JP2004522275A5

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Publication number: JP2004522275A5
Application number: JP2002586432A
Authority: JP
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-12-22

Claims

金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池において、
ａ）イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有する非多孔質の中央電解質膜と、
ｂ）第１の非多孔質金属層と、
ｃ）第２の非多孔質金属層と、
ｄ）イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有する非多孔質の第１の外側電解質層と、
ｅ）第１のイオン伝導性境界面と、
ｆ）第１の電子伝導性境界面と、
ｇ）イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有する非多孔質の第２の外側電解質層と、
ｈ）第２のイオン伝導性境界面と、
ｉ）第２の電子伝導性境界面とを有し、
ただし、前記非多孔質中央電解質膜は１０μｍ未満の厚さであり、中央電解質膜の各面にそれぞれ１つずつ２つの主表面を定めており、
前記第１の非多孔質金属層は、中央電解質膜の一方の主表面に密着しており、該主表面を通って延びる第１の穿孔パターンを形成する複数の穿孔を有し、
前記第２の非多孔質金属層は、中央電解質膜の他方の主表面に密着しており、該主表面を通って延びる第２の穿孔パターンを形成する複数の穿孔を有し、
前記第１の外側電解質層は、
第１の金属層に密着しており、第１の穿孔パターンを通して中央電解質膜と密に連絡し、かつ、
該外側電解質層の全容積にわたってイオン伝導性を有し、また下にある第１の金属層から外側表面におけるいずれかの反応ガスまでの厚さにわたって電子伝導性を有し、
前記第１のイオン伝導性境界面は、第１の外側電解質層と中央電解質膜との間の接触面に形成されており、
前記第１の電子伝導性境界面は、第１の金属層と第１の外側電解質層との間の接触面に形成されており、
前記第２の外側電解質層は、
第２の金属層に密着しており、第２の穿孔パターンを通して中央電解質膜と密に連絡し、かつ，
該外側電解質層の全容積にわたってイオン伝導性を有し、また下にある第２の金属層から外側表面におけるいずれかの反応ガスまでの厚さにわたって電子伝導性を有し、
前記第２のイオン伝導性境界面は、第２の外側電解質層と中央電解質膜との間の接触面に形成されており、
前記第２の電子伝導性境界面は、第２の金属層と第２の外側電解質層との間の接触面に形成されている、ことを特徴とする金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池。
前記第１及び第２の穿孔パターンは、中央電解質膜のいずれの面においても穿孔の位置が合わないように配置されている、請求項１記載の電気化学的電池。
前記第１及び第２の穿孔パターンは、複数のエリアにおいて、中央電解質膜のいずれかの面において穿孔の位置が合い、位置の合ったエリアにおいて中央電解質膜が露出するように、構成されている、請求項１記載の電気化学的電池。
前記第１及び第２の穿孔パターンのうちの一方又は両方は、第１及び第２の金属層の表面にわたってあるエリアから別のエリアへと穿孔の密度を変化させることにより、電気化学的な電流密度を変化させるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項記載の電気化学的電池。
さらに第１及び第２の金属製相互接続部材を有しており、該金属製相互接続部材は、それぞれ、第１及び第２の外側電解質層にガスを供給する気密ガス供給路を形成するため、ならびに第１及び第２の外側電解質層から排出ガスを除去する気密ガス排出路を形成するために、電気化学的電池から別の電気化学的電池に電気的接触を提供するよう第１及び第２の金属層に気密シールを用いて接続されている、請求項１記載の電気化学的電池。
気密シール、第１及び第２の金属製相互接続部材の間の電気的接触、ならびに第１及び第２の金属層はそれぞれメタラジカルボンドによって実現される、請求項５記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属製相互接続部材は、該部材の表面一面にわたり隆起した稜線又は窪んだディンプルの任意の組合せを有するように形成されており、前記部材の周囲に形成された肉厚部分はガス供給及びガス排出の路の開口部を提供する、請求項６記載の電気化学的電池。
メタラジカルボンドは真空鑞付けと不活性雰囲気鑞付けのうちの一方又は両方により形成される、請求項７記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層は、ニッケル、金、銀、白金、クロム、クロム鉄合金、フェライトステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケルをベースとした超合金のうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層のうちの１つ又は複数は、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、完全に安定化したジルコニア、部分的に安定化したジルコニア、ドープされたセリア、ドープされた酸化ビスマス、及び酸化ペロフスカイトのうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層のうちの１つ又は複数は、混合イオン伝導性と電子伝導性を有し、酸化ペロフスカイト、白金、パラジウム及び銀、ならびに銀の酸化物のうちの１つ又は複数から形成されている、請求項１記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層は、フェライトステンレス鋼、及びニッケルをベースとした超合金のうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層のうちの１つ又は複数は、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、完全に安定化したジルコニア、部分的に安定化したジルコニア、及びドープされたセリアのうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層のうちの１つ又は複数は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有し、酸化ペロフスカイトのうちの１つ又は複数から形成されている、請求項１記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層のうちの一方又は両方は精錬された金属又は合金の箔から形成されている、請求項１、７又は８のいずれか１項記載の電気化学的電池。
金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池において、
ａ）イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有する非多孔質の中央電解質膜と、
ｂ）第１の多孔質内側電解質層と、
ｃ）第１の非多孔質金属層と、
ｄ）第１のイオン伝導性内側境界面と、
ｅ）第１の電子伝導性内側境界面と、
ｆ）第２の多孔質内側電解質層と、
ｇ）第２の非多孔質金属層と、
ｈ）第２のイオン伝導性内側境界面と、
ｉ）第２の電子伝導性内側境界面とを有し、
ただし、前記非多孔質の中央電解質膜は１０μｍ未満の厚さであり、中央電解質膜の各面にそれぞれ１つずつ２つの主表面を定めており、
前記第１の多孔質内側電解質層は１０μｍ未満の厚さであり、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、中央電解質膜の一方の主表面に密着しており、
前記第１の非多孔質金属層は、第１の内側電解質層の外側表面に密着しており、該外側表面を通って延びる第１の穿孔パターンを形成する複数の穿孔を有し、
前記第１のイオン伝導性内側境界面は、中央電解質膜と第１の内側電解質層との間の接触面に形成されており、
前記第１の電子伝導性内側境界面は、第１の内側電解質層と第１の金属層との間の接触面に形成されており、
前記第２の多孔質内側電解質層は１０μｍ未満の厚さであり、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、中央電解質膜の他方の主表面に密着しており、
前記第２の非多孔質金属層は、第２の内側電解質層の外側表面に密着しており、該外側表面を通って延びる第２の穿孔パターンを形成する複数の穿孔を有し、
前記第２のイオン伝導性内側境界面は、中央電解質膜と第２の内側電解質層との間の接触面に形成されており、
前記第２の電子伝導性内側境界面は、第２の内側電解質層と第２の金属層との間の接触面に形成されている、ことを特徴とする金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池。
前記第１及び第２の穿孔パターンは、中央電解質膜のいずれの面においても穿孔の位置が合わないように配置されている、請求項１２記載の電気化学的電池。
前記第１及び第２の穿孔パターンのうちの一方又は両方は、第１及び第２の金属層の表面にわたってあるエリアから別のエリアへと穿孔の密度を変化させることにより、電気化学的な電流密度を変化させるように構成されている、請求項１２又は１３記載の電気化学的電池。
さらに第１及び第２の金属製相互接続部材を有しており、該金属製相互接続部材は、第１及び第２の金属層の外側表面にガスを供給する気密ガス供給路を形成するため、ならびに第１及び第２の金属層から排出ガスを除去する気密ガス排出路を形成するために、それぞれ、電気化学的電池から別の電気化学的電池に電気的接触を提供するよう第１及び第２の金属層に気密シールを用いて接続されている、請求項１２記載の電気化学的電池。
気密シール、第１及び第２の金属製相互接続部材の間の電気的接触、ならびに第１及び第２の金属層はそれぞれメタラジカルボンドによって実現される、請求項１５記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属製相互接続部材は、該部材の表面一面にわたり隆起した稜線又は窪んだディンプルの任意の組合せを有するように形成されており、前記部材の周囲に形成された肉厚部分はガス供給及びガス排出の路の開口部を提供する、請求項１６記載の電気化学的電池。
メタラジカルボンドは真空鑞付けと不活性雰囲気鑞付けのうちの一方又は両方により形成される、請求項１７記載の電気化学的電池。
第１の電子伝導性内側境界面と第２の電子伝導性内側境界面のうちの一方又は両方は、第１及び第２の金属層のうちの一方又は両方の内側表面の金属コーティングにより改善されており、前記金属コーティングは電子伝導性及び境界面の安定性のうちの一方又は両方を高める酸化金属配合物に変換されうる性質を有している、請求項１２記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層は、ニッケル、金、銀、白金、クロム、クロム鉄合金、フェライトステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケルをベースとした超合金のうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の内側電解質層のうちの１つ又は複数は、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、完全に安定化したジルコニア、部分的に安定化したジルコニア、ドープされたセリア、ドープされた酸化ビスマス、酸化ペロフスカイト、及び酸化パイロクロールのうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の内側電解質層のうちの１つ又は複数は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有し、酸化ペロフスカイト、白金、パラジウム及び銀、ならびに銀の酸化物のうちの１つ又は複数から形成されている、請求項１２記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層は、フェライトステンレス鋼、及びニッケルをベースとした超合金のうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の内側電解質層のうちの１つ又は複数は、イオン伝導性もしくは混合イオン伝導性と、電子伝導性とを有し、完全に安定化したジルコニア、部分的に安定化したジルコニア、及びドープされたセリアのうちの１つ又は複数から形成されており、
中央電解質膜と第１及び第２の内側電解質層のうちの１つ又は複数は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有し、酸化ペロフスカイトから形成されている、請求項１記載の電気化学的電池。
第１及び第２の金属層のうちの一方又は両方は金属又合金の箔から形成されている、請求項１２，２０又は２１記載の電気化学的電池。
第１及び第２の内側電解質層はコーティングの形態をとっており、該コーティングは、イオン伝導性、混合イオン伝導性及び電子伝導性を有する物質の粒子、又は電子伝導性を有する物質の粒子を含んでおり、該粒子は、イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸化物セラミック物質のゾルゲルに包まれ、ボンディングされている、請求項１２記載の電気化学的電池。
中央電解質膜はコーティングの形態をとっており、該コーティングは、イオン伝導性、混合イオン伝導性及び電子伝導性、又は電子伝導性を有する物質の粒子を含んでおり、該粒子は、イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性を有する酸化物セラミック物質のゾル−ゲルに包まれ、ボンディングされており、さらに相互連結した穿孔を密封するために１つ又は複数のゾルゲルを含浸させてある、請求項１２記載の電気化学的電池。
１つ又は複数の金属酸化物セラミックから形成され、第１の金属層の外側表面に密着した第１の外側電解質層、及び
１つ又は複数の金属酸化物セラミックから形成され、第２の金属層の外側表面に密着した第２の外側電解質層のうちの一方又は両方をさらに有する、請求項１２記載の電気化学的電池。
第１及び第２の外側電解質層のうちの一方又は両方は、炭化水素改質触媒又は、元素周期表のＩＩ族、Ｖ族、ＶＩ族、ＶＩＩ族、ＶＩＩＩ族、ＩＸ族、Ｘ族、ＸＩ族、ＸＶ族及びＦブロックのランタニドから選択された選択的酸化触媒を含む、請求項２５記載の電気化学的電池。
第１の金属層は精錬されたフェライトステンレス鋼の箔から形成されており、
中央電解質膜は安定化ジルコニアで形成されており、
第２の金属層はフェライトステンレス鋼からできたコーティングとして形成されており、
第１及び第２の内側電解質層は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有し、安定化ジルコニア、ドープされたセリア、及びランタン・ストロンチウム・クロマイトのうちの１つ又は複数で形成されている、
固体酸化物型燃料電池として使用される請求項２３又は２４記載の電気化学的電池。
第１の金属層及び第２の金属層は精錬されたフェライトステンレス鋼の箔から形成されており、
中央電解質膜は安定化ジルコニアで形成されており、
第１及び第２の内側電解質層は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有し、安定化ジルコニア、ドープされたセリア、及びランタンス・トロンチウム・クロマイトのうちの１つ又は複数で形成されている、
固体酸化物型燃料電池として使用される請求項２３又は２４記載の電気化学的電池。
複数の金属支持された固体電解質型電気化学的電池から形成された、メタラジカルボンディングされたマルチセル固体電解質電気化学的リアクタアセンブリであって、前記複数の固体電解質型電気化学的電池の各々が、正極と負極の電極を有し、電気的に直列に接続されている形式のマルチセル固体電解質電気化学的リアクタアセンブリにおいて、
ａ）請求項１，１２，２２，２３又は２７のいずれか１項に記載された複数の金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池と、
ｂ）金属製相互接続部材と、
ｃ）前記電気化学的電池の周囲に配置された開口部と、
ｄ）一番上の金属製相互接続部材にメタラジカルボンディングされたトップエンドアセンブリと、
ｅ）一番下の金属製相互接続部材にメタラジカルボンディングされたボトムエンドアセンブリと、
ｆ）リアクタアセンブリ及び該リアクタアセンブリの構造用支持材ならびにガス供給及び排出のための任意の外部パイプと、
ｇ）２つの外部電気端子とを有しており、
第１の金属層及び第２の金属層の各々は、第１の金属層が前記電池の正極の一部を形成している場合には、第２の金属層が前記電池の負極の一部を形成し、逆の場合には逆のことが成り立つように、個々に前記電池の正極又は負極のいずれかの構成部分として、及び前記電池の正極又は負極のいずれかのための集電器又は配電器として機能し、
前記金属製相互接続部材の間には、前記電気化学的電池が挟み込まれており、前記金属製相互接続部材の各々は、該部材の表面一面にわたり隆起した稜線又は窪んだディンプルの任意の組合せを有するように形成されており、前記部材の周囲に形成された肉厚部分は前記部材の周囲に形成された管路を有しており、隣接する電気化学的電池の第１又は第２の金属層にメタラジカルボンディングされると、気密シールと電気的接触が隣接電池の第１又は第２の金属層と金属製相互接続部材との間に形成され、隣接電池の外側表面を渡るガス流路ならびに隣接電池間の電気的な相互接続が提供され、
前記開口部は、電池と相互結合部材がメタラジカルボンディングされたとき、該開口部の位置が合い、電池及び金属製相互接続部材の平面を横断するガス供給及び排出のための多岐管が形成され、ガス流が電池の外側表面にあるいずれかのガス流路と連通するように、金属製相互接続部材内の対応する開口部と位置合わせされており、
前記トップエンドアセンブリは、ガス供給及び排出のための多岐管とリアクタアセンブリの外部にあるガス供給及び排出のためのいずれかのパイプとの間でガス流を連通させ、
前記ボトムエンドアセンブリは、ガス供給及び排出のための多岐管を密封し、ガス流を一番下の電気化学的電池へ及び該電池から導き、
前記リアクタアセンブリと該アセンブリの構造用支持材は電気的に絶縁されており、前記リアクタアセンブリと前記ガス供給及び排出のための任意の外部パイプは電気的に絶縁されており、
前記２つの外部電気端子の一方はトップエンドアセンブリに接続されており、他方の端子はボトムエンドアセンブリに接続されている、ことを特徴とするマルチセル固体電解質電気化学的リアクタアセンブリ。
セル及び金属製相互接続部材の平面射影の形状は長方形であり、ガス供給及び排出のための多岐管は前記長方形の両方の長辺にそって配置されている、請求項２９記載のリアクタアセンブリ。
メタラジカルボンドは真空鑞付け及び不活性雰囲気鑞付けのうちの一方又は両方により形成される、請求項２９記載のリアクタアセンブリ。
金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成する方法において、
ａ）精錬された金属又は合金の箔を用いて、支持基板として機能する第１の金属層を形成し、
ｂ）イオン伝導性、又は混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する厚さ１０μｍ未満の非多孔質の電解質コーティングを第１の金属層の一方の表面に施すことにより、中央電解質膜を形成し、
ｃ）非多孔質金属コーティングを中央電解質膜の上面に施して第２の金属層を形成し、
ｄ）第１の金属層に第１の穿孔パターンを形成し、
ｅ）第２の金属層に第２の穿孔パターンを形成し、
ｆ）混合イオン及び電子伝導性を有する厚さ４μｍ未満の第１の非多孔質電解質コーティングを第１の金属層の外側表面一面に施して、第１の外側電解質層を設け、
ｇ）混合イオン及び電子伝導性を有する厚さ４μｍ未満の第２の非多孔質電解質コーティングを第１の金属層の外側表面一面に施して、第２の外側電解質層を設ける、ことを特徴とする金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成するための方法。
光化学加工処理を使用したエッチングにより第１及び第２の金属層の各々に穿孔を形成する、請求項３２記載の方法。
第２の金属層をＤＣスパッタリング、電子ビーム蒸着、及び電気メッキのうちの１つ又は複数により形成し、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層を、反応ＤＣスパッタリング、ＡＣスパッタリング、電子ビーム蒸着、分極電気化学蒸着、多層ゾルゲルコーティング、さらにゾルゲルコーティングで含浸した粒子入りコーティングのうちの１つ又は複数により設ける、請求項３２又は３３記載の方法。
金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成する方法において、
ａ）精錬された金属又は合金の箔を用いて、支持基板として機能する第１の金属層を形成し、
ｂ）イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する厚さ１０μｍ未満の多孔質の電解質コーティングを第１の金属層の１つの表面に施すことにより、第１の多孔質内側電解質層を形成し、
ｃ）イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する厚さ１０μｍ未満の非多孔質の電解質コーティングを第１の内側電解質層の表面に施すことにより、中央電解質膜を形成し、
ｄ）イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する厚さ１０μｍ未満の多孔質の電解質コーティングを中央電解質膜の表面に施すことにより、第２の非多孔質内側電解質層を形成し、
ｅ）非多孔質の金属コーティングを第２の内側電解質層の上面に施して第２の金属層を形成し、
ｆ）第１の金属層に第１の穿孔パターンを形成し、
ｇ）第２の金属層に第２の穿孔パターンを形成する、
ことを特徴とする金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成する方法。
光化学加工処理を使用したエッチングにより第１及び第２の金属層の各々に穿孔を形成する、請求項３５記載の方法。
ａ）厚さ４μｍ未満のセラミック電解質コーティングを第１の金属層の外側表面に施して第１の外側電解質層を設けるステップ、及び
ｂ）厚さ４μｍ未満のセラミック電解質コーティングを第２の金属層の外側表面に施して第２の外側電解質層を設けるステップ
の一方又は両方をさらに含む、請求項３５記載の方法。
第２の金属層をＤＣスパッタリング、電子ビーム蒸着、及び電気メッキのうちの１つ又は複数により形成し、
単層又は多層複合コーティングを施すことにより第１及び第２の内側電解質層を設け、ただし、前記コーティングは、イオン伝導性、混合イオン及び電子伝導性を有する物質の粒子、又は電子伝導性を有する物質の粒子を含んでおり、該粒子は、イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する酸化物セラミック物質のゾルゲルに包まれ、ボンディングされており、
中央電解質膜と第１及び第２の外側電解質層を、反応ＤＣスパッタリング、ＡＣスパッタリング、電子ビーム蒸着、分極電気化学蒸着、多層ゾルゲルコーティング、及びゾルゲルコーティングで含浸した粒子入りコーティングのうちの１つ又は複数により設ける、請求項３５記載の方法。
金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成する方法において、
ａ）第１の精錬された金属又は合金の箔を用いて、支持基板として機能する第１の金属層を形成し、
ｂ）第２の精錬された金属又は合金の箔の基板を用いて第２の金属層を形成し、
ｃ）第２の金属層に第２の穿孔パターンを形成し、
ｄ）厚さ１０μｍ未満の単層又は多層の多孔質複合電解質コーティングを第１の金属層の一方の表面に施して第１の多孔質内側電解質層を形成し、ただし、前記コーティングは、イオン伝導性、混合イオン及び電子伝導性を有する物質の粒子、又は電子伝導性を有する物質の粒子を含んでおり、該粒子は、イオン伝導性、又は、混合イオン伝導性と電子伝導性を有する酸化物セラミック物質のゾルゲルに包まれ、ボンディングされており、
ｅ）イオン伝導性、又は混合イオン伝導性と電子伝導性とを有する厚さ１０μｍ未満の非多孔質電解質コーティングを第１の内側電解質層の表面に施して中央電解質膜を形成し、
ｆ）厚さ１０μｍ未満の多孔質電解質コーティングを中央電解質膜の表面と第２の金属層の一方の表面とに施し、前記多孔質電解質コーティングをボンディングして、第２の多孔質内側電解質層の形成と該多孔質内側電解質層への第２の金属層の積層を同時に行い、
ｇ）第１の金属層に第１の穿孔パターンを形成する、
ことを特徴とする金属支持されたフレキシブルな固体電解質型電気化学的電池を形成する方法。
光化学加工処理を使用したエッチングにより第１及び第２の金属層の各々に穿孔を形成し、その際、第１の穿孔パターンを形成するときには、第２の金属層をエッチング液から保護する、請求項３９記載の方法。
ａ）厚さ４μｍ未満のセラミック電解質コーティングを第１の金属層の外側表面に施して、第１の外側電解質層を設け、
ｂ）４μｍ未満のセラミック電解質コーティングを第２の金属層の外側表面に施して、第２の外側電解質層を設ける、請求項３９記載の方法。
中央電解質膜を、反応ＤＣスパッタリング、ＡＣスパッタリング、電子ビーム蒸着、分極電気化学蒸着、多層ゾルゲルコーティング、及びゾルゲルコーティングで含浸した粒子入りコーティングのうちの１つ又は複数により設ける、請求項３９記載の方法。