遮蔽されるように、基板106の表面に隣接して配置される。
複数の材料104の各々の流量を液体送給装置110及び/又はノズル108に対して選択的に制御することにより、該複数の材料104の所定の組み合わせを形成することができる。従って、複数の材料104の所定の組み合わせは、スプレー制御及び基板の位置の関数として、区分的に又は連続的に異なるものとすることができる。
複数の材料104は、基板106の所定の領域の上に吹き付けられることにより、電極又は電解質材料の勾配アレイ102を形成する。このようにして、複数の材料104は、例えば、電解質材料によって分離された電極材料の区分的アレイ、電極材料の連続的アレイ、電解質材料の区分的アレイ、電解質材料の連続的アレイ、又はそのいずれかの組み合わせを形成することができる。勾配アレイは、カソード材料のアレイを含み、該カソード材料のアレイは、約700ミクロンと2,000ミクロンの間の直径で、約1,000ミクロンの厚さである。
1つの実施の形態において、1つのスプレーノズル108は静止状態に保持することができるが、目標基板106は、プログラム可能なx−yステージ111を用いて、x−y座標空間で移動する能力を有する。2つ又はそれ以上の金属含有溶液に異なる供給速度を適用し、同時に、目標をx又はy方向のいずれかに動かすことによって、連続的な組成勾配を生成することができる。本実施形態は、高真空装置を用いることなく、濃度及び組成が制御されかつ連続的な変化をもった薄膜合成を可能にする。
電極及び電極−電解質の組み合わせの性能に影響する特性のいずれかである。
電極及び電極−電解質の組み合わせの性能に影響する特性のいずれかである。
電解質の調査については、マスクを使用しない手法を用いることができる。この実施の形態においては、分解可能な基板により勾配付き固体の形成を可能にする。セラミック基板の一方の面に金属をスパッタリングすることにより共通電極が生成され、マスク112を用いて、他方の面に区分的金属端子のアレイをスパッタリングすることにより、電気化学的な特徴付けのために2電極間の組成スポットが絶縁される。カソード材料については、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板に吹き付けることによって、同様の手法を実行することができる。アノードが各セルに一般共用部を提供すると共に、金属端子は、マスク112を用いてカソード材料上にスパッタリングすることができる。こうした設計により、燃料含有条件下にある材料の電気化学的評価が可能になる。
複数の材料104は、SOFC成分すなわち基板106に被着された個々の物質を含む。この成分が、互いに作用して特定材料を生成することができる。成分は、熱輻射などの外部エネルギー源と相互に又は一緒に直接的に反応させることができる。基板106に存在するか又はその成分に添加された追加の材料あるいは化学物質もまた、その成分に作用することができる。成分は、層、配合物、混合物、又はそれらの組み合わせを形成する。複数の材料104は、例えば、金属酸化物、金属炭酸塩、金属塩及び同等のもののような基板106の表面に、所定の金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び/又は金属陽イオンの組み合わせを提供するのに好適な複数の材料を含むことができる。複数の材料104は、構造的多様性のための有機結合剤又はポリマーと共に、バルク目的及びドーパント目的のための金属を含む金属溶液を含むことができる。当業者に公知の他の適当な材料もまた、電極と電解質の両方に用いることができる。複数材料104は、コーティング及び/又は濾過処理を増強する結合剤及び/又はキャリア材料を更に含むことができる。
基板104の既定領域上に被着されてきた成分又は成分の組み合わせは、勾配アレイの形態の成分の層、配合物又は混合物を含む。混合物における成分の各々は、単独で変えることができる。混合物は2つ又はそれ以上の物質を含む。勾配アレイの生成された材料は、それらの相対的性能を求めるために、特定の特性又は特徴についてスクリーニングされる。
任意的ではあるが、基板106を部分的に焼結することができる。SOFCに用いる電極又は電解質材料の勾配アレイ102を製造するためのシステムはまた、電極又は電解質材料のアレイを加熱する温度制御装置を含み、これにより該電極又は電解質材料のアレイを焼結して、SOFCの評価前にどのような結合剤及び/又はキャリア材料をも除去できるようにする。金属塩混合物の焼結は、吹き付けと一緒にその場で行うことができるが、しかしながら、ほとんどの場合においては、吹き付け後の焼結が必要になる。
別の例示的な実施の形態においては、電気活性材料のアレイは上述のように形成することができる。しかしながら、焼結前でかつ組成のドーピング前後に、関心あるスポットの微細構造の変化に影響を与える試みとして、混和剤を、そのスポットに添加することができる。例えば、焼結後に気孔性又は充填密度の可変的制御を可能にする物質を添加することができる。このことは、小スケールでの組成制御及び微細構造制御の両方を可能にする。微細構造、組成、及び材料性能間の関係は、このようにして明らかにされ、迅速に最適化することができる。
ここで図2を参照すると、本発明のシステムは、提示された実施例において、総合的にSOFC成分を基板106の表面に送給して区分的又は連続的な組成勾配アレイの材料を形成することができる複数の液体スプレー装置内に配置された複数の材料A202、B204、C206を含む。図示されるように、個々の材料及び材料の組み合わせの領域が生成される。上述のように、複数の材料は、例えば、複数の不溶性金属酸化物、金属炭酸塩、アンモニウムスラリー、又は同様のものとすることができる。任意的ではるが、複数の材料は更に、複数の結合剤及び/又は分散剤を含むことができる。組成勾配アレイは、基板106又は液体スプレー装置のいずれかと連結して作用するプログラム可能なx−yステージ又は同様のものを用いて空間的に実現することができる。x−yステージは更に、複数の材料の組み合わせ被着速度を基板106の移動速度と調和させることができる。区分的組成は、x−yステージと流れの調和を中断することによって生成することができる。
本発明のシステム及び方法は多成分組成セルの生成を説明するものであり、これはSOFCに用いるのに好適なカソード及びアノード材料の迅速な検査を可能にする。均質材料のアノードを共通するカソード材料と共に吹き付けることによって、多成分組成セルの異なる領域が計測され、かつ領域を性能について評価することができる。組成に対する性能は、多チャンネル又は多電極分析器を用いて、迅速に求めることができる。
好ましくは、SOFCに用いる電極又は電解質材料のアレイを評価するためのシステムはまた、本明細書では1つ又はそれ以上のサンプリング機構116と呼ばれる1つ又はそれ以上のリード線、プローブ、センサ、又は同様なものを介して、基板106の複数領域の各々に作動的に連結された試験装置114を含む。試験装置114は、1つ又はそれ以上のサンプリング機構116からデータを収集し、任意的にコンピュータ118と組み合わせて、勾配アレイ102の各部材の相対的性能を評価し比較する。試験装置114及びコンピュータ118は、アレイ部材102の各々から直列又は並列にサンプリングできる多チャネル型電気化学的ワークステーションを含むことができる。SOFCに用いる電極材料の評価のために、電気抵抗、過電圧、分極電流、又は同様なものを測定、評価、及び比較することができる。同じ材料特性について、個々の材料の各々をスクリーニングし、又は問い合わせるすることができる。例えば、過電圧は、定電流法を用いて測定することができる。分極電流は、定電圧法を用いて測定することができる。SOFCに用いる電解質材料の評価のためには、交流(「AC」)インピーダンス分析器、ポテンシオスタット、又は同様なものを用いて、イオン抵抗、開回路電圧、又は同様なものを測定し、評価し、比較することができる。好ましくは、イオン抵抗の測定に関して、これは、単一周波数での電気化学的インピーダンス分光法を用いて測定される。電極、電解質、及びSOFCの性能に関する他の測定、評価、及び比較手段及び技術は、当業者には公知であり、本発明のシステム及び方法と共に実施することができる。こうした手段及び技術はまた、電極、電解質、又はSOFCのアレイを周辺環境から隔離することができる環境制御装置と共に実施することができる。一旦スクリーニングされると、個々の材料は、調査中の材料特性に関して、順位付けされるか又は他の方法で互いに関連させて比較することができる。
本発明の更に別の実施の形態においては、SOFCに用いる電極又は電解質アレイを製造し評価する方法は、基板の表面への送給に好適な複数の材料を準備することを含む。上述のように、複数の材料は、勾配アレイの形態で基板表面上に勾配コーティングを形成することができ、或いは、基板に浸透させて、評価に適う電極又は電解質材料のアレイを形成することもできる。複数の材料は、基板の複数領域の各々の化学組成及び/又は物理的微細構造を選択的に変えることによって、電極又は電解質材料のアレイを形成することができる。
複数の材料を基板の表面に送給するために、互いに及び該基板106に対して所定の角度に配置された複数の液体送給装置110を用いて、該材料が基板上に吹き付けられる。3元又は4元パターンのような所望の勾配アレイのパターンが得られるように、装置110を位置付けることができる。上述のように、送給装置110は、例えば、ネブライザ又は液体スプレー装置を含むことができる。好ましくは、送給装置110は、移動可能なステージなどの使用を通じて、送給装置を動かすか又は基板を動かすかのいずれかにより、基板106の表面に対して移動可能である。複数の材料の所定の組み合わせは、基板の位置の関数として区分的に又は連続的に異なるものとすることができる。
一般に、材料のアレイは、SOFC成分を基板106の所定の領域に送給することにより準備される。1つの実施の形態においては、例えば、第1の成分が基板上の第1の所定領域に送給され、第2の成分が同じ基板上の第2の所定領域に送給され、第3の成分が同じ基板の第3の所定領域に送給される。このプロセスは、アレイが完成するまで、追加成分(例えば、第4、第5などの成分)及び/又は他の材料(例えば、第4、第5などの材料)について継続する。更に別の実施の形態においては、アレイは、前述のようにして形成されるが、様々な成分が基板106に送給された後に、その成分を相互作用可能な状態にするか又は相互作用させる処理工程が実行されて、層、配合物、混合物、及び/又は成分間の反応で生じる材料を形成する。更なる実施の形態においては、2つ又はそれ以上の成分が、並列送給技術を用いて基板上の既定領域に送給され、その結果、その成分は、基板106に接触する前に、相互に作用することができる。成分の各々は、均一又は勾配形態のいずれかで送給され、単一化学量、又はその代わりに、単一の既定領域内に多くの化学量を生成することができる。
一般的に、組み合わせの形態で成分を基板106に塗布するために、物理的なマスキング・システムを様々な被着技術と組み合わせて用いて、基板106上の所定位置に結果として得られる材料のアレイを生成することができる。成分材料のアレイは、通常は、基板106を横切る厚さが異なるものである。成分は、例えば、気体、液体、又は粉体の形態で基板106に分配することができる。好適な被着技術は、限定するものではないが、スパッタリング、スプレーコーティング、及び区分的な液体分配技術(例えば、ピペット、注射器など)を含む。更に、こうした分配システムは、手動にすることも、或いは、代替的には、例えばロボット技術を用いて自動化することもできる。
SOFCのための材料合成においては、化学組成及び微細構造の両方ともが重要な変数である。本発明の方法及びシステムを用いて勾配アレイ102を生成することは、組成ライブラリの複製を促進し、このようにして、多くの変数及び微細構造の制御による処理の機会が実現可能になる。アレイの複製は、多くの複合処理変数についての調査を可能にする。所与のアレイにおける個々の組成は、多プローブ機器を用いて様々な温度での過電圧を監視することによって、酸素存在中における導電性について、及び触媒作用について試験を行うことができる。これに続く結果は、性能測定値に基づく組成及び処理の順位付けを可能にする。有望な結果を持つ材料は、物理的な微細構造と性能とを関連付けるために、微細XRD、XRF、及びTOF−SIMMSを用いて、更に特徴付けることができる。
本発明のシステム及び方法によると、固体酸化物型燃料電池に用いる電極又は電解質材料のアレイの製造及び評価のための高生産性技術が提供されたことは、明らかである。本発明のシステム及び方法は、好ましい実施の形態及びその実施例を参照して説明されたが、他の実施の形態及び実施例も同様の機能を果たすことができ、及び/又は同様の結果を達成することができる。特許請求の範囲に示された参照番号は、本発明の範囲を狭めるものではなく、それらを容易に理解することを意図されたものである。
102 勾配アレイ
104 材料
106 基板
108 ノズル
110 液体送給システム
111 x−y移動ステージ
112 マスク
104 材料
106 基板
108 ノズル
110 液体送給システム
111 x−y移動ステージ
112 マスク
Claims (28)
- 固体酸化物型燃料電池に用いる電極及び電解質材料を製造及び評価する方法であって、
非焼結の又は部分的に焼結された基板(106)を準備し、
複数の液体スプレー装置(110)を用いて、電極及び電解質材料を前記基板(106)の複数の領域に送給する、
ことを含み、
前記複数の液体スプレー装置(110)は、該液体スプレー装置(110)のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイ(102)が形成されるように、前記基板(106)に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置されている、
ことを特徴とする方法。 - 前記複数の液体スプレー装置(110)は静止状態に保持され、前記基板(106)はx−yステージ(111)を用いてx−y座標空間で移動することができる請求項1に記載の方法。
- 前記基板(106)は静止状態に保持され、前記複数の液体スプレー装置(110)はx−yステージ(111)を用いてx−y座標空間で移動することができる請求項1に記載の方法。
- 前記勾配アレイ(102)が区分的又は連続的である請求項1に記載の方法。
- 前記複数の液体スプレー装置(110)の供給速度を制御することができる請求項1に記載の方法。
- マスク(112)を用いて、電気化学的な特徴付けのために2電極間の組成スポットを隔離することを更に含む請求項1に記載の方法。
- カソード材料は、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板(106)に吹き付けることにより特徴付けられる請求項1に記載の方法。
- 前記基板(106)が多孔性基板(106)及び非多孔性基板(106)からなるグループから選択された請求項1に記載の方法。
- 化学種を前記基板(106)の中に分配することを更に含み、焼結されたときに、前記化学種が複数の異なる化学組成領域の各々の物理的又は化学的特性を改変する請求項1に記載の方法。
- 前記化学種を前記基板(106)の中に分配することが、金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び金属陽イオンの組み合わせからなるグループから選択された化学種を前記基板(106)の中に分配することを含む請求項9に記載の方法。
- 前記勾配アレイ(102)が、カソード材料のアレイを含み、前記カソード材料のアレイが約700ミクロンと2,000ミクロンとの間の直径であり、約1,000ミクロンの厚さである請求項1に記載の方法。
- 導電性及び電気化学活性について前記複数の異なる化学組成領域の各々を試験することを更に含む請求項1に記載の方法。
- 前記複数の異なる化学組成領域の各々の化学組成及び処理条件を、試験結果を用いて、固体酸化物型燃料電池における使用についての適性に関連して順位付けすることを更に含む請求項12に記載の方法。
- 前記複数の液体スプレー装置(110)が、簡易型スプレー器、プラズマ型スプレー器、及びネブライザのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の方法。
- 固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極及び電解質材料を製造及び評価するシステムであって、
固体酸化物型燃料電池成分を複数の基板(106)領域に送給して、勾配アレイ(102)を生成することができる液体スプレー装置(110)と、
前記成分を受け取る前記複数の基板(106)領域を制御することができるマスク(112)と、
を備え、
前記液体スプレー装置(110)の出口が、該複数の液体スプレー装置(110)のスプレープルームが重なり合って、前記勾配アレイ(102)が形成されるように、前記基板(106)に対してかつ互いに対して適切な角度で配置されたシステム。 - 前記勾配アレイ(102)が、2つ又はそれ以上の成分から構成される3元、4元、又は他のアレイのいずれかを備える請求項15に記載のシステム。
- 前記複数の液体スプレー装置(110)は静止状態に保持され、前記基板(106)はx−y座標空間で移動することができる請求項15に記載のシステム。
- 前記基板(106)は静止状態に保持され、前記複数の液体スプレー装置(110)はx−y座標空間で移動することができる請求項15に記載のシステム。
- 前記勾配アレイ(102)が区分的又は連続的である請求項15に記載のシステム。
- 前記複数のスプレー装置(110)の供給速度を制御することができる請求項15に記載のシステム。
- 前記マスク(112)は、電気化学的な特徴付けのために、2電極間の組成スポットを隔離することができる請求項15に記載のシステム。
- カソード材料が、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板(106)に吹き付けることにより特徴付けられた請求項15に記載のシステム。
- 前記基板(106)が多孔性基板(106)及び非多孔性基板(106)からなるグループから選択された基板(106)を含む請求項23に記載のシステム。
- 前記基板(106)が、焼結されたときに、複数の異なる化学組成領域の各々の物理的又は化学的特性を改変する化学種を含む請求項15に記載のシステム。
- 前記化学種が、基板(106)内に入った金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び金属陽イオンの組み合わせからなるグループから選択された請求項24に記載のシステム。
- 前記勾配アレイ(102)が、カソード材料のアレイを含み、前記カソード材料のアレイが約700ミクロンと2,000ミクロンとの間の直径であり、約1,000ミクロンの厚さである請求項15に記載のシステム。
- 前記勾配アレイ(102)が、異なる導電性及び電気化学活性領域について試験された請求項15に記載のシステム。
- 前記複数の液体スプレー装置(110)が、簡易型スプレー器、プラズマ型スプレー器、及びネブライザのうちの少なくとも1つを含む請求項1に記載の方法
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