JP2022522603A - 水素を生成する方法 - Google Patents

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ドーソン，ジン
ニコラス ファランドス
ドーソン，マシュー
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ユティリティ グローバル，インコーポレイテッド
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Abstract

水素を生成する方法は、装置を提供すること、燃料を含む第１のストリームを装置に導入すること、水を含む第２のストリームを装置に導入すること、第２のストリーム中の水を水素に還元すること、および水素を装置から抽出することを含む。第１のストリームおよび第２のストリームは、装置内で互いに接触しない。【選択図】図６Ｂ

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１９年１２月９日に出願された米国特許出願第１６／７０７，０４６号、１６／７０７，０６６号および１６／７０７，０８４号の一部継続出願であり、それらは、２０１９年１１月２９日に出願された米国特許出願第１６／６９９，４５３号および１６／６９９，４６１号の一部継続出願であり、それらは、２０１９年１１月２３日に出願された米国特許出願第１６／６９３，２６８号、１６／６９３，２６９号、１６／６９３，２７０号、および１６／６９３，２７１号の一部継続出願であり、それらは、２０１９年１１月１５日に出願された米国特許出願第１６／６８４，８３８号および１６／６８４，８６４号の一部継続出願であり、それらは、２０１９年１１月１２日に出願された米国特許出願第１６／６８０，７７０号の一部継続出願であり、それは、米国特許出願第１６／６７４，５８０号、１６／６７４，６２９号、１６／６７４，６５７号、１６／６７４，６９５号（全て２０１９年１１月５日に出願された）の一部継続出願であり、その各々は、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）の下、下記の恩典を主張する：２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２５７号、２０１８年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／７５６，２６４号、２０１８年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７５７，７５１号、２０１８年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／７５８，７７８号、２０１８年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／７６７，４１３号、２０１８年１１月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／７６８，８６４号、２０１８年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／７７１，０４５号、２０１８年１１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，０７１号、２０１８年１１月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７３，９１２号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，２７３号、２０１８年１２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／７７７，３３８号、２０１８年１２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／７７９，００５号、２０１８年１２月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／７８０，２１１号、２０１８年１２月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／７８３，１９２号、２０１８年１２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／７８４，４７２号、２０１８年１２月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７８６，３４１号、２０１９年１月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／７９１，６２９号、２０１９年１月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／７９７，５７２号、２０１９年１月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／７９８，３４４号、２０１９年２月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０４，１１５号、２０１９年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０５，２５０号、２０１９年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／８０８，６４４号、２０１９年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８０９，６０２号、２０１９年３月６日に出願された米国仮特許出願第６２／８１４，６９５号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，３７４号、２０１９年３月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／８１９，２８９号、２０１９年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８２４，２２９号、２０１９年３月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／８２５，５７６号、２０１９年４月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８２７，８００号、２０１９年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８３４，５３１号、２０１９年４月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／８３７，０８９号、２０１９年４月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／８４０，３８１号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２５号、２０１９年５月７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４４，１２７号、２０１９年５月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／８４７，４７２号、２０１９年５月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８４９，２６９号、２０１９年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５２，０４５号、２０１９年６月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８５６，７３６号、２０１９年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／８６３，３９０号、２０１９年６月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／８６４，４９２号、２０１９年６月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８６６，７５８号、２０１９年７月１日に出願された米国仮特許出願第６２／８６９，３２２号、２０１９年７月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／８７５，４３７号、２０１９年７月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／８７７，６９９号、２０１９年８月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８８８，３１９号、２０１９年９月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８９５，４１６号、２０１９年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／８９６，４６６号、２０１９年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／８９９，０８７号、２０１９年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６２／９０４，６８３号、２０１９年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６２／９１２，６２６号、２０１９年１０月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／９２５，２１０号、２０１９年１０月２９日に出願された米国仮特許出願第６２／９２７，６２７号、２０１９年１０月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／９２８，３２６号、２０１９年１１月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／９３４，８０８号、２０１９年１１月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／９３９，５３１号、２０１９年１１月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／９４１，３５８号、２０１９年１２月５日に出願された米国仮特許出願第６２／９４４，２５９号、２０１９年１２月６日に出願された米国仮特許出願第６２／９４４，７５６号、２０１９年１２月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／９４８，７５９号、および２０１９年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／９５５，４４３号。これらの列挙された出願の各々の全開示内容は、これにより、参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
この発明は一般に、電気化学反応器に関する。より特定的には、この発明は、合成ガスおよび水素を生成する電気化学反応器に関する。
合成ガス（すなわち、合成用ガス）は、主に、水素、一酸化炭素、および、しばしば二酸化炭素から構成される混合物である。それは、合成天然ガス、アンモニア、メタノール、水素、合成燃料、合成潤滑剤などの、様々な生成物を生成するための中間体として使用される。合成ガスは、水蒸気改質、ドライ改質、部分酸化、または気化により、天然ガス、石炭、バイオマスなどの、ほとんど全ての炭化水素供給原料から生成され得る。合成ガスは、可燃性であり、内燃機関において、または電気発生のためにしばしば使用されるが、そのエネルギー密度は天然ガスの半分未満である。
大量の水素が、石油および化学業界において必要とされる。例えば、大量の水素が、化石燃料のアップグレーディングおよびアンモニアまたはメタノールまたは塩酸の生成において使用される。石油化学プラントは、水素化分解、水素化脱硫、水素化脱アルキルのために水素を必要とする。不飽和脂肪および油の飽和レベルを増加させるための水素化プロセスもまた、水素を必要とする。水素はまた、金属鉱石の還元剤である。水素は、水の電気分解、水蒸気改質、実験室規模の金属－酸プロセス、熱化学方法、または嫌気性腐食から生成され得る。多くの国々が、水素の節約を目指している。
明らかに、これらの重要なガスを生成するための方法およびシステムを開発することが、継続して必要とされ、これに関心が集まっている。
さらなる態様および実施形態が、下記図面、発明を実施するための形態および特許請求の範囲において提供される。特に指定がない限り、本明細書で記載される特徴は組み合わせ可能であり、そのような組み合わせは全て、この開示の範囲内にある。
本発明の１つの態様は、装置を提供すること、燃料を含む第１のストリームを装置に導入すること、水を含む第２のストリームを装置に導入すること、第２のストリーム中の水を水素に還元すること、および水素を装置から抽出することを含む、水素を生成する方法である。第１のストリームおよび第２のストリームは、装置内で互いに接触しない。
別の方法態様では、第１のストリームは、水素と接触しない。
さらに別の方法態様では、第１のストリームおよび第２のストリームは、装置内の電解質により分離される。
いっそうさらなる方法態様では、電解質は、酸化物イオン伝導性であり、かつ、固体状態である。
なおいっそうさらなる方法態様では、電解質は、ドープセリアを含み、または電解質は、ランタンクロマイトまたは導電性金属またはそれらの組み合わせ、ならびに、ドープセリア、ＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含む。導電性金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはそれらの組み合わせを含む。
なおいっそうさらなる方法態様では、電解質はまた、電子を伝導し、装置は、インターコネクトを含まない。
別の方法態様では、装置は、管状である。
さらに別の方法態様では、燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。
いっそうさらなる方法態様では、第２のストリームは、水素を含む。
なおいっそうさらなる方法態様では、第１のストリームは、水または二酸化炭素をさらに含む。
発明のいっそうさらに別の方法態様では、第１のストリームは、水をほとんど～全く有しない燃料を含む。
別の方法態様では、装置は、平面である。
さらに別の方法態様では、装置は、インターコネクトにより分離された複数の繰り返し単位を含む。各繰り返し単位は、２つの電極を含み、電極間に電解質を有する。
いっそうさらなる方法態様では、電極は、流体チャネルまたは流体分散構成要素を含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まない。
なおいっそうさらなる方法態様では、水素を生成する方法は、第１のストリームを、第１のストリームが装置に入る前に改質器に導入することを含む。
発明のいっそうさらに別の方法態様では、改質器は、水蒸気改質器または自己熱改質器である。
なおいっそうさらなる方法態様では、水素を生成する方法は、装置を５００℃以上の温度で動作させることを含む。
別の方法態様では、装置は、電解質により分離された第１の電極および第２の電極を含む。第１の電極または第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＳＳＺ、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。
さらに別の方法態様では、装置は、電解質により分離された第１の電極および第２の電極を含む。第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。
いっそうさらなる方法態様では、第１の電極は、触媒を含む。
下記図面は、本明細書で記載されるある実施形態を説明するために提供される。図面は例示にすぎず、特許請求される発明の範囲を制限することを意図せず、かつ、特許請求される発明の可能性のある特徴または実施形態全てを示すことを意図しない。図面は必ずしも縮尺通りに描かれておらず；場合によっては、図面のある要素が、説明目的で、図面の他の要素に対して拡大される可能性がある。
この開示の一実施形態による、電気化学（ＥＣ）ガス発生器を示す。 この開示の一実施形態による、ＥＣガス発生器を示す。 この開示の一実施形態による、管状ＥＣガス発生器を示す。 この開示の一実施形態による、管状ＥＣガス発生器の断面を示す。 本開示の一実施形態による、多管式ＥＣガス発生器の断面を示す。 本開示の一実施形態による、多管式ＥＣガス発生器の断面を示す。 本開示の一実施形態による、多管式ＥＣガス発生器の断面を示す。 本開示の一実施形態による、ＥＣガス発生器の断面を示す。 本開示の一実施形態による、一点ＥＭＲ源を使用してＥＣガス発生器を製造する方法の一部を示す。 本開示の一実施形態による、リングランプＥＭＲ源を使用してＥＣガス発生器を製造する方法の一部を示す。 本開示の一実施形態による、一点ＥＭＲ源を使用してＥＣガス発生器を製造する方法の一部を示す。 本開示の一実施形態による、管状ＥＭＲ源を使用してＥＣガス発生器を製造する方法の一部を示す。 図５Ａ。本開示の一実施形態による、管状または多管式ＥＣガス発生器を形成するためのテープキャスティング法における第１の工程を示す。図５Ｂ。本開示の一実施形態による、管状または多管式ＥＣガス発生器を形成するためのテープキャスティング法における工程２－４を示す。 本開示の一実施形態による、外部熱源を有しない水素生成システム６００の一例を示す。 本開示の一実施形態による、外部熱源を有しない別の水素生成システムを示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池構成要素を示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池スタックにおける２つの燃料電池を概略的に示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の斜視図を示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の断面の斜視図を示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の断面図を示す。 本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の上面図および底面図を示す。 本開示の一実施形態による、ＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、ＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、ＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣの断面図を示す。 本開示の一実施形態による、流体分散構成要素１２０４を有する不透過性インターコネクト１２０２を示す。 本開示の一実施形態による、２つの流体分散構成要素１２０４を有する不透過性インターコネクト１２０２を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の、同様の形状であるがサイズが異なる分割型流体分散構成要素１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の同様の形状および同様のサイズの分割型流体分散構成要素１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の、同様の形状および同様のサイズであるがぎっしり詰まっている分割型流体分散構成要素１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の異なる形状および異なるサイズの分割型流体分散構成要素１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素セグメント１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクトおよび流体分散構成要素セグメントを示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクトおよび流体分散構成要素セグメントを示す。 本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素セグメント１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、流体分散構成要素１２０４を示す。 本開示の一実施形態による、溝付電極を製造するための型板１３００を示す。 本開示の一実施形態による、第１のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。 本開示の一実施形態による、第２のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。 本開示の一実施形態による、第１のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。 本開示の一実施形態による、第２のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。 本開示の一実施形態による、第１の層における流体分散構成要素のセグメントを概略的に示す。 本開示の一実施形態による、第２の層と一緒の第１の層における流体分散構成要素を概略的に示す。 本開示の一実施形態による、第２および第３の層と一緒の第１の層における流体分散構成要素を概略的に示す。 本開示の一実施形態による、第２の層と一緒の第１の層における流体分散構成要素を概略的に示す。 本開示の一実施形態による、二重多孔度を有する電極の実例である。 本開示の一実施形態による、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用する統合された堆積および加熱のためのシステムを示す。 走査電子顕微鏡像である。 ＥＣ反応器における半電池の一例を概略的に示す。
概要
本明細書で記載される方法、材料およびプロセスの実施形態は電気化学反応器に向けられる。電気化学反応器としては、固体酸化物燃料電池、固体酸化物燃料電池スタック、電気化学ガス発生器、電気化学コンプレッサ、固体電池、または固体酸化物フロー電池が挙げられる。
電気化学ガス発生器は、燃料電池、アンモニア生成、肥料生成、水素化反応、Ｂｏｓｃｈ反応または他の用途のための燃料または供給原料としての使用のための、合成ガス、水素または他のガスを生成するために使用できる。本明細書における開示は、装置を用いて水素を生成する方法を記載する。装置は、電気化学ガス発生器であってよく、かつ平面または管状形状であってよい。
定義
次の記載は、本明細書で開示される発明の様々な態様および実施形態を列挙する。いずれの特定の実施形態も発明の範囲を規定することを意図しない。むしろ、実施形態は、特許請求される発明の範囲内に含まれる様々な組成物および方法の非限定的な例を提供する。記載は、当業者の観点から読まれるべきである。よって、当業者によく知られている情報は必ずしも含まれない。
次の用語および句は、本明細書で別段の定めがない限り、下で示される意味を有する。この開示は本明細書で明確に規定されていない他の用語および句を採用し得る。そのような他の用語および句は、当業者へのこの開示との関連で有する意味を持つであろう。場合によっては、用語または句は単数形または複数形で規定され得る。そのような場合、それとは反対のことが明確に示されない限り、単数形のいずれの用語もその複数の対応物を含んでよく、逆の場合も同じであることが理解される。
本明細書では、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈で明確に別記されない限り、複数の指示対象を含む。例えば、「１つの置換基」への言及は、単一の置換基ならびに２つ以上の置換基を包含する、などである。本明細書では、「例えば」、「例として」、「などの」または「を含む」は、より一般的な対象物をさらに明確にする例を紹介することを意味する。別様に明確に示されない限り、そのような例は、本開示において示された実施形態を理解するための補助としてのみ提供され、いかなる様式でも制限することを意味しない。これらの句はまた、開示された実施形態へのどんな種類の優先性も示さない。
本明細書では、組成物および材料は、他に特に規定がなければ、同じ意味で使用される。各組成物／材料は複数の要素、相、および成分を有し得る。加熱は本明細書では、能動的に組成物または材料にエネルギーを付加することを指す。
この開示における「その場で」という用語は、処理（例えば、加熱）プロセスが、組成物または材料の形成プロセスの、同じ場所でまたは同じ装置内でのいずれかで実施されることを指す。例えば、堆積プロセスおよび加熱プロセスは同じ装置内で、かつ、同じ場所で、言い換えれば、装置を変えずに、かつ、装置内での場所を変えずに実施される。例えば、堆積プロセスおよび加熱プロセスは同じ装置内において、異なる場所で実施され、これもまた、その場で、と考えられる。
この開示では、物体の主面は、物体の平均表面積より大きな表面積を有する物体の面であり、物体の平均表面積は物体の面の数で割った物体の総表面積である。場合によっては、主面は、小さな面よりも大きな表面積を有する、アイテムまたは物体の面を指す。平面燃料電池または非ＳＩＳ型燃料電池の場合、主面は、横方向の面または表面である。
本明細書では、横は、非ＳＩＳ型燃料電池における、層の積み重ね方向に垂直な方向を指す。よって、横方向は、燃料電池における層の積み重ね方向、または、堆積中に物体を形成する薄片の積み重ね方向に垂直な方向を指す。横はまた、堆積プロセスの広がりである方向を指す。
この開示では、物質の液体前駆体は、水溶液中の塩などの、物質を含む溶解形態を指す。例えば、水溶液に溶解された銅塩は、銅の液体前駆体と考えられる。液体中に懸濁／分散された（溶解されていない）銅粒子は、銅の液体前駆体と考えられない。
本明細書では、ＣＧＯはガドリニウムドープセリア（あるいは、ガドリニアドープセリアとしても知られている）、ガドリニウムドープ酸化セリウム、酸化セリウム（ＩＶ）、ガドリニウムドープ、ＧＤＣ、またはＧＣＯ、（式Ｇｄ：ＣｅＯ２）を指す。ＣＧＯおよびＧＤＣは、他に特に規定がなければ同じ意味で使用される。
この開示における合成ガス（すなわち、合成用ガス）は、主に、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素から構成される混合物を指す。
この開示では、吸光度は、物質のある波長の電磁放射線（ＥＭＲ）を吸収する能力の尺度である。放射線の吸収は、放射線に曝露された時に物質により吸収されるエネルギーを指す。
本明細書では、セリアは、セリウム酸化物（ｃｅｒｉｃ ｏｘｉｄｅ）、セリウム二酸化物（ｃｅｒｉｃ ｄｉｏｘｉｄｅ）、または二酸化セリウムとしても知られている、酸化セリウムを指し、希土類金属セリウムの酸化物である。ドープセリアは、他の元素がドープされたセリア、例えばサマリアドープセリア（ＳＤＣ）、またはガドリニウムドープセリア（ＧＤＣまたはＣＧＯ）を指す。
本明細書では、クロマイトは、酸化クロムを指し、これは酸化クロムの全ての酸化状態を含む。
本明細書では、「水をほとんど～全く有さない」は、１ｇ／ｍ３以下または２００ｍｇ／ｍ３以下または５０ｍｇ／ｍ３以下の含水量を指す。
電気化学装置（例えば、燃料電池）におけるインターコネクトはしばしば、個々のセルまたは繰り返し単位間に配置される金属またはセラミックのいずれかである。その目的は、電気が分配される、または統合され得るように、各セルまたは繰り返し単位を接続することである。インターコネクトは、電気化学装置においてバイポーラプレートとも呼ばれる。本明細書では不透過性層であるインターコネクトは、それが、流体流に対し不透過性である層であることを示す。例えば、不透過性層は、１マイクロダルシー未満、または１ナノダルシー未満の透過性を有する。
この開示では、流体分散要素を有しないインターコネクトは、流体を分散させる要素（例えば、チャネル）を有しないインターコネクトを指す。流体は、ガスまたは液体またはガスと液体の混合物を含み得る。そのような流体は、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、酸素、周囲空気または軽質炭化水素（すなわち、ペンタン、ヘキサン、オクタン）の１つ以上を含み得る。そのようなインターコネクトは、材料または流体が通過するための入口および出口（すなわち、開口）を有し得る。
この開示では、「マイクロチャネル」という用語は、マイクロ流体チャネルまたはマイクロ流体流チャネルと同じ意味で使用される。
この開示では、焼結は、材料を液化の程度まで溶融させずに、熱または圧力、またはそれらの組み合わせにより材料の固体塊を形成するプロセスを指す。例えば、材料粒子は、加熱されることにより固体または多孔性塊へと合一され、ここで材料粒子中の原子は粒子の境界にわたって拡散し、粒子を融合させ、１つの固体片を形成させる。この開示および添付の特許請求の範囲では、Ｔｓｉｎｔｅｒは、この現象が起こり始める温度を指す。
本明細書では、「細孔形成剤」という用語は、比較的広い意味を有することが意図される。「細孔形成剤」は、形成中に組成物中に含まれ、加熱、燃焼または気化などのプロセスにより部分的にまたは完全に空間を空けることができる、任意の微粒子材料を指してよい。本明細書では、「導電性構成要素」という用語は、導電性である、燃料電池における構成要素、例えば、電極およびインターコネクトを指すことが意図される。
例示を目的として、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成は、様々な実施形態を記載するための本明細書におけるシステム例として使用される。当業者であれば認識するであろうが、本明細書で記載される方法および製造プロセスは、任意の電気化学装置、反応器、容器、触媒、などに適用可能である。電気化学装置または反応器の例としては、電気化学（ＥＣ）ガス発生器、電気化学（ＥＣ）コンプレッサ、固体酸化物燃料電池、固体酸化物燃料電池スタック、固体電池、または固体酸化物フロー電池が挙げられる。一実施形態では、電気化学反応器は、固体酸化物燃料電池、固体酸化物燃料電池スタック、電気化学ガス発生器、電気化学コンプレッサ、固体電池、または固体酸化物フロー電池を含む。触媒は、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）触媒または改質器触媒を含む。反応器／容器は、ＦＴ反応器または熱交換器を含む。
電気化学（ＥＣ）ガス発生器
図１Ａは、この開示の一実施形態による、電気化学（ＥＣ）ガス発生器１００を示す。ＥＣガス発生装置１００は、第１の電極１０１、電解質１０３、第２の電極１０２を含む。第１の電極１０１は、燃料を受け取り、酸素１０４を受け取らないように構成される。第２の電極１０２は、矢印１０５により示されるように、水を受け取るかまたは、何も受け取らないように構成される。装置１００は、第２の電極１０２から水素１０７を、かつ、第１の電極１０１から合成ガス１０６を同時に生成するように構成される。一実施形態では、１０４は、装置１００に入るメタンおよび水またはメタンおよび二酸化炭素を表す。他の実施形態では、１０３は、酸化物イオン伝導性膜を表す。一実施形態では、第１の電極１０１および第２の電極１０２は、Ｎｉ－ＹＳＺまたはＮｉＯ－ＹＳＺを含み得る。矢印１０４は、炭化水素および水または炭化水素および二酸化炭素の流入を表す。矢印１０５は、水または水および水素の流入を表す。いくつかの実施形態では、電極１０１は、ＣｕＯまたはＣｕ２Ｏまたはそれらの組み合わせをさらに任意で含むＣｕ－ＣＧＯを含む。電極１０２は、Ｎｉ－ＹＳＺまたはＮｉＯ－ＹＳＺを含む。矢印１０４は、水をほとんど～全く有さず、二酸化炭素を有さず、かつ酸素を有しない炭化水素の流入を表し、１０５は、水または水および水素の流入を表す。水は対向電極で炭化水素／燃料を酸化するのに必要とされる酸化物イオン（電解質を介して輸送される）を提供するので、水は、このシナリオでは酸化剤と考えられる。
図１Ｂは、この開示の一実施形態による、ＥＣガス発生器１１０を示す。ＥＣガス発生装置１１０は、第１の電極１１１、第２の電極１１２、および電極間の電解質１１３を含む。第１の電極１１１は、燃料を受け取り、酸素１０４を受け取らないように構成され、第２の電極１１２は、水を受け取るかまたは、何も受け取らないように構成される。いくつかの実施形態では、１１３は、プロトン伝導性膜を表し、１１１および１１２は、Ｎｉ－ジルコン酸バリウム電極を表す。水素１０７は、第２の電極１１２から生成され、合成ガス１０６は、第１の電極１１１から生成される。
この開示では、酸素なしは、第１の電極１０１、１１１に存在する酸素はない、または反応を妨害する十分な酸素は少なくともないことを意味する。また、この開示では、水のみは、意図された供給原料は水であり、水中の微量元素または固有成分を排除しないことを意味する。例えば、塩またはイオンを含有する水は、水のみの範囲内であると考えられる。水のみはまた、１００％純粋な水を必要としないが、この実施形態を含む。実施形態では、第２の電極１０２、１１２から生成される水素は、純粋水素であり、これは、第２の電極から生成されたガス相では、水素が主成分であることを意味する。場合によっては、水素含量は、９９．５％以上である。場合によっては、水素含量は、９９．９％以上である。場合によっては、第２の電極から生成される水素は、水の電気分解から生成されるものと同じ純度である。
一実施形態では、第１の電極１０１、１１１は、メタンおよび水またはメタンおよび二酸化炭素を受け取るように構成される。一実施形態では、燃料は、１－１２、１－１０または１－８の範囲の炭素数を有する炭化水素を含む。最も好ましくは、燃料は、メタンまたは天然ガスであり、それは主にメタンである。一実施形態では、装置は、電気を発生しない。一実施形態では、装置は、第１の電極生成物の少なくとも一部および第２の電極生成物の少なくとも一部を受け取るように構成されたミキサを含む。ミキサは、水素対酸化炭素比が２以上、または３以上または２と３の間であるガスストリームを発生させるように構成され得る。
一実施形態では、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、触媒および基材を含み、触媒と基材の間の質量比は、１／１００以上、または１／１０以上、または１／５以上、または１／３以上、または１／１以上である。一実施形態では、触媒は、酸化ニッケル、銀、コバルト、セシウム、ニッケル、鉄、マンガン、窒素、四窒素、モリブデン、銅、クロム、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、または白金、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、基材は、ガドリニウム、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、鋼、コーディエライト（２ＭｇＯ－２Ａｌ２Ｏ３－５ＳｉＯ２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、全ての相の酸化アルミニウム、イットリアもしくはスカンジア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアまたはサマリアドープセリア、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、促進剤を含み、促進剤は、Ｍｏ、Ｗ、Ｂａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｆｅ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される。一実施形態では、アノード（例えば、第１の電極または第２の電極）は、触媒を含み、触媒は、ニッケル、鉄、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、コバルト、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される。
いくつかの実施形態では、電極および電解質は、繰り返し単位を形成する。装置は、インターコネクトにより分離された２つ以上の繰り返し単位を含み得る。好ましい実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まない。一実施形態では、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、流体チャネルを含む。あるいは、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、流体分散構成要素を含む。
第１の電極１０１、１１１を形成すること、第２の電極１０２、１１２を形成すること、および、電極間の電解質１０３、１１３を形成することを含む組立て方法もまた、本明細書で記載され、電極および電解質は、それらが形成される時に組立てられる。形成することは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含み得る。電極および電解質は、繰り返し単位を形成し得る。方法は、２つ以上の繰り返し単位を形成すること、および、２つ以上の繰り返し単位間にインターコネクトを形成することをさらに含み得る。組立て方法は、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方において流体チャネルまたは流体分散構成要素を形成することをさらに含み得る。形成方法は、その場で加熱することを含み得る。好ましい実施形態では、加熱することは、ＥＭＲを含む。ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザーまたは電子ビームの１つ以上を含み得る。
第１の電極１０１、１１１は、燃料を受け取り、酸素を受け取らないように構成され、第２の電極１０２、１１２は、水のみを受け取るかまたは、何も受け取らないように構成され、装置は、第２の電極１０２、１１２から水素を、かつ、第１の電極１０１、１１１から合成ガスを同時に生成するように構成される。
本明細書では、第１の電極１０１、１１１、第２の電極１０２、１１２、および電極間の電解質１０３、１１３を含む装置を提供すること、酸素を有しない燃料を第１の電極１０１、１１１に導入すること、第２の電極１０２、１１２に水のみを導入するか、または、何も導入せずに水素を発生させること、第２の電極１０２、１１２から水素を抽出すること、および、第１の電極１０１、１１１から合成ガスを抽出することを含む方法がさらに記載される。好ましい実施形態では、燃料は、メタンおよび水またはメタンおよび二酸化炭素を含む。好ましい実施形態では、燃料は、１－１２または１－１０または１－８の範囲の炭素数を有する炭化水素を含む。
一実施形態では、方法は、抽出された合成ガスの少なくとも一部をフィッシャー・トロプシュ反応器に送ることを含む。一実施形態では、方法は、抽出された水素の少なくとも一部をフィッシャー・トロプシュ反応器に送ることを含む。一実施形態では、抽出された合成ガスの少なくとも一部および抽出された水素の少なくとも一部は、水素対酸化炭素比が２以上、または３以上、または２と３の間となるように調整される。
一実施形態では、燃料は、第１の電極１０１、１１１に直接導入され、または、水は、第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方に直接導入される。一実施形態では、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２、または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、触媒および基材を含み、触媒と基材の間の質量比は、１／１００以上、または１／１０以上、または１／５以上、または１／３以上、または１／１以上である。好ましい実施形態では、触媒は、酸化ニッケル、銀、コバルト、セシウム、ニッケル、鉄、マンガン、窒素、四窒素、モリブデン、銅、クロム、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、またはそれらの組み合わせを含む。好ましい実施形態では、基材は、ガドリニウム、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、鋼、コーディエライト（２ＭｇＯ－２Ａｌ２Ｏ３－５ＳｉＯ２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、全ての相の酸化アルミニウム、イットリアもしくはスカンジア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアまたはサマリアドープセリア、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、方法は、第１の電極１０１、１１１と第２の電極１０２、１１２の間に電位差を適用することを含む。一実施形態では、方法は、下記反応の１つ、またはそれらの組み合わせにおいて抽出された水素を使用することを含む：フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）反応、ドライ改質反応、ニッケルにより触媒されるサバチエ反応、ボッシュ反応、逆水性ガスシフト反応、電気を生成するための電気化学反応、アンモニアおよび／または肥料の生成、水素貯蔵、または水素車に燃料供給するための電気化学コンプレッサ、または水素化反応。
ガス発生器は、様々な実施形態では、燃料電池ではなく、電気を発生しない。電気は、場合によってはアノードおよびカソードでガス発生器に適用され得る。他の場合には、電気は、必要とされない。
本明細書では、第１の電極、第２の電極、および電極間の電解質を含む装置が開示され、第１の電極および第２の電極は、装置が使用されている時に白金族金属を含まない金属相を含み、電解質は、酸化物イオン伝導性である。一実施形態では、第１の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第１の電極は、燃料および水または燃料および二酸化炭素を受け取るように構成される。一実施形態では、上記燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第１の電極は、水をほとんど～全く有さない燃料を受け取るように構成される。一実施形態では、上記燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリアガドリニウム酸化物（ＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムガラートマグネサイト（ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｇａｌｌａｔｅ ｍａｇｎｅｓｉｔｅ）（ＬＳＧＭ）、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第２の電極は、水および水素を受け取るように構成され、かつ、水を水素に還元するように構成される。一実施形態では、電解質は、ドープセリアを含み、または、電解質は、ランタンクロマイトまたは導電性金属またはそれらの組み合わせならびにドープセリア、ＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、導電性金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、流体チャネルを含む。あるいは、第１の電極１０１、１１１または第２の電極１０２、１１２または第１の電極１０１、１１１および第２の電極１０２、１１２の両方は、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、電極および電解質１０３、１１３は、繰り返し単位を形成し、装置はインターコネクトにより分離された複数の繰り返し単位を含む。一実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まない。一実施形態では、電極１０１、１０２、１１１、１１２および電解質１０３、１１３は、平面であってよい。電極内の流体分散構成要素または流体チャネルは、流体、例えば、反応性ガス（例えばメタン、水素、一酸化炭素、空気、酸素、蒸気など）を電気化学反応器において分配するように機能する。従って、チャネルを有する従来のインターコネクトは、もはや必要とされない。チャネルを有するそのような従来のインターコネクトの設計および製造は、複雑で費用がかかる。この開示によれば、インターコネクトは、電子を伝導しまたは収集し、流体分散要素を有しない、単なる不透過性層である。
一実施形態では、装置は、インターコネクトを含まない。一実施形態では、電解質１０３、１１３は、酸化物イオンおよび電子を伝導する。一実施形態では、電極１０１、１０２、１１１、１１２および電解質１０３、１１３は、管状である。いくつかの実施形態では、アノードおよびカソードでの電気化学反応は自然に起こり、電位／電気を反応器に適用する必要はない。そのような場合、インターコネクトは、もはや必要とされず、これは装置を著しく簡略化する。そのような場合、装置内の電解質は、酸化物イオンおよび電子の両方を伝導する。
一実施形態では、装置は、第１の電極１０１、１１１の上流に改質器を含み、第１の電極１０１、１１１はＮｉまたはＮｉＯまたはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、改質器は、水蒸気改質器または自己熱改質器である。一実施形態では、装置は、５００℃以上、または６００℃以上、または７００℃以上の温度で動作するように構成される。
一実施形態では、電極および電解質は、管状であり、第１の電極は最も外側にあり、第２の電極は最も内側にあり、第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、電極および電解質は、管状であり、第１の電極は最も外側にあり、第２の電極は最も内側にあり、第２の電極は、水および水素を受け取るように構成される。
本明細書では、第１の電極、第２の電極、および電極間の電解質を含む装置もまた開示され、第１の電極は、ドープランタンクロムオキシドおよびドープまたはアンドープセリアを含み、第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、セリア、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み、電解質は、酸化物イオン伝導性である。一実施形態では、電解質は、ＹＳＺ、ＣＧＯ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、セリア、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、装置は、平面である。一実施形態では、装置は、管状である。
本明細書では、第１の電極を形成すること、第２の電極を形成すること、および、電極間に電解質を形成することを含む、装置を製造する方法がさらに記載され、第１の電極は、ドープランタンクロムオキシドおよびドープまたはアンドープセリアを含み、第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、セリア、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み、電解質は、酸化物イオン伝導性である。一実施形態では、電解質は、ＹＳＺ、ＣＧＯ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、セリア、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、上記形成することは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、または超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、形成することは、押出、浸漬コーティング、噴霧、スピンコーティング、はけ塗り、ペイスティング、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、形成することは、電磁放射線源または炉を使用する加熱を含む。
本明細書では、第１の電極を形成すること、第２の電極を形成すること、および電極間に電解質を形成することを含む、装置を製造する方法が記載され、第１の電極および第２の電極は、装置が使用されている時に白金族金属を含まない金属相を含み、電解質は、酸化物イオン伝導性である。一実施形態では、電極および電解質は、それらが形成される時に組立てられる。一実施形態では、上記電極および電解質は、繰り返し単位を形成し、上記方法は、上記複数の繰り返し単位を形成すること、および、繰り返し単位間にインターコネクトを形成することを含む。一実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まない。一実施形態では、方法は、第１の電極または第２の電極または第１の電極および第２の電極の両方において流体チャネルまたは流体分散構成要素を形成することを含む。
一実施形態では、第１の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、セリア、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、電解質は、ＹＳＺ、ＣＧＯ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、セリア、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、形成することは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、エアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、方法は、その場で加熱することを含む。一実施形態では、加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、キセノンランプにより提供される。一実施形態では、電極および電解質は、平面である。一実施形態では、装置は、インターコネクトを含まない。一実施形態では、電解質は、酸化物イオンおよび電子を伝導する。
一実施形態では、形成することは、ａ）組成物を基材上に堆積させて、薄片を形成させること；ｂ）非接触乾燥機を使用して薄片を乾燥させること；ｃ）電磁放射線（ＥＭＲ）または伝導または両方を使用して薄片を加熱すること、を含む。一実施形態では、方法は、工程ａ）－ｃ）を繰り返して、装置を一片ずつ生成させることを含む。一実施形態では、方法は、ｄ）ＥＭＲの最終曝露後時間ｔ以内に、薄片に接触せずに薄片温度Ｔを測定することを含み、ｔは、５秒以下、または４秒以下、または３秒以下、２秒以下、または１秒以下である。一実施形態では、方法は、ｅ）ＴをＴｓｉｎｔｅｒと比較することを含み、Ｔｓｉｎｔｅｒは、組成物が非金属である場合、組成物の融点の４５％以上であり；または、Ｔｓｉｎｔｅｒは、組成物が金属である場合、組成物の融点の６０％以上である。一実施形態では、方法は、ｅ）ＴをＴｓｉｎｔｅｒと比較すること、を含み、Ｔｓｉｎｔｅｒは、測定温度を薄片の微細構造画像と相関させること、薄片の引っかき試験、薄片の電気化学性能試験、薄片の膨張率測定、薄片の導電率測定、またはそれらの組み合わせにより前に決定されている。一実施形態では、方法は、ＴがＴｓｉｎｔｅｒの９０％未満である場合、薄片を第２の段階でＥＭＲまたは伝導または両方を使用して加熱することを含む。
一実施形態では、乾燥させることは、５分以下、または３分以下、または１分以下、または１秒～３０秒、または３秒～１０秒の範囲の期間の間起こる。一実施形態では、非接触乾燥機は、赤外線ヒーター、熱風送風機、紫外線光源、またはそれらの組み合わせを含む。
一例として、ＥＣガス発生器の層は全て、印刷により形成され、組立てられる。アノード、カソード、電解質、およびインターコネクトを、それぞれ、製造するための材料は、溶媒および粒子（例えば、ナノ粒子）を含むインク形態にされる。インクは任意で、分散剤、バインダ、可塑剤、界面活性剤、共溶媒、またはそれらの組み合わせを含む。ガス発生器のアノードおよびカソードについては、ＮｉＯおよびＹＳＺ粒子が、溶媒と混合され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。電解質については、ＹＳＺ粒子が、溶媒と混合され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。インターコネクトについては、金属粒子（例えば、銀ナノ粒子）が、溶媒に分散または懸濁され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）、有機溶媒（例えば、モノ、ジ、またはトリエチレングリコールまたはより高級なエチレングリコール、プロピレングリコール、１，４－ブタンジオールまたはそのようなグリコールのエーテル、チオジグリコール、グリセロールならびにそれらのエーテルおよびエステル、ポリグリセロール、モノ、ジ、およびトリエタノールアミン、プロパノールアミン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン、１，３－ジメチルイミダゾリドン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ－プロパノール、ジアセトンアルコール、アセトン、メチルエチルケトン、炭酸プロピレン）、およびそれらの組み合わせを含み得る。バリア層については、ＣＧＯ粒子が、溶媒に溶解、分散または懸濁されてよく、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。ＣＧＯは、ＬＳＣＦのためのバリア層として使用される。ＹＳＺもまた、ＬＳＭのためのバリア層として使用され得る。
管状および多管式ＥＣガス発生器
図２Ａは、この開示の一実施形態による管状ＥＣガス発生器２００を示す（縮尺通りではない）。管状ＥＣガス発生器２００は、内側管状構造２０２、外側管状構造２０４、および内側と外側管状構造、それぞれ２０２、２０４の間に配置された電解質２０６を含む。いくつかの実施形態では、電解質２０６は代わりに、膜を含み得る。管状ガス発生器２００は、流路のための空隙２０８をさらに含む。
図２Ｂは、この開示の一実施形態による管状ＥＣガス発生器２００の断面を示す（縮尺通りではない）。管状ＥＣガス発生器２００は、第１の内側管状構造２０２、第２の外側管状構造２０４、および内側管状構造と外側管状構造２０２、２０４の間の電解質２０６を含む。いくつかの実施形態では、電解質２０６は、膜といわれ得る。管状ガス発生器２００は、流路のための空隙２０８をさらに含む。
一実施形態では、内側管状構造２０２は、電極を含む。内側管状構造２０２は、アノードまたはカソードであってよい。一実施形態では、内側管状構造２０２は、多孔性であってよい。内側管状構造２０２は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み得る。内側管状構造２０２は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み得る。一実施形態では、外側管状構造２０４は、電極を含む。外側管状構造２０４は、アノードまたはカソードであってよい。外側管状構造２０４は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み得る。外側管状構造２０４は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み得る。上記材料の一覧は制限するものではないことに注意すべきである。
実施形態では、電解質２０６は、ドープセリアを含み、または、電解質は、ランタンクロマイトまたは導電性金属またはそれらの組み合わせならびにドープセリア、ＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、導電性金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはそれらの組み合わせを含む。電解質２０６は、酸化物イオン伝導性である。場合によっては、電解質２０６は、酸化物イオンおよび電子伝導性の両方である。いくつかの実施形態では、発生器２００は、１つ以上のインターコネクトをさらに含む。
図３Ａは、本開示の一実施形態による、多管式ＥＣガス発生器３００の断面を示す。ＥＣガス発生器３００は、内側電極３０２、外側電極３０４、および電極３０２、３０４間の電解質３０６を含む。いくつかの実施形態では、電解質３０６は、膜といわれる。内側電極３０２は、半径方向で一緒にされた複数の管様空隙３０８を含む。空隙３０８は、流路を可能にする。空隙３０８は、流路とも呼ばれる。多管式構造３００は、管状構造３００の軸方向に複数の流路３０８を含む。空隙３０８の断面は、円形様、楕円様または他の同様の形状であってよい。空間３０８の断面は、図３Ａに示されるように不規則形状であってよい。発生器３００は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管の軸方向に直角である。多管式構造３００は、複数の個々の管状構造３０９（点線により示される）から構成される。
発生器３００内の内側電極３０２は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。一実施形態では、発生器３００は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。一実施形態では、電解質３０６は、酸化物イオン伝導性であり、かつ固体状態である。一実施形態では、電解質は、管状反応器２００における電解質２０６について本明細書で前に列挙された材料を含む。実施形態では、電極３０２、３０４は、管状反応器２００における管状構造２０２、２０４について本明細書で前に列挙された１つ以上の材料を含み得る。いくつかの実施形態では、発生器３００は、１つ以上のインターコネクトをさらに含む。
図３Ｂは、本開示の一実施形態による多管式ＥＣガス発生器３２０の断面を示す。ガス発生器は、長方形様形状断面を有する。ＥＣガス発生器３２０は、内側電極３０２、外側電極３０４、および電極３０２、３０４間の電解質３０６を含む。いくつかの実施形態では、膜が、電解質３０６の代わりに使用され得る。内側電極３０２は、管様空隙３０８の半径方向で一緒にされた複数の空隙３０８を含む。空隙３０８は、流路を可能にする。複数の管状構造３２０は、管状構造３２０の軸方向の複数の流路３０８を含む。空隙３０８の断面は、ランダムに、または規則的に、円形様、楕円様、正方形様、六角形様、三角形様または他の同様の形状であり得る。発生器３２０は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管の軸方向に直角である。
発生器３２０内の内側電極３０２は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。発生器３２０は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。一実施形態では、電解質３０６は、酸化物イオン伝導性である。実施形態では、電解質は、管状反応器２００における電解質２０６について本明細書で前に列挙された１つ以上の材料を含み得る。実施形態では、電極３０２、３０４は、管状反応器２００における管状構造２０２、２０４について本明細書で前に列挙された１つ以上の材料を含み得る。いくつかの実施形態では、発生器３２０は、１つ以上のインターコネクトをさらに含む。
図３Ｃは、本開示の一実施形態による多管式ＥＣガス発生器３４０の断面を示す。ガス発生器３４０は、長方形様形状断面を有する。ＥＣガス発生器３４０は、内側電極３０２、外側電極３０４、および電極３０２、３０４間の電解質３０６を含む。いくつかの実施形態では、電解質３０６は、膜といわれる。内側電極３０２は、管の軸方向で一緒にされた複数の空隙３０８を含む。空隙３０８は、流路を可能にする。複数の管状構造３４０は、管状構造３４０の軸方向の複数の流路３０８を含む。空隙３０８の断面は、図３Ｃに示されるように正方形様または長方形様であってよく、または規則的に、他の同様の形状であってよく、各空隙の断面積は実質的に同一である。発生器３４０は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管の軸方向に直角である。
発生器３４０内の内側電極３０２は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。発生器３４０は、一体構造のものであってよく、ろう付けまたははんだ付けされた部分を有しない。一実施形態では、電解質３０６は、酸化物イオン伝導性である。実施形態では、電解質は、管状反応器２００における電解質２０６について本明細書で前に列挙された１つ以上の材料を含み得る。実施形態では、電極３０２、３０４は、管状反応器２００における管状構造２０２、２０４について本明細書で前に列挙された１つ以上の材料を含み得る。いくつかの実施形態では、発生器３４０は、１つ以上のインターコネクトをさらに含む。
図３Ｄは、本開示の一実施形態によるＥＣガス発生器３６０の断面を示す。ガス発生器３６０は、長方形様形状断面を有する。ＥＣガス発生器３６０は、流路３８０が図３Ｄに示されるようにたった１つであることを除き、図３Ｃにおけるガス発生器３４０と同様である。
管状および多管式ＥＣガス発生器の製造
本明細書では、装置２００、３００、３２０、３４０、および３６０（それらは、いくつかの管状設計の例にすぎない）により示される管状ＥＣガス発生器を製造する方法がさらに記載される。少なくとも３つの方法が、どのように第１の管を製造するかに関して本明細書で記載される：押出方法、基材方法、および図５Ａ－５Ｂに示されるプロセス。
一実施形態では、管状ＥＣガス発生器を製造する方法は、第１の管状構造を押出により形成することを含む。いくつかの実施形態では、第１の管状構造は、内側電極２０２である。方法は、第１の管状構造２０２の外側円筒面上に層を堆積させることであって、層は電解質２０６を含む、堆積させること、および、電解質２０６上に第２の管状構造２０４を堆積させることであって、電解質２０６は酸化物イオン伝導性である、堆積させることをさらに含む。一実施形態では、第１の管状構造２０２および第２の管状構造２０４は、装置が使用されている時に白金族金属を含まない金属相を含む。一実施形態では、装置は、インターコネクトを含まず、電解質は電子伝導性である。
別の製造方法実施形態では、方法は、内側管状構造２０２を押出すこと；内側管状構造２０２を炉内で、または、ＥＭＲを用いて焼結させて、第１の電極を形成すること；内側管状構造２０２の外面を電解質材料でコートすること；電解質材料を炉内またはＥＭＲで焼結させて、電解質２０６を形成すること；電解質２０６を電極材料でコートすること；電極材料を炉内で、または、外側管状構造２０４を形成するために電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して焼結させることであって、外側管状構造２０４は第２の電極である、焼結させること、を含む。一実施形態では、外側管状構造２０４は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み；および、ＥＭＲを用いて焼結される。一実施形態では、方法は、外側管状構造２０４を還元させること、または内側管状構造２０２または両方の管状構造２０２、２０４を還元させることをさらに含む。これらの方法は、「インサイドアウト」方法を記載し、第１の押出層が内側電極層である。
次の方法は、「アウトサイドイン」方法を記載し、形成される第１の層は、外側管状構造２０４または外側電極層である。方法は、外側管状構造２０４を押出すこと；外側管状構造２０４を炉内またはＥＭＲを用いて焼結させて、第１の電極を形成すること；外側管状構造２０４の内面を電解質材料でコートすること；電解質材料を炉内またはＥＭＲで焼結させて、電解質２０６を形成すること；電解質２０６の内面を電極材料でコートすること；内側管状構造２０２を形成するために電極材料を炉内で、または、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して焼結させることであって、内側管状構造２０２は第２の電極である、焼結させること、を含む。一実施形態では、内側管状構造２０２は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み；および、ＥＭＲを用いて焼結される。一実施形態では、方法は、外側管状構造２０４を還元させること、または内側管状構造２０２または両方の管状構造２０２、２０４を還元させることをさらに含む。
一実施形態では、「インサイドアウト」および「アウトサイドイン」方法において使用するためのコーティング工程は、浸漬コーティング、噴霧、超音波噴霧、スピンコーティング、はけ塗り、ペイスティング、またはそれらの組み合わせを含む。電磁放射線は、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、電磁放射線は、キセノンランプにより提供される。いくつかの実施形態では、装置は、１つ以上のインターコネクトを含み得る。一実施形態では、内側管状構造２０２および外側管状構造２０４は、１つ以上の流体チャネルまたは１つ以上の流体分散構成要素または流体チャネルおよび流体分散構成要素の両方を含む。
別の実施形態では、内側管状構造２０２または外側管状構造２０４は、とりわけ内側管状構造２０２または外側管状構造２０４がドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む場合、微粒子から形成されてよく、液体前駆体から形成されない。微粒子は、堆積またはコートされる前に、例えば浸漬コーティング、噴霧、スピンコーティング、はけ塗り、ペイスティング、またはそれらの組み合わせ前に、液体中に懸濁される。そのような場合、内側管状構造２０２または外側管状構造２０４は、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して焼結される。
他の実施形態では、第１の管様基材が、提供される。管状基材は実質的に、ＥＣガス発生器の所望の形状である。第１の実施形態では、第１の電極材料が、管状基材の外側に堆積される。第１の電極材料は、焼結されて内側電極２０２を形成する。電解質材料が次いで、内側電極層２０２表面上に堆積される。電解質材料が、焼結されて電解質２０６を形成する。第２の電極材料が次いで、電解質２０６上に堆積される。第２の電極材料は次いで、焼結されて外側電極２０４を形成する。この方法は、「インサイドアウト基材方法」として記載され得、基材上に形成された第１の層は、内側電極層２０２であり、電解質層２０６、次いで外側電極層２０４が続く。第１および第２の電極は、アノードまたはカソードであってよい。焼結は、熱またはＥＭＲ焼結を含み得る。
他の同様の方法では、管様基材が、提供される。第１の電極材料が、管状基材の内側に堆積される。第１の電極材料は、焼結されて外側電極２０４を形成する。電解質材料が次いで、外側電極層２０４表面上に堆積される。電解質材料は、焼結されて電解質２０６を形成する。第２の電極材料が次いで、電解質２０６上に堆積される。第２の電極材料は次いで、焼結されて内側電極２０２を形成する。この方法は、「アウトサイドイン基材方法」として記載され得、基材上に形成された第１の層は、内側電極層２０２であり、電解質２０６層、次いで外側電極層２０４が続く。第１および第２の電極は、アノードまたはカソードであってよい。焼結は、熱またはＥＭＲ焼結を含み得る。
いくつかの実施形態では、基材は次いで、最終電極が形成されるとすぐに除去され得る。基材は、物理的手段により除去され得る。基材は、溶媒により溶解され除去され得る。いくつかの方法では、基材は、ポリマなどの低融点材料から構成され得、基材は、熱焼結工程のいずれか１つ中に溶融またはガス化され除去され得る。例えば、基材は、熱焼結工程の１つの間に基材が燃え尽きるように、可燃性材料を含み得る。
一実施形態では、第１の管状部（内側または外側）および電解質は、オーブン内で別々に焼結される。一実施形態では、第１の管状部（内側または外側）および電解質は、オーブン内で共焼結され、これは、第１の管状部が電解質材料でコートされその後焼結されることを意味する。第２の管状部（外側または内側）が、電解質上に堆積され、次いでＥＭＲを使用して焼結され、第２の管状部は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。図４Ａ－４Ｄは、ＥＭＲ源を用いて管状部を焼結させるための様々な配列を示す。ＥＭＲ源および管状部は、互いに対し、例えば、軸方向に、またはらせん軌道で移動でき、それをＥＭＲ源に十分曝露することにより、管状部（内側または外側）の表面全体が焼結されることを確実にする。一実施形態では、ＥＭＲ源は、円形キセノンランプ、長い管状キセノンランプ、または点管状キセノンランプなどの、キセノンランプである。
図４Ａ－４Ｄは、ＥＭＲを使用して管状ＥＣガス発生器を製造するための焼結方法およびシステムを示す。図４Ａは、本開示の一実施形態による、一点ＥＭＲ源を使用するＥＣガス発生器の製造方法４００の一部を示す。ＥＭＲ源（例えば、キセノンランプ）４０２および管状構造４０４は、互いに対し移動できる。図４Ａに示されるように、一点ＥＭＲ４０２は、管状構造４０４の周りで、矢印４０６により示されるようにいずれかの方向に回転できる（例えば、らせん様軌道で）。あるいは、管状構造４０４は、一点ＥＭＲ４０２の周りで回転できる。別の実施形態では、管状構造４０４は、それ自体の軸４０８の周りで回転でき、または、それ自体の長軸に沿って上下方向４１０にまたはそれらの組み合わせで移動できる。一点ＥＭＲ源４０２もまた、上下方向４１２に移動できる。
図４Ｂは、本開示の一実施形態による、リングランプＥＭＲ源を使用するＥＣガス発生器の製造方法４２０の一部を示す。図４Ｂに示されるように、円形リング様ランプ（例えば、キセノンランプ）４２２が、中央に中空円を有するＥＭＲ源として示される。管状構造４０４は、円形リングランプ４２２の中央に置かれる。いくつかの実施形態では、管状構造４０４は、上下に移動してもよく４１０、またはその軸周りで回転してもよく４０８、その間リングランプ４２２は、定位置で保持される。他の実施形態では、管状構造４０４は、定位置で保持されてよく、その間リングランプ４２２は、管状構造４０４の長さに沿って移動してよい。リングランプ４２２は、完全で完璧な焼結を確実にするために、上下に４２４、または、その軸上で回転する（４２６）ように移動してよい。他の実施形態では、管状構造４０２およびリングランプ４２２の両方が、管状構造全体４０４が確実に、徹底的に、かつ、完全に焼結されることを確実にするために、どちらも、互いに対し移動できる。図４Ａ－４Ｂは、管状構造４０４の外面がＥＭＲにより焼結される実施形態を示す。これらの方法は、管状ＥＣガス発生器のアノード、カソード、電解質および他の構成要素を焼結させるために使用され得る。
図４Ｃ－４Ｄは、管状構造４０４の内面がＥＭＲにより焼結される実施形態を示す。図４Ｃは、本開示の一実施形態による、一点ＥＭＲ源を使用するＥＣガス発生器の製造方法４４０の一部を示す。図４Ｃは、管状構造４０４の内側に置かれた一点ＥＭＲ源（例えば、キセノンランプ）４０２を示す。第１の実施形態では、管状構造４０４は、定位置で保持されてよく、その間一点ＥＭＲ源は、上下４１２に移動され得る。好ましい実施形態では、一点ＥＭＲ源４０２は、全ての方向で実質的に等しく照射できる。別の実施形態では、一点ＥＭＲ源は、定位置で保持されてよく、その間管状構造４０４は上下方向４１０に移動され、または、その軸の周りで回転され得る４０８。別の実施形態では、管状構造４０４および一点ＥＭＲ源４０２はどちらも、管状構造４０４の内面全体が完全にかつ実質的に焼結されるように、互いに対し移動する。
図４Ｄは、本開示の一実施形態による、管状ＥＭＲ源を使用するＥＣガス発生器の製造方法４６０の一部を示す。図４Ｄは、焼結される管状構造４０４の内側に置かれたＥＭＲ源（例えば、管状キセノンランプ）４６２としての円筒形ランプを示す。この場合におけるランプの長さは、管状ランプ４６２および管状構造４０４が互いに対し移動する必要なしに、管状構造４０４の内面全体が焼結され得るようなものである。１つの実施形態では、管状ランプ４６２は、定位置で保持されてよく、その間管状構造４０４は、ランプ４６２上方で移動され得る。管状構造４０４は、上下４６４に移動され得る。例えば、焼結されていない管状構造４０４は、管状ランプ４６２上方を特定の位置へと移動され、十分な照射が実施され管状構造４０４が実質的に焼結されるまで、この位置でとどまり、次いで、次の製造工程のために管状ランプ４６２から、矢印４６４により示されるように上下方向に移動される。別の実施形態では、焼結されていない管状構造４０４は、定位置で保持されてよく、その間管状ランプＥＭＲ源４６２は、管状構造４０４中に移動される。管状ランプ４６２は、矢印４６４により示されるように上下に移動され得る。管状構造４０４は、本明細書で記載される方法などの、任意の好適な方法を使用して形成され得る。図４Ｃ－４Ｄの実施形態については、コーティングおよび焼結は、管状構造４０４の内面で起こる。
多くの変形が、図４Ａ－４Ｄに示される焼結について可能である。例えば、外側管状構造２０４が、形成され炉内で熱焼結されて、アノードまたはカソードを形成する。電解質材料は次いで、外側管状構造２０４の内面にコートされてよく、次いで、炉内で、または管状構造の内側で一点ＥＭＲ４０２もしくは管状ランプＥＭＲ４６２を使用して焼結されて、電解質２０６を形成する。別の電極材料が次いで、電解質２０６の内面にコートされ、次いで、炉内で、またはＥＭＲ源４０２、４６２を使用して焼結されて、内側管状構造２０２、例えば、アノードまたはカソードを形成し得る。例えば、銅、金、または銀含有アノードでは、内側電極は、ＥＭＲ源を使用して焼結される。例えば、ＮｉまたはＮｉＯ含有アノードでは、内側電極は、炉内で、またはＥＭＲ源により焼結される。
いくつかの実施形態では、管状電極２０２、２０４または電解質２０６の内側のＥＭＲ源および管状電極２０２、２０４または電解質２０６の外側のＥＭＲ源の組み合わせが、焼結するために同時に使用され得る。例えば、管状ＥＭＲ源４６２およびリング様ＥＭＲ源４２２が、順次に、または同時に焼結するために同じ焼結装置において使用され得る。
図５Ａ－５Ｂは、ＥＣガス発生器における第１の管状部または多管部を形成するための別の方法を示す。図５Ａは、本開示の一実施形態による、管状または多管式ＥＣガス発生器を形成するためのテープキャスティング法５００における第１の工程を示す。第１の工程では、サポート５０４が、基材５０２上に配置され、サポート５０４の高さは、底部側で管状電極５０６の望ましい厚さが確保されるように事前構成される。基材５０２およびサポート５０４は、金属、ガラス、プラスチック、木材、または当技術分野で知られている任意の好適な材料で作製され得る。分散物またはスラリー形態の電極材料５０６が、基材５０２上でサポート５０４間に堆積される。スラリーという用語が説明において使用されるが、分散物もまた、同じ意味で使用され得る。１つ以上のスペーサ５０８が次いで、スラリー５０６の上面に配置され、サポート５０４上に置かれる。図５０１は、上から見下ろした図または上面図であり、基材５０２、サポート５０４、電極材料５０６およびスペーサ５０８がどのように配列され得るかの一例をさらに説明し、示す。
図５Ｂは、本開示の一実施形態による、ＥＣガス発生器における第１の管状部または第１の多管式部を形成するためのテープキャスティング法５００における工程２－４を示す。工程２では、追加のスラリー５１０が、スペーサ（複数可）５０８および前に堆積されたスラリー５０６を被覆するように堆積される。ドクターブレードなどのブレードが、使用されて、追加のスラリー５１０の上面全体をこすり落とし、上面の管状電極の好適な厚さを確保する。好ましい実施形態では、スラリーは主に、有機溶媒を含有する。
図５Ｂで示される工程３は、基材５０２、サポート５０４、スペーサ（複数可）５０８、第１のスラリー５０６および第２のスラリー５１０を脱イオン水に浸漬させることを含み、これにより、スラリーの転相が起こる。転相は、極性のより低い有機溶媒を含むスラリーが極性のより高い脱イオン水に置かれた時の沈殿の一つの形態である。スラリーの構成要素が、結果として沈殿する。なぜなら構成要素は水と適合しないからである。
基材５０２およびサポート５０４が次いで、転相後にまとめてスラリー５０６、５１０から除去される。スラリー５０６、５１０は、乾燥させられて（例えば、周囲空気中で）、過剰の脱イオン水を除去する。次いで、スペーサ５０８が除去され、例えば、どちらかの端から引き抜かれる。電極材料５０６、５１０は焼結されて、流路５１４を有する第１の管状電極５１２を形成する。スペーサ５０８は、所望の任意の規則または不規則形状を有してよく、例えば円形、楕円様、正方形様、菱形様、台形、長方形、三角形、五角形、六角形、八角形または他の様々な断面形状またはそれらの組み合わせである。スペーサ５０８が長方形断面を有する場合、複数の一緒にされた管状流路５１４は、図３Ｃに示される内側電極５１２における流路５１４のように長方形断面を有する。図３Ｃ－３Ｄにおいても見られるように、内側電極３０２は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管の軸方向に直角である。同様に、反応器は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管の軸方向に直角である。
一実施形態では、図５Ｂの工程４で示される方法は、第１の管状電極５１２の外面を電解質材料でコートすることをさらに含む。電解質材料は次いで、炉内で、または、電磁放射線を使用することにより焼結されて、電解質５１６を形成する。工程４は、電解質５１６を第２の電極材料でコートすることをさらに含む。第２の電極材料は、炉内でまたは電磁放射線を使用して焼結されて、第２の外側管状電極５１８を形成する。一実施形態では、第２の電極材料は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み；それはＥＭＲを用いて焼結されて、第２の外側管状電極５１８を形成する。一実施形態では、方法は、第２の外側管状電極５１８を還元させることまたは第１の内側管状電極５１２を還元させることまたは両方を含む。
一実施形態では、コーティング工程は、浸漬コーティング、噴霧、超音波噴霧、スピンコーティング、はけ塗り、ペイスティング、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、電磁放射線は、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、電磁放射線は、キセノンランプにより提供される。一実施形態では、第１の管状電極５１２は、ある長さおよびある幅を有する断面を有し、長さは幅の少なくとも２倍であり、断面は管状流路５１４の軸方向に直角である。一実施形態では、ＥＣガス発生器は、インターコネクトを含まない。
ＥＣガス発生器の動作
第１の電極、第２の電極、および電極間の電解質を含む装置を提供すること、第１のストリームを第１の電極に導入すること、第２のストリームを第２の電極に導入すること、水素を第２の電極から抽出することを含む方法が、本明細書で開示され、第１の電極および第２の電極は、装置が使用されている時に白金族金属を含まない金属相を含む。一実施形態では、電解質は、酸化物イオン伝導性である。一実施形態では、装置は、５００℃以上、または６００℃以上、または７００℃以上の温度で動作される。一実施形態では、第１のストリームは、燃料および水または燃料および二酸化炭素を含む。一実施形態では、上記燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第１のストリームは、第１の電極に直接導入される、または、第２のストリームは、第２の電極に直接導入される、または両方である。
一実施形態では、第１のストリームは、水をほとんど～全く有さない燃料を含む。一実施形態では、燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第２のストリームは、水および水素から構成される。
一実施形態では、方法は、第１の電極の上流に改質器を提供することを含み、第１のストリームは、改質器を通過し、その後第１の電極に導入され、第１の電極は、ＮｉまたはＮｉＯを含む。一実施形態では、改質器は、水蒸気改質器または自己熱改質器である。
一実施形態では、方法は、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）反応、ドライ改質反応、ニッケルにより触媒されるサバチエ反応、ボッシュ反応、逆水性ガスシフト反応、電気を生成するための電気化学反応、アンモニアの生成、肥料の生成、水素貯蔵、水素車に燃料供給するための電気化学コンプレッサまたは水素化反応またはそれらの組み合わせの１つにおいて抽出された水素を使用することを含む。
本明細書では、ＥＣガス発生装置を提供すること、燃料を含む第１のストリームを装置に導入すること、水を含む第２のストリームを装置に導入すること、第２のストリーム中の水を水素に還元すること、および水素を装置から抽出することを含む、水素を生成する方法が開示され、第１のストリームおよび第２のストリームは、装置内で互いに接触しない。一実施形態では、第１のストリームは、水素と接触しない。一実施形態では、第１のストリームおよび第２のストリームは、装置内の膜により分離される。一実施形態では、燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第２のストリームは、水素を含む。一実施形態では、第１のストリームは、燃料および水または燃料および二酸化炭素を含む。一実施形態では、第１のストリームは、水をほとんど～全く有しない燃料を含む。
水素生成システム
本明細書では、燃料源；水源；水素発生器を含む水素生成システムがさらに記載され；燃料源および水源は、発生器と流体連結され、燃料および水は、発生器内で互いに接触しない。システムは、外部熱源を含まなくてよい。一実施形態では、燃料および水は、システム内で互いに接触しない。一実施形態では、発生器は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間の電解質を含み；燃料源は、第１の電極と流体連結され、水源は、第２の電極と流体連結される。一実施形態では、燃料源は、水素発生器のための熱を提供し、水素発生器は、追加の熱源を有しない。
一実施形態では、電解質はＹＳＺ、ＣＧＯ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、ＳＤＣ、セリア、ランタンクロマイト、またはそれらの組み合わせを含み、または電解質は、ドープまたはアンドープセリアならびに任意でＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含む。電解質は、本明細書における「管状および多管式ＥＣガス発生器」セクションにおいて電解質２０６について列挙される任意の材料をさらに含み得る。一実施形態では、電解質は、ドープセリアを含み、または電解質は、ランタンクロマイトまたは導電性金属またはそれらの組み合わせならびにドープセリア、ＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、導電性金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、第１の電極および第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。一実施形態では、第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含み；第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む。第１の電極および第２の電極は、本明細書における「管状および多管式ＥＣガス発生器」セクションにおいて内側管状構造２０２または外側管状構造２０４について列挙される、任意の材料を含み得る。
一実施形態では、システムは、酸化剤源およびボイラーを含み、ボイラーは、酸化剤源、水源、および発生器と流体連結される。一実施形態では、ボイラーは、発生器、発生器中への燃料入力、酸化剤、水、またはそれらの組み合わせと熱連結（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）される。一実施形態では、ボイラーは、発生器の第１の電極からの排気を受け取り、かつ蒸気を発生器の第２の電極中に送り込むように、構成される。一実施形態では、燃料は、発生器において部分酸化され、ボイラー中でさらに酸化される。一実施形態では、システムは、ボイラーと発生器の間の蒸気タービンを含み、ボイラーおよび発生器と流体連結される。
一実施形態では、水は、発生器内で還元されて、水素を生成する。一実施形態では、システムは、発生器の第２の電極からの排気を受け取り、かつ水をボイラーにリサイクルし、水素を出力するように構成された、凝縮器を含む。一実施形態では、凝縮器は、燃料と熱連結される。一実施形態では、システムは、燃料源と発生器の間の、かつ燃料源および発生器と流体連結された、脱硫ユニットを含む。一実施形態では、発生器は、１０００℃以下または９００℃以下または８００℃～８５０℃の燃料入口温度を有するように構成される。一実施形態では、発生器は、６００℃以上の燃料出口温度を有するように構成される。
図６Ａは、本開示の一実施形態による、外部熱源を有さない水素生成システム６００の一例を示す。システム６００は、水源６０２、空気／酸化剤源６０４、燃料（例えば、メタン）源６０６、水素発生器６０８、およびボイラー６１０を含む。システム６００は、水素６１２および排気を発生する。水素発生器６０８は、電解質により分離されたアノードおよびカソードを含む。アノードおよびカソードは、それぞれ燃料および水を受け取り、燃料および水は発生器６０８内で互いに接触しない。様々な場合において、燃料および水は、システム６００全体内で互いに接触しない。加熱負荷は、システム自体により完全に満たされ、外部熱源を必要としない。例えば、ボイラー６１０は、発生器６０８中への燃料入力ストリーム、発生器６０８、酸化剤６０４、および水６０２を加熱する。動作中の発生器６０８は、１０００℃以下または９００℃以下または８００℃～８５０℃の燃料入口温度を有し、６００℃以上の燃料出口温度を有する。
燃料は、燃料源６０６からストリーム６００－１として出て行き、脱硫ユニット６１４を通過し、ストリーム６００－２になる。ストリーム６００－２は、凝縮器６１６に入り、凝縮器６１６のための冷却剤として機能し、ストリーム６００－３として出て行き、それは予熱燃料である。ストリーム６００－３は、熱交換器（ＨＸ２）６１８に入り、ボイラー６１０からの排気ストリーム６００－６により適正な温度へとさらに加熱され、発生器６０８にストリーム６００－４として入る。ストリーム６００－４は、発生器６０８内のアノードにより受け取られ、部分酸化され、次いで発生器６０８からストリーム６００－５として出て行く。ストリーム６００－５は、ボイラー６１０に導入され、ボイラー６１０内の酸化剤によりさらに酸化され、結果として熱を発生する。ボイラー６１０からの排気は、ストリーム６００－６として出て行き、熱交換器ＨＸ２ ６１８を通過して熱発生器６０８中への燃料入力を加熱し、ストリーム６００－７になる。ストリーム６００－７は、発生器６０８を加熱して、発生器６０８のための適正な動作温度を確保し、ストリーム６００－１９になる。ストリーム６００－１９は、熱交換器ＨＸ１ ６２０を通過して酸化剤を加熱し、ストリーム６００－２０として出て行く。ストリーム６００－２０は、熱交換器ＨＸ３ ６２２を通過して水を加熱し、ストリーム６００－２１として出て行く。
水は、水源からストリーム６００－８として出て行き、ポンプを通過し、ストリーム６００－９になる。ストリーム６００－９は、熱交換器ＨＸ３ ６２２内でストリーム６００－２０により加熱され、ストリーム６００－１０になる。ストリーム６００－１０は、ボイラー６１０に入り、ボイラー６１０において酸化反応から発生した熱により蒸気（ストリーム６００－１１）になる。ストリーム６００－１１は、タービン６２４を通過し、ストリーム６００－１２になる。タービン６２４は、ポンプに動力供給するために使用される。ストリーム６００－１２は、水素発生器６０８に入り、発生器６０８のカソードにより受け取られる。水／蒸気は、カソードで水素に還元される。蒸気および水素の混合物は、発生器６０８からストリーム６００－１３として出て行く。ストリーム６００－１３は、凝縮器６１６に入り、加熱されていない燃料（ストリーム６００－２）により冷却される。水は、混合物からこぼれ落ち、凝縮器からストリーム６００－１８としてリサイクルされる。ストリーム６００－１８は、ストリーム６００－９と一緒になり、熱交換器ＨＸ３ ６２２を通過した後ボイラー６１０に再び入る。水素は、凝縮器６１６からストリーム６００－１４として出て行く。
空気は、酸化剤源からストリーム６００－１５として出て行き、空気清浄機６２６を通過し、そこで微粒子および／または酸化物が除去され、ストリーム６００－１６になる。ストリーム６００－１６は、熱交換器ＨＸ１ ６２０内でストリーム６００－１９により加熱され、ストリーム６００－１７になる。ストリーム６００－１７は、ボイラー６１０に入り、ストリーム６００－５と反応して、燃料をさらに酸化し、熱を発生する。反応生成物は、ボイラー６１０からストリーム６００－６として出て行く。
図６Ｂは、本開示の一実施形態による、外部熱源を有しない別の水素生成システム６５０を示す。蒸気発生器（ＳＧ）６５２は、図６Ａにおけるシステム６００におけるボイラー６１０と同様の機能を果たす。空気は、凝縮器にストリーム６５０－１として入り、凝縮器６１６において冷却剤として使用される。空気ストリーム６５０－２は次いで、熱交換器ＨＸ１ ６２０で加熱され、その後水素発生器６０８にストリーム６５０－３として入り、アノード出力ストリームと混合する。燃料は、ストリーム６５０－４として入り、熱交換器ＨＸ２ ６１８内で排気により加熱され、その後水素発生器６０８にストリーム６５０－５として入る。燃料は、水素発生器６０８のアノードにおいて酸化され、アノード出力ストリームになり、空気によりさらに酸化されて、排気６５０－６になる。排気は、熱エネルギーを熱交換器（ＨＸ１ ６２０およびＨＸ２ ６１８）およびＳＧ６５２に提供して、水から蒸気を生成させる。蒸気は、水素発生器６０８に入り、カソードで水素に還元される。カソード出力ストリーム６５０－７は、凝縮器６１６に導入される。凝縮器６１６からの水は、ストリーム６５０－８としてリサイクルされ、水素は、凝縮器６１６から抽出される。
燃料電池
燃料電池は、電気化学反応を介して、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する、電気化学装置である。上記のように、多くの型の燃料電池、例えば、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が存在する。燃料電池は典型的には、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、任意でバリア層および／または任意で触媒を含む。アノードおよびカソードの両方が、電極である。燃料電池における電極、電解質、およびインターコネクトについての材料のリストは、場合によっては、ＥＣガス発生器およびＥＣコンプレッサに適用可能である。これらのリストは、例にすぎず、制限するものではない。さらに、アノード材料およびカソード材料の指定もまた、制限するものではなく、なぜなら動作中の材料の機能（例えば、それが酸化するか、または還元するか）が、材料がアノードとして使用されるか、またはカソードとして使用されるかを決定するからである。
図７－８は、燃料電池または燃料電池スタックにおける構成要素の様々な実施形態を示す。これらの実施形態では、アノード、カソード、電解質、およびインターコネクトは、直方体または長方形の角柱である。
図７は、本開示の一実施形態による、燃料電池構成要素を示す。層７０１は、アノードを概略的に示し、層７０２は、カソードを表し、層７０３は、電解質を表し、層７０４は、バリア層を表し、層７０５は、触媒を表し、層７０６は、インターコネクトを表す。
図８は、本開示の一実施形態による、燃料電池スタックにおける２つの燃料電池を概略的に示す。２つの燃料電池は、「燃料電池１」および「燃料電池２」と示される。図８における各燃料電池は、アノード層８０１、カソード層８０２、電解質層８０３、バリア層８０４、触媒層８０５およびインターコネクト層８０６を含む。２つの燃料電池繰り返し単位または２つの燃料電池は、図示されるようにスタックを形成する。見てわかるように、１つの側でインターコネクト８０６は、燃料電池２（または燃料電池繰り返し単位）のカソード８０２の最大表面と接触し、反対側でインターコネクト８０６は、底部燃料電池２（または燃料電池繰り返し単位）の触媒８０５（任意的）またはアノード８０１の最大表面と接触する。これらの繰り返し単位または燃料電池は、互いの上に積み重ねられ、その間のインターコネクトを共有することにより、電気配線ではなく、インターコネクトによる直接接触を介して並列で接続される。図８で示されるこの種の構造は、横縞型（ＳＩＳ）型燃料電池とは対照的である。
カソード
いくつかの実施形態では、カソードは、ペロブスカイト、例えばＬＳＣ、ＬＳＣＦまたはＬＳＭを含む。いくつかの実施形態では、カソードは、ランタン、コバルト、ストロンチウムまたはマンガナイトの１つ以上を含む。一実施形態では、カソードは、多孔性である。いくつかの実施形態では、カソードは、ＹＳＺ、窒素、窒素ホウ素ドープグラフェン、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３、ＳｒＣｏ０．５Ｓｃ０．５Ｏ３、ＢａＦｅ０．７５Ｔａ０．２５Ｏ３、ＢａＦｅ０．８７５Ｒｅ０．１２５Ｏ３、Ｂａ０．５Ｌａ０．１２５Ｚｎ０．３７５ＮｉＯ３、Ｂａ０．７５Ｓｒ０．２５Ｆｅ０．８７５Ｇａ０．１２５Ｏ３、ＢａＦｅ０．１２５Ｃｏ０．１２５、Ｚｒ０．７５Ｏ３の１つ以上を含む。いくつかの実施形態では、カソードは、ＬＳＣｏ、ＬＣｏ、ＬＳＦ、ＬＳＣｏＦ、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、カソードは、ペロブスカイトＬａＣｏＯ３、ＬａＦｅＯ３、ＬａＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、ＬＳＭ－ＧＤＣ、ＬＳＣＦ－ＧＤＣ、ＬＳＣ－ＧＤＣを含む。ＬＳＣＦを含むカソードが、中間温度燃料電池動作に好適である。
いくつかの実施形態では、カソードは、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムフェライト、およびランタンストロンチウムコバルトフェライトからなる群より選択される材料を含む。好ましい実施形態では、カソードは、ランタンストロンチウムマンガナイトを含む。
アノード
いくつかの実施形態では、アノードは、銅、ニッケル－酸化物、ニッケル－酸化物－ＹＳＺ、ＮｉＯ－ＧＤＣ、ＮｉＯ－ＳＤＣ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、酸化モリブデン、ランタン、ストロンチウム、クロマイト、セリア、ペロブスカイト（例えば、ＬＳＣＦ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝Ｃｏ｛１－ｙ｝Ｆｅ｛ｙ｝Ｏ３］またはＬＳＭ［Ｌａ｛１－ｘ｝Ｓｒ｛ｘ｝ＭｎＯ３］を含み、ここで、ｘは通常０．１５－０．２の範囲であり、ｙは０．７～０．８の範囲である）。いくつかの実施形態では、アノードは、コーキングおよび硫黄被毒を低減させるために、ＳＤＣまたはＢＺＣＹＹｂコーティングまたはバリア層を含む。一実施形態では、アノードは、多孔性である。いくつかの実施形態では、アノードは、電解質材料および電気化学的に活性な材料の組み合わせ、または、電解質材料および導電性材料の組み合わせを含む。
好ましい実施形態では、アノードは、ニッケルおよびイットリア安定化ジルコニアを含む。好ましい実施形態では、アノードは、酸化ニッケルおよびイットリア安定化ジルコニアを含む材料の還元により形成される。好ましい実施形態では、アノードは、ニッケルおよびガドリニウム安定化セリアを含む。好ましい実施形態では、アノードは、酸化ニッケルおよびガドリニウム安定化セリアを含む材料の還元により形成される。
電解質
一実施形態では、燃料電池における電解質は、安定化ジルコニア（例えば、ＹＳＺ、ＹＳＺ－８、Ｙ０．１６Ｚｒ０．８４Ｏ２）を含む。一実施形態では、電解質は、ドープＬａＧａＯ３（例えば、ＬＳＧＭ、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）を含む。一実施形態では、電解質は、ドープセリア（例えば、ＧＤＣ、Ｇｄ０．２Ｃｅ０．８Ｏ２）を含む。一実施形態では、電解質は、安定化酸化ビスマス（例えば、ＢＶＣＯ、Ｂｉ２Ｖ０．９Ｃｕ０．１Ｏ５．３５）を含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、酸化ジルコニウム、イットリア安定化酸化ジルコニウム（としても知られているＹＳＺ、ＹＳＺ８（８ｍｏｌｅ％ＹＳＺ））、セリア、ガドリニア、スカンジア、マグネシアまたはカルシアまたはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、電解質は、著しいガス輸送を防止し、著しい電気伝導を防止し；ならびにイオン伝導性を可能にするために十分不透過性である。いくつかの実施形態では、電解質は、ドープ酸化物例えば酸化セリウム、酸化イットリウム、酸化ビスマス、酸化鉛、酸化ランタンを含む。いくつかの実施形態では、電解質は、ペロブスカイト、例えば、ＬａＣｏＦｅＯ３またはＬａＣｏＯ３またはＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２（ＧＤＣ）またはＣｅ０．９Ｓｍ０．１Ｏ２（ＳＤＣ、サマリアドープセリア）またはスカンジア安定化ジルコニアまたはそれらの組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、電解質は、ジルコニア、セリア、およびガリア（ｇａｌｌｉａ）からなる群より選択される材料を含む。いくつかの実施形態では、材料は、スカンジウム、サマリウム、ガドリニウム、およびイットリウムからなる群より選択される安定化材料で安定化される。一実施形態では、材料は、イットリア安定化ジルコニアを含む。
インターコネクト
いくつかの実施形態では、インターコネクトは、銀、金、白金、ＡＩＳＩ４４１、フェライト系ステンレス鋼、ステンレス鋼、ランタン、クロム、酸化クロム、クロマイト、コバルト、セシウム、Ｃｒ２Ｏ３、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、アノードは、Ｃｒ２Ｏ３上のＬａＣｒＯ３コーティングまたはＮｉＣｏ２Ｏ４もしくはＭｎＣｏ２Ｏ４コーティングを含む。いくつかの実施形態では、インターコネクト表面は、コバルトおよび／またはセシウムでコートされる。いくつかの実施形態では、インターコネクトは、セラミックを含む。いくつかの実施形態では、インターコネクトは、ランタンクロマイトまたはドープランタンクロマイトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、金属、ステンレス鋼、フェライト鋼、ｃｒｏｆｅｒ、ランタンクロマイト、銀、金属合金、ニッケル、酸化ニッケル、セラミック、またはランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせをさらに含む材料を含む。
触媒
様々な実施形態では、燃料電池は、触媒、例えば、白金、パラジウム、スカンジウム、クロム、コバルト、セシウム、ＣｅＯ２、ニッケル、酸化ニッケル、亜鉛（ｚｉｎｅ）、銅、チタニア、ルテニウム、ロジウム、ＭｏＳ２、モリブデン、レニウム、バナジウム、マンガン、マグネシウムまたは鉄またはそれらの組み合わせを含む。様々な実施形態では、触媒は、メタン改質反応を促進して、水素および一酸化炭素を発生させ、そのため、それらは燃料電池において酸化され得る。非常に多くの場合、触媒は、アノード、とりわけ固有のメタン改質特性を有するニッケルアノードの一部である。一実施形態では、触媒は、１％－５％の間、または０．１％～１０質量％である。一実施形態では、触媒は、アノード表面上またはアノード内で使用される。様々な実施形態では、そのようなアノード触媒は、有害なコーキング反応および炭素堆積物を低減させる。様々な実施形態では、触媒の単純酸化物バージョン、または、ペロブスカイトが触媒として使用され得る。例えば、約２％質量のＣｅＯ２触媒が、メタン式燃料電池のために使用される。様々な実施形態では、触媒は、アノード上で浸漬される、またはコートされ得る。様々な実施形態では、触媒は、付加製造機（ＡＭＭ）により製造され、ＡＭＭを使用して燃料電池に組み入れられる。
本明細書で記載される独特の製造方法は、超薄燃料電池および燃料電池スタックの組立てを記載した。従来、構造統合性を達成するために、燃料電池は、１つの繰り返し単位あたり少なくとも１つの厚い層を有する。これは、アノード（アノード支持型燃料電池など）またはインターコネクト（インターコネクト支持型燃料電池など）であってもよい。上記のように、加圧または圧縮工程が、従来の製造プロセスにおいて気密性および／または適正な電気接触を達成するように燃料電池構成要素を組立てるために、典型的には必要とされる。そのようなものとして、厚い層が必要とされ、なぜなら、従来の方法（テープキャスティングような）は超薄層を形成できないからだけではなく、層は加圧または圧縮工程に耐えるために厚くなければならないからである。この開示の好ましい製造方法は、加圧または圧縮の必要性を排除した。この開示の好ましい製造方法はまた、超薄層の製造を可能にした。燃料電池または燃料電池スタックにおける層の多重度は、それらがこの開示に従い製造される場合、適正な動作のために十分な構造統合性を提供する。
本明細書で、１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロン以下または２５ミクロン以下の厚さのアノード、１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロン以下または２５ミクロン以下の厚さのカソード、および１ｍｍまたは５００ミクロンまたは３００ミクロンまたは１００ミクロンまたは５０ミクロンまたは３０ミクロン以下の厚さ電解質を含む、燃料電池が開示される。一実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以上の厚さを有するインターコネクトを含む。場合によっては、燃料電池は、２５ミクロン以下の厚さのアノード、２５ミクロン以下の厚さのカソード、および１０ミクロンまたは５ミクロン以下の厚さの電解質を含む。一実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以上の厚さを有するインターコネクトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、５０ミクロン～５ｃｍの範囲の厚さを有する。
好ましい実施形態では、燃料電池は、１００ミクロン以下の厚さのアノード、１００ミクロン以下の厚さのカソード、２０ミクロン以下の厚さの電解質、および３０ミクロン以下の厚さのインターコネクトを含む。より好ましい実施形態では、燃料電池は、５０ミクロン以下の厚さのアノード、５０ミクロン以下の厚さのカソード、１０ミクロン以下の厚さの電解質、および２５ミクロン以下の厚さのインターコネクトを含む。一実施形態では、インターコネクトは、１ミクロン～２０ミクロンの範囲の厚さを有する。
好ましい実施形態では、燃料電池は、アノードと電解質の間のバリア層、またはカソードと電解質の間のバリア層、または両方のバリア層を含む。場合によっては、バリア層はインターコネクトである。そのような場合、反応物は、アノードおよびカソードに直接噴射される。
一実施形態では、カソードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、アノードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、電解質は、５ミクロン以下、または２ミクロン以下、または１ミクロン以下、または０．５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、インターコネクトは、金属、ステンレス鋼、銀、金属合金、ニッケル、酸化ニッケル、セラミック、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、またはランタンカルシウムクロマイトを含む材料から製造される。一実施形態では、燃料電池は、１ミクロン以上の全厚を有する。
多重燃料電池を含む燃料電池スタックもまた、本明細書で記載され、各燃料電池は、２５ミクロン以下の厚さのアノード、２５ミクロン以下の厚さのカソード、１０ミクロン以下の厚さの電解質、および１００ｎｍ～１００ミクロンの範囲の厚さを有するインターコネクトを含む。一実施形態では、各燃料電池は、アノードと電解質の間のバリア層、またはカソードと電解質の間のバリア層、または両方のバリア層を含む。一実施形態では、バリア層はインターコネクトである。例えば、インターコネクトは銀で製造される。例えば、インターコネクトは、５００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲の厚さを有する。一実施形態では、インターコネクトは、金属、ステンレス鋼、銀、金属合金、ニッケル、酸化ニッケル、セラミック、またはランタンカルシウムクロマイトを含む材料から製造される。
一実施形態では、カソードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、アノードは、１５ミクロン以下、または１０ミクロン以下、または５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、電解質は、５ミクロン以下、または２ミクロン以下、または１ミクロン以下、または０．５ミクロン以下の厚さを有する。一実施形態では、各燃料電池は、１ミクロン以上の全厚を有する。
下記を含む燃料電池を製造する方法が、本明細書でさらに記載される：（ａ）２５ミクロン以下の厚さのアノードを形成すること、（ｂ）２５ミクロン以下の厚さのカソードを形成すること、および（ｃ）１０ミクロン以下の厚さの電解質を形成すること。一実施形態では、工程（ａ）－（ｃ）は、付加製造を使用して実施される。様々な実施形態では、上記付加製造は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、または積層の１つ以上を使用する。
一実施形態では、方法は、付加製造を使用してアノード、カソード、および電解質を組立てることを含む。一実施形態では、方法は、インターコネクトを形成すること、およびインターコネクトをアノード、カソード、および電解質と共に組立てることを含む。
好ましい実施形態では、方法は、少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。好ましい実施形態では、上記少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層はまた、インターコネクトとして作用する。
好ましい実施形態では、方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように、燃料電池を加熱することを含む。いくつかの実施形態では、そのような加熱は、３０分以下、好ましくは３０秒以下、最も好ましくは３０ミリ秒以下の間起こる。燃料電池が第１の組成物および第２の組成物を含む場合、第１の組成物は、第１の収縮速度を有し、第２の組成物は、第２の収縮速度を有し、この開示で記載される加熱は好ましくは、第１の収縮速度と第２の収縮速度の間の差が第１の収縮速度の７５％以下であるように起こる。
好ましい実施形態では、加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。好ましくは、加熱は、その場で実施される。
多重燃料電池を含む燃料電池スタックを製造する方法もまた、本明細書で開示され、方法は、（ａ）各燃料電池において２５ミクロン以下の厚さのアノードを形成すること、（ｂ）各燃料電池において２５ミクロン以下の厚さのカソードを形成すること、（ｃ）各燃料電池において１０ミクロン以下の厚さの電解質を形成すること、ならびに（ｄ）各燃料電池において１００ｎｍ～１００ミクロンの厚さを有するインターコネクトを生成すること、を含む。
一実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は、ＡＭを使用して実施される。様々な実施形態では、ＡＭは、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、または積層のプロセスの１つ以上を使用する。
一実施形態では、燃料電池スタックを製造する方法は、ＡＭを使用してアノード、カソード、電解質、およびインターコネクトを組立てることを含む。一実施形態では、方法は、各燃料電池において少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方で使用される。一実施形態では、少なくとも１つのバリア層はまた、インターコネクトとして作用する。
一実施形態では、燃料電池スタックを製造する方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように各燃料電池を加熱することを含む。一実施形態では、そのような加熱は３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。好ましい実施形態では、上記加熱することは、１つ以上の電磁放射線（ＥＭＲ）を含む。様々な実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームを含む。一実施形態では、加熱することは、その場で実施される。
一実施形態では、方法は、アノード、カソード、および電解質の収縮速度が釣り合うように燃料電池スタック全体を加熱することを含む。いくつかの実施形態では、そのような加熱することは、３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。
本明細書で、（ａ）コロイド懸濁液を配合することであって、コロイド懸濁液が、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、配合すること；（ｂ）コロイド懸濁液を含む電解質を形成すること；ならびに（ｃ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む電解質を製造する方法が記載され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは好ましくは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することにより最適化される。
本明細書で、（ａ）カソードおよびアノードを獲得すること；（ｂ）カソード表面およびアノード表面を修飾すること；（ｃ）コロイド懸濁液をことであって、コロイド懸濁液が、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、配合すること；（ｄ）修飾アノード表面と修飾カソード表面の間でコロイド懸濁液を含む電解質を形成すること；ならびに（ｅ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む燃料電池を製造する方法が記載され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。様々な実施形態では、アノードおよびカソードは、任意の好適な手段を介して獲得される。一実施形態では、修飾アノード表面および修飾カソード表面は、コロイド懸濁液中の粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。最大高さプロファイル粗さ９００は、図９に示されるように、アノード表面またはカソード表面の任意のトラフ９０２と隣接するピーク９０４の間の最大距離を指す。様々な実施形態では、アノード表面およびカソード表面は、任意の好適な手段を介して修飾される。
本明細書で、（ａ）カソードおよびアノードを獲得すること；（ｂ）コロイド懸濁液を配合することであって、コロイド懸濁液が、添加物、ある直径の範囲およびあるサイズ分布を有する粒子、および溶媒を含む、配合すること；（ｃ）コロイド懸濁液を含む電解質をアノードとカソードの間で形成すること；ならびに（ｄ）電解質の少なくとも一部を加熱すること、を含む燃料電池を製造する方法がさらに開示され；ここで、コロイド懸濁液を配合することは、コロイド懸濁液のｐＨ、またはコロイド懸濁液中のバインダの濃度、またはコロイド懸濁液中のバインダの組成、または粒子の直径の範囲、または粒子の最大直径、または粒子の中央径、または粒子のサイズ分布、または溶媒の沸点、または溶媒の表面張力、または溶媒の組成、または電解質の最小寸法の厚さ、または粒子の組成、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。様々な実施形態では、アノードおよびカソードは、任意の好適な手段を介して獲得される。一実施形態では、電解質と接触するアノード表面および電解質と接触するカソード表面は、コロイド懸濁液中の粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。
好ましい実施形態では、溶媒は、水を含む。好ましい実施形態では、溶媒は、有機成分を含む。溶媒は、エタノール、ブタノール、アルコール、テルピネオール、ジエチルエーテル１，２－ジメトキシエタン（ＤＭＥ（エチレングリコールジメチルエーテル）、１－プロパノール（ｎ－プロパノール、ｎ－プロピルアルコール）、またはブチルアルコール、またはそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、溶媒表面張力は、空気中での水の表面張力の半分未満である。一実施形態では、溶媒表面張力は、大気条件で３０ｍＮ／ｍ未満である。
いくつかの実施形態では、電解質は、第１の基材に隣接して形成され、または電解質は、第１の基材と第２の基材の間に形成される。いくつかの実施形態では、第１の基材は、粒子の平均直径未満である最大高さプロファイル粗さを有する。いくつかの実施形態では、粒子は、４０％超、または５０％超、または６０％超の充填密度を有する。一実施形態では、粒子は、ランダム最密充填（ＲＣＰ）密度に近い充填密度を有する。
ランダム最密充填（ＲＣＰ）は、それらがランダムに充填された時に得られる固体物体の最大体積分率を特徴づけるために使用される経験的パラメータである。容器はランダムに物体で満たされ、次いで容器は、物体がそれ以上詰まらなくなるまで振盪され、または軽くたたかれ、この時点で充填状態はＲＣＰである。充填率は、ある体積空間における粒子数により取られる体積である。充填率は、充填密度を決定する。例えば、固体容器が粒子で満たされる場合、容器を振盪することは、物体により占められる体積を低減し、よって、より多くの粒子が容器に添加されることを可能にする。振盪は、充填される物体の密度を増加させる。振盪がもはや充填密度を増加させないと、限界に達し、規則的な結晶格子への明らかな充填なしにこの限界に到達する場合、これは経験的ランダム最密充填密度である。
いくつかの実施形態では、中央粒径は、５０ｎｍ～１０００ｎｍ、または１００ｎｍ～５００ｎｍ、またはおよそ２００ｎｍである。いくつかの実施形態では、第１の基材は、ある中央粒径を有する粒子を含み、電解質の中央粒径は、第１の基材の中央粒径の１０倍以下、かつ、１／１０以上であり得る。いくつかの実施形態では、第１の基材は、第１のモードおよび第２のモードを有する二峰性であり、それぞれがある中央粒径を有する粒子サイズ分布を含む。いくつかの実施形態では、第１の基材の第１のモードにおける中央粒径は、第２のモードのそれの２倍超、または５倍超、または１０倍超である。第１の基材の粒子サイズ分布は、加熱中の第１の基材の挙動を変化させるように調整され得る。いくつかの実施形態では、第１の基材は、加熱温度の関数である収縮を有する。いくつかの実施形態では、コロイド懸濁液中の粒子は、最大粒径および最小粒径を有してよく、最大粒径は、最小粒径の２倍未満、または３倍未満、または５倍未満、または１０倍未満である。いくつかの実施形態では、電解質の最小寸法は、１０ミクロン未満、または２ミクロン未満、または１ミクロン未満、または５００ｎｍ未満である。
いくつかの実施形態では、電解質は、１ミリダルシー以下、好ましくは１００マイクロダルシー以下、最も好ましくは１マイクロダルシー以下のガス透過性を有する。好ましくは、電解質は、電解質の最小寸法を貫通する亀裂を有しない。いくつかの実施形態では、溶媒の沸点は、２００℃以上、または１００℃以上、または７５℃以上である。いくつかの実施形態では、溶媒の沸点は、１２５℃以下、または１００℃以下、または８５℃以下、７０℃以下である。いくつかの実施形態では、コロイド懸濁液のｐＨは、７以上、または９以上、または１０以上である。
いくつかの実施形態では、添加物は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、エチルセルロース、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）、フタル酸ブチルベンジル（ＢＢＰ）、ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、添加物濃度は、１００ｍｇ／ｃｍ３以下、または５０ｍｇ／ｃｍ３以下、または３０ｍｇ／ｃｍ３以下、または２５ｍｇ／ｃｍ３以下である。
一実施形態では、コロイド懸濁液は、ミリングされる。一実施形態では、コロイド懸濁液は、回転ミルを使用してミリングされ、回転ミルは、２０ｒｐｍ以上、または５０ｒｐｍ以上、または１００ｒｐｍ以上、または１５０ｒｐｍ以上で動作される。一実施形態では、コロイド懸濁液は、ジルコニアミリングボールまたは炭化タングステンボールを使用してミリングされ、コロイド懸濁液は、２時間以上、または４時間以上、または１日以上、または１０日以上ミリングされる。
いくつかの実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、３０ｗｔ％以下、または２０ｗｔ％以下、または１０ｗｔ％以下である。いくつかの実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、２ｗｔ％以上である。いくつかの実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、１０ｖｏｌ％以下、または５ｖｏｌ％以下、または３ｖｏｌ％以下、または１ｖｏｌ％以下である。一実施形態では、コロイド懸濁液における粒子濃度は、０．１ｖｏｌ％以上である。
好ましい実施形態では、電解質は、付加製造機（ＡＭＭ）を使用して形成される。好ましい実施形態では、第１の基材は、ＡＭＭを使用して形成される。好ましい実施形態では、加熱は、電磁放射線（ＥＭＲ）の使用を含み、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、またはレーザーの１つ以上を含む。好ましい実施形態では、第１の基材および電解質は、加熱されて共焼結を引き起こす。好ましい実施形態では、第１の基材、第２の基材、および電解質は、加熱されて共焼結を引き起こす。一実施形態では、ＥＭＲは、第１の基材を電解質よりも優先的に焼結させるように制御される。
一実施形態では、電解質は、加熱後に圧縮される。一実施形態では、第１の基材および第２の基材は、加熱後に圧縮応力を電解質に適用する。一実施形態では、圧縮応力を適用する第１の基材および第２の基材は、燃料電池のアノードおよびカソードである。いくつかの実施形態では、電解質の最小寸法は、５００ｎｍ～５ミクロン、または、１ミクロン～２ミクロンである。
本明細書で記載される詳細な説明は、実例として固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成を使用する。当業者であれば認識するように、本明細書で記載される方法および製造プロセスは、全ての燃料電池型に適用可能である。そのようなものとして、全ての燃料電池型の生成は、この開示の範囲内である。
反応器カートリッジ
様々な実施形態では、電気化学（ＥＣ）反応器は、カートリッジ形態に形成される。本明細書における議論は、燃料電池または燃料電池スタックを一例として使用する。カートリッジ設計は、ＥＣガス発生器、ＥＣコンプレッサ、フロー電池などの、他の電気化学反応器に適用可能である。様々な実施形態では、燃料電池スタックは、容易に取り外し可能なフランジ付燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）設計などの、カートリッジ形態に製造されるように構成される。図９Ａは、本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）９００の斜視図を示す。ＦＣＣ９００は、図９Ａに示される長方形形状部を含む。他の形状因子も可能であり、例えば、正方形様、円筒形様、六角形様またはそれらの組み合わせである。形状因子は、ＦＣＣが使用され得る適用に依存し得、例えば、企業内、家庭、自動車または他の用途である。ＦＣＣ９００はまた、ＦＣＣをシステム内に、または他のＦＣＣと直列に固定するため、または両方のために、ボルト用の穴９０２を含む。ＦＣＣカートリッジ９００ハウジングは、アルミニウム、鋼、プラスチック、セラミック、またはそれらの組み合わせから構成され得る。ＦＣＣ９００は、上部インターコネクト９０４を含む。
図９Ｂは、本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）９００の断面の斜視図を示す。ＦＣＣ９００は、ボルト用の穴９０２、カソード層９０６、バリア層９０８、アノード層９１０、電極（アノードおよびカソード）におけるガスチャネル９１２、電解質層９１４、空気熱交換器９１６、燃料熱交換器９１８および上部インターコネクト９０４を含む。結合された空気熱交換器９１６および燃料熱交換器９１８は、統合多流体熱交換器を形成する。いくつかの実施形態では、カソード９０６と電解質９１４の間にバリア層は存在しない。ＦＣＣ９００は、例えば、アノード層９１０と燃料熱交換器９１８の間に第２のインターコネクト９２０を含む。ＦＣＣ９００は、燃料通路のための開口９２２、９２４をさらに含む。
図９Ｃは、本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の断面図を示す。図９ＣにおけるＦＣＣ９００は、ボルト電気絶縁９２６、アノード９１０、アノード９１０を気流から遮断するシール９２８、カソード９０６およびカソード９０６を燃料流から遮断するシール９３０を含む。ボルトは、シールによっても電気的に絶縁され得る。様々な実施形態では、シールは、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）または３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）の混合物を含む二重機能シール（ＤＦＳ）であってよい。いくつかの実施形態では、ＤＦＳは、非イオン性物質に対して不透過性であり、かつ、電気絶縁性である。いくつかの実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１０／９０～９０／１０の範囲にある。いくつかの実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０である。いくつかの実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０または０／１００である。
図９Ｄは、本開示の一実施形態による、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）の上面図および底面図を示す。ＦＣＣ９００は、ボルト用の穴９０２、空気入口９３２、空気出口９３４、燃料入口９２２、燃料出口９２４、ＦＣＣ９００の底部９３６および上部インターコネクト９０４を含み、図９Ｄはさらに、ＦＣＣ９００の一実施形態の上面図および底面図を示し、ＦＣＣ９００の酸化剤側の長さは、Ｌｏで示され、ＦＣＣ９００の燃料側の長さは、Ｌｆで示され、酸化剤（空気入口９３２）入り口の幅は、Ｗｏで示され、燃料入口９２２の幅は、Ｗｆで示される。図９Ｄでは、２つの流体出口が示される（空気出口９３４および燃料出口９２４）。いくつかの実施形態では、アノード排気おとびカソード排気は、混合され、１つの流体出口を通して抽出され得る。場合によっては、底部９３６は、インターコネクトであり、９３２、９３４、９２２、９２４は、例えば、横方向に垂直な方向の流路のための開口である。
本明細書で、アノード９１０、カソード９０６、電解質９１４、少なくとも１つのインターコネクト、燃料ＦＣＣ９００の燃料側の入り口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入り口、少なくとも１つの流体出口を含む燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）９００が開示され、燃料入口は、Ｗｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入口は、Ｗｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にある。
いくつかの実施形態では、空気および燃料入口および出口は、ＦＣＣ９００の１つの表面上にあり、ＦＣＣ９００は、上記表面上に突出した流路を含まない。いくつかの実施形態では、表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。
いくつかの実施形態では、ＦＣＣ９００は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方にバリア層を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である、二重機能シール（ＤＦＳ）を含む。いくつかの実施形態では、ＤＦＳは、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）または３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）の混合物を含む。
いくつかの実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。いくつかの実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、一方、アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
いくつかの実施形態では、燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）９００は、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、燃料入り口、酸化剤入り口、少なくとも１つの流体出口を含み、入り口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、ＦＣＣは、表面上に突出した流路を含まない。いくつかの実施形態では、表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有し得る。
いくつかの実施形態では、ＦＣＣ９００は、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である、ＤＦＳを含む。一実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
一実施形態では、ＦＣＣ９００は、あわせ面に取り外し可能に固定され、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、ＦＣＣは、あわせ面にボルトで固定され、または、加圧される。あわせ面は、整合燃料入り口、整合酸化剤入り口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）およびあわせ面を含む組立て品が、さらに本明細書で開示され、ＦＣＣは、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、ＦＣＣの燃料側の燃料入口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含み、燃料入口は、Ｗｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入口は、Ｗｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定される。
いくつかの実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。表面は、滑らかであってよく、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。
一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）およびあわせ面を一緒に加圧またはボルト固定することを含む方法が、本明細書で記載される。方法は、ＦＣＣおよびあわせ面を一緒に溶接またははんだ付けすることを排除し、ＦＣＣは、アノード、カソード、電解質、インターコネクト、ＦＣＣの燃料側の燃料入口、ＦＣＣの酸化剤側の酸化剤入口、少なくとも１つの流体出口を含み、燃料入口は、Ｗｆの幅を有し、ＦＣＣの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入口は、Ｗｏの幅を有し、ＦＣＣの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、または０．１～０．９、または０．２～０．９、または０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、ＦＣＣおよびあわせ面は、取り外し可能である。
一実施形態では、上記入口および出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、ＦＣＣは、上記表面上に突出した流路を含まない。表面は、滑らかであり、１ｍｍ以下、または１００ミクロン以下、または１０ミクロン以下の最大高度変化を有する。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、上記インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
本明細書では、燃料電池および燃料電池ケーシングを含む燃料電池カートリッジ（ＦＣＣ）が開示され、燃料電池は、アノード、カソード、および電解質を含み、燃料電池ケーシングの少なくとも一部は、電解質と同じ材料で製造される。一実施形態では、電解質は、同じ材料で製造された燃料電池ケーシングの部分と接触する。一実施形態では、電解質および燃料電池ケーシングの部分は、ＤＦＳで製造され、ＤＦＳは、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含み、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。
一実施形態では、上記燃料電池ケーシングは、アノードのための燃料入口および燃料通路、カソードのための酸化剤入口および酸化剤通路、および少なくとも１つの流体出口を含む。一実施形態では、入口および少なくとも１つの出口は、ＦＣＣの１つの表面上にあり、ＦＣＣは、表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、燃料電池ケーシングは、アノードの少なくとも一部と接触する。
一実施形態では、ＦＣＣは、電解質とカソードの間および燃料電池ケーシングとカソードの間にバリア層を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、ＦＣＣは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
一実施形態では、ＦＣＣは、あわせ面に取り外し可能に固定され、上記あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。一実施形態では、上記あわせ面は、整合燃料入口、整合酸化剤入口、および少なくとも１つの整合流体出口を含む。
３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含むＤＦＳもまた、本明細書で記載され、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。一実施形態では、ＤＦＳは、燃料電池における電解質として、または燃料電池ケーシングの一部として、または両方として使用される。
燃料電池システムにおいてＤＦＳを提供することを含む方法が、本明細書でさらに開示され、ＤＦＳは、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含み、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。
一実施形態では、ＤＦＳは、燃料電池システムにおいて電解質または燃料電池ケーシングの一部または両方として使用される。燃料電池ケーシングの一部は、燃料電池ケーシング全体であり得る。燃料電池ケーシングの一部は、燃料電池ケーシング上のコーティングである。電解質および燃料電池ケーシングの上記一部は、接触している。
６つの表面を有するアノード、６つの表面を有するカソード、電解質、およびアノードの少なくとも３つの表面と接触するアノード囲いを含む燃料電池システムが、本明細書で開示され、電解質は、アノード囲いの一部であり、上記アノード囲いは、電解質と同じ材料で製造される。一実施形態では、上記同じ材料は、３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）および８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３を含むＺｒＯ２）を含むＤＦＳであり、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、１００／０～０／１００または１０／９０～９０／１０の範囲にあり、ＤＦＳは、非イオン性物質に対し不透過性であり、かつ電気絶縁性である。一実施形態では、３ＹＳＺ／８ＹＳＺの質量比は、約５０／５０または４０／６０または６０／４０または３０／７０または７０／３０または２０／８０または８０／２０である。一実施形態では、アノード囲いは、アノードの５つの表面と接触する。
一実施形態では、燃料電池システムは、カソードとカソード囲いの間にバリア層を含み、バリア層は、カソードの少なくとも３つの表面と接触し、電解質は、カソード囲いの一部であり、上記カソード囲いは、電解質と同じ材料で製造される。
一実施形態では、燃料電池システムは、アノード囲いおよびカソード囲いにおいて、燃料通路および酸化剤通路を含む。一実施形態では、燃料電池システムは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体分散構成要素を含む。一実施形態では、燃料電池システムは、インターコネクトを含み、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、上記アノードおよびカソードは、流体チャネルを含む。
管状設計
様々な場合において、この開示で記載される電気化学反応器は、管状である。このセクションにおける議論は、管状電気化学反応器の一例として管状燃料電池（ＴＦＣ）をとりあげる。管状設計は、他の型の電気化学反応器、例えば、ＥＣガス発生器、ＥＣコンプレッサ、またはフロー電池に適用可能である。本明細書では、内部カソード、外部アノード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含む管状燃料電池（ＴＦＣ）が開示される。ＴＦＣのいくつかの実施形態では、電解質は、膜と考えられる。カソードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、上記インターコネクトは、カソードと接触するがアノードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのアノードに接触するように構成された接触表面を有し、アノードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
一実施形態では、ＴＦＣは、カソードと電解質の間またはアノードと電解質の間または両方にバリア層を含む。一実施形態では、丸みを帯びた非円形形状は、丸みを帯びた長方形、丸みを帯びた正方形、丸みを帯びた六角形、丸みを帯びた台形、丸みを帯びた平行四辺形、丸みを帯びた五角形、丸みを帯びた三角形、丸みを帯びた八角形、卵形、楕円、または丸みを帯びた不規則形状またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、１以下、または０．７５以下、または０．５以下である。一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、０．３以下、または０．１以下、または０．０５以下である。
一実施形態では、カソードの厚さは、約１０ミクロン～約１，０００ミクロン；または約５０～約１５０ミクロン；または約９０～約１１０ミクロン；または約１００ミクロンの範囲にある。一実施形態では、アノードの厚さは、約１ミクロン～約５０ミクロン；または約５ミクロン～約２５ミクロン；または約８ミクロン～約１２ミクロン；または約１０ミクロンの範囲にある。一実施形態では、電解質の厚さは、約１００ｎｍ～約１０ミクロン；または約５００ｎｍ～約５ミクロン；または約８００ｎｍ～約２ミクロン；または約１ミクロンの範囲にある。一実施形態では、バリア層の厚さは、約１００ｎｍ～約１０ミクロン；または約５００ｎｍ～約５ミクロン；または約８００ｎｍ～約２ミクロン；または約１ミクロンの範囲にある。一実施形態では、インターコネクトの厚さは、約１０ミクロン～約１０００ミクロン；または約５０ミクロン～約５００ミクロン；または約８０ミクロン～約２００ミクロン；または約１００ミクロンの範囲にある。
一実施形態では、ＴＦＣは、長さＬを有し、断面は、Ｗの特性長を有し、Ｌ／Ｗの比率は、１以上である。一実施形態では、Ｌ／Ｗの比率は、２以上または１０以上または１００以上である。
一実施形態では、ＴＦＣは、カソード内にサポートを含む。一実施形態では、サポートは、カソードと接触する。一実施形態では、サポートは、カソードの一体部分である。一実施形態では、サポートおよびカソードは、同じ材料から製造される。一実施形態では、サポートおよびカソードは、異なる材料から製造される。一実施形態では、電解質は、流体に対し不透過性である。一実施形態では、カソードおよびアノードは、多孔性である。
多重管状燃料電池（ＴＦＣ）を含む燃料電池スタックもまた、本明細書で記載され、上記ＴＦＣの各々は、内部カソード、外部アノード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含み、カソードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、上記インターコネクトは、カソードと接触するがアノードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのアノードに接触するように構成された接触表面を有し、上記アノードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
一実施形態では、上記ＴＦＣの各々は、カソードと電解質の間またはアノードと電解質の間または両方にバリア層を含む。一実施形態では、上記丸みを帯びた非円形形状は、丸みを帯びた長方形、丸みを帯びた正方形、丸みを帯びた六角形、丸みを帯びた台形、丸みを帯びた平行四辺形、丸みを帯びた五角形、丸みを帯びた三角形、丸みを帯びた八角形、卵形、楕円、丸みを帯びた不規則形状を含む。
一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、１以下、または０．７５以下、または０．５以下である。一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、０．３以下、または０．１以下、または０．０５以下である。
一実施形態では、上記ＴＦＣの各々は、長さＬを有し、断面は、Ｗの特性長を有し、Ｌ／Ｗの比率は、１以上、または２以上、または１０以上、または１００以上である。
一実施形態では、上記ＴＦＣの各々は、カソード内にサポートを含む。一実施形態では、サポートは、カソードと接触する。一実施形態では、サポートは、カソードの一体部分である。一実施形態では、サポートおよびカソードは、同じ材料から製造される。
本明細書では、内部アノード、外部カソード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含む管状燃料電池（ＴＦＣ）が開示され、アノードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、インターコネクトは、アノードと接触するがカソードとは接触せず、インターコネクトは、隣接するＴＦＣのカソードに接触するように構成された接触表面を有し、カソードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
一実施形態では、丸みを帯びた非円形形状は、丸みを帯びた長方形、丸みを帯びた正方形、丸みを帯びた六角形、丸みを帯びた台形、丸みを帯びた平行四辺形、丸みを帯びた五角形、丸みを帯びた三角形、丸みを帯びた八角形、卵形、楕円、丸みを帯びた不規則形状またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、カソードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、１以下、または０．７５以下、または０．５以下、０．３以下、または０．１以下、または０．０５以下である。一実施形態では、ＴＦＣは、カソードと電解質の間またはアノードと電解質の間または両方にバリア層を含む。
図１０Ａ－１０Ｃは、異なるアスペクト比の燃料電池、および、どのようにそれが２つ以上のＴＦＣを含む多管式燃料電池（ＴＦＣ）単位において接続され得るかを示す。ＴＦＣは、丸みを帯びた縁を含む。図１０Ａは、本開示の一実施形態によるＴＦＣ１０００の断面図を示す。ＴＦＣ１０００は、内部カソード層１００２、バリア層１００４、電解質層１００６、外部アノード層１００８、インターコネクト１０１０および流路１０１２を含む。場合によっては、バリア層１００４は、アノード１００８と電解質１００６の間に配置される。場合によっては、２つのバリア層が、（１）カソード１００２と電解質１００６の間および（２）アノード１００８と電解質１００６の間に配置される。インターコネクト１０１０は、カソード１００２と接触するがアノード１００８とは接触しない。インターコネクト１０１０の上面は、隣接するＴＦＣのアノード１００８と接触されるように構成される。アノード１００８は、別の隣接するＴＦＣのインターコネクト１０１０と接触するように構成された底面上の接触表面を有する。アノード１００８は、図１０Ａ－１０Ｃで示される構造で両側に非接触表面を有する。図１０Ａにおけるこの例では、ＴＦＣ１０００は、長方形形状の短い端上でインターコネクト１０１０により接続される丸みを帯びた長方形形状を有する。
図１０Ｂは、本開示の一実施形態による、ＴＦＣ１０２０の断面図を示す。ＴＦＣ１０２０は、構成においてＴＦＣ１０００と同様であるが、長方形形状の長い側でインターコネクト１０１０により接続される。
図１０Ｃは、本開示の一実施形態による、ＴＦＣ１０４０の断面図を示す。図１０ＣにおけるＴＦＣ１０４０は、構成において図１０Ａ－１０ＢにおけるＴＦＣと同様であるが、丸みを帯びた正方形様形状を含み、辺の長さは、実質的に同じである。ＴＦＣ１０４０は、インターコネクト１０１０によりさらに接続される。
他の実施形態では、アノード１００８は、内部であるように構成され得、カソード１００２は、外部であり得る。場合によっては、バリア層は、カソードと電解質の間に配置され得る。場合によっては、２つのバリア層が、（１）カソードと電解質の間および（２）アノードと電解質の間に配置される。上で議論された全ての他の構造および特徴もまた、この実施形態で適用可能である。
いくつかの実施形態では、ＴＦＣは、カソード層内に図１１Ａ－１１Ｃに示されるように１つ以上のサポートをさらに含み得る。図１１Ａは、本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣ１１００の断面図を示す。ＴＦＣ１１００は、カソード１００２、バリア層１００４、電解質１００６、アノード層１００８、インターコネクト１０１０および少なくとも１つの流路１０１２を含む。ＴＦＣ１１００がどのように配列されるかの形状および設計は、図１０ＡのＴＦＣと同様である。ＴＦＣ１１００は、１つ以上のサポートをさらに含む。サポートは、好適な任意の形状、数、サイズ、および材料であってよい。場合によっては、サポート１１０２は、カソード層１００２などの内部電極層と同じ材料から製造される。場合によっては、サポート１１０４は、カソード１００２などの内部電極層材料とは異なる材料から製造される。例えば、燃料電池との関連での不活性材料。場合によっては、サポートは、１を超える材料から製造され得る。一実施形態では、１つ以上のサポート１１０２、１１０４が、カソード１００２と接触している。一実施形態では、１つ以上のサポート１１０２、１１０４は、カソードの一体部分である。一実施形態では、１つ以上のサポート１１０２、１１０４は、カソードの一体部分として製造される。
図１１Ｂは、本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣ１１２０の断面図を示す。ＴＦＣ１１２０がどのように配列されるかの形状および設計は、図１０ＢのＴＦＣと同様である。ＴＦＣ１１２０は、１つ以上のサポートをさらに含む。サポート１１０２は、カソード１００２などの内側電極と同じ材料の直線形状サポートであってよい。サポート１１０４は、同じ材料で構築されない直線形状サポート１１０４であってよい。サポート１１０６は、カソード１００２などの内側電極と同じ材料で構築された卵形または円形様形状サポートであってよい。サポート１１０８は、カソード１００２などの内側電極と同じ材料で構築されない卵形または円形様形状サポートであってよい。図１１Ｂに示されるように、ＴＦＣは、直線形状サポート１１０２、１１０４および円形形状サポート１１０６、１１０８を含み得る。
図１１Ｃは、本開示の一実施形態による、サポートを含むＴＦＣ１１４０の断面図を示す。ＴＦＣ１１４０がどのように配列されるかの形状および設計は、図１０ＣのＴＦＣと同様である。ＴＦＣ１１４０は、１つ以上のサポートをさらに含む。この例では、全てのサポート１１０６、１１０８は、円形様または楕円様形状であってよいが、直線形状のサポート１１０２、１１０４もまた、使用され得る。
いくつかの実施形態では、内側電極は、ＴＦＣ１１００、１１２０、１１４０においてアノード層１００８であり得る。サポート１１０２、１１０４、１１０６、１１０８は、内側アノード層の同じ材料で構築され得、または、アノード層１００８で構築され得ず、またはそれらの組み合わせであってよい。
本明細書では、２つの管状燃料電池（ＴＦＣ）間に流体混合物を配置することであって、上記２つのＴＦＣが１ｍｍ以下の最小距離を有するギャップを有する、配置すること；２つのＴＦＣが接続されるように流体混合物を加熱すること、を含む方法が記載され；流体混合物は、１０００センチポアズ以下の粘度を有する。一実施形態では、流体混合物は、５００センチポアズ以下または３００センチポアズ以下または２００センチポアズ以下または１００センチポアズ以下または５０センチポアズ以下の粘度を有する。一実施形態では、ギャップの最小距離は、５００ミクロン以下、または３００ミクロン以下、または２００ミクロン以下、または１００ミクロン以下、または５０ミクロン以下である。
一実施形態では、流体混合物を配置することは、エアロゾル噴射、材料噴射、インクジェット印刷またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、流体混合物は、流体および固体を含み、流体混合物を加熱することは、流体を放散させ、固体を残す。一実施形態では、流体混合物を加熱することは、それを固体化する。一実施形態では、加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）の使用を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、加熱することは、オーブン加熱、炉加熱、窯加熱、プラズマ加熱、高温表面加熱、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、加熱することは、伝導、対流、照射、またはそれらの組み合わせにより達成される。一実施形態では、上記加熱することは、焼結、共焼結、アニーリング、高密度化、固化、蒸発、乾燥、またはそれらの組み合わせを引き起こす。
一実施形態では、流体混合物は、金、銀、白金、ニッケル、鉄、鋼、ステンレス鋼、クロム、コバルト、炭素、またはインコネルを含む。一実施形態では、流体混合物は、燃料電池における電極のために使用される材料、または、燃料電池におけるインターコネクトのために使用される材料、または両方を含む。
一実施形態では、ＴＦＣの各々は、内部カソード、外部アノード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含み、カソードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、インターコネクトは、カソードと接触するがアノードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのアノードに接触するように構成された接触表面を有し、上記アノードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面、および、非接触表面を有する。
一実施形態では、ＴＦＣの各々は、内部アノード、外部カソード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含み、アノードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、インターコネクトは、アノードと接触するがカソードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのカソードに接触するように構成された接触表面を有し、カソードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
接触ペーストを第１の管状燃料電池（ＴＦＣ）上に適用すること、および、第２のＴＦＣを、第１のＴＦＣの反対側に接触ペーストと接触させて配置することを含む方法もまた、本明細書で記載され、第１のＴＦＣおよび第２のＴＦＣの各々は、内部カソード、外部アノード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含み、カソードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、インターコネクトは、カソードと接触するがアノードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのアノードに接触するように構成された接触表面を有し、アノードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
一実施形態では、接触ペーストは、浸漬、コーティング、展延、噴霧、エアブラッシング、噴霧熱分解、または塗装またはそれらの組み合わせにより適用される。一実施形態では、接触ペーストは、金、銀、白金、ニッケル、鉄、鋼、ステンレス鋼、クロム、コバルト、炭素、またはインコネルまたはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、接触ペーストは、燃料電池における電極のために使用される材料、または、燃料電池におけるインターコネクトのために使用される材料、または両方を含む。一実施形態では、ＴＦＣは、カソードと電解質の間またはアノードと電解質の間または両方にバリア層を含む。
一実施形態では、丸みを帯びた非円形形状は、丸みを帯びた長方形、丸みを帯びた正方形、丸みを帯びた六角形、丸みを帯びた台形、丸みを帯びた平行四辺形、丸みを帯びた五角形、丸みを帯びた三角形、丸みを帯びた八角形、卵形、楕円、または丸みを帯びた不規則形状を含む。一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、１以下、または０．７５以下、または０．５以下である。一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、０．３以下、または０．１以下、または０．０５以下である。一実施形態では、ＴＦＣは、長さＬを有し、断面は、Ｗの特性長を有し、Ｌ／Ｗの比率は、１以上、または２以上または１０以上または１００以上である。
一実施形態では、ＴＦＣは、カソード内にサポートを含む。一実施形態では、サポートは、カソードと接触する。一実施形態では、サポートは、カソードの一体部分である。一実施形態では、サポートおよびカソードは、同じ材料から製造される。
一実施形態では、方法は、接触ペーストを加熱することを含む。一実施形態では、加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）の使用を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームまたはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、加熱することは、オーブン加熱、炉加熱、窯加熱、プラズマ加熱、高温表面加熱、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、上記加熱することは、伝導、対流、照射、またはそれらの組み合わせにより達成される。一実施形態では、上記加熱することは、焼結、共焼結、アニーリング、高密度化、固化、蒸発、乾燥、またはそれらの組み合わせを引き起こす。
本明細書では、接触ペーストを第１の管状燃料電池（ＴＦＣ）上に適用すること、および、第２のＴＦＣを、第１のＴＦＣの反対側に接触ペーストと接触させて配置すること、を含む方法がさらに記載され、第１のＴＦＣおよび第２のＴＦＣの各々は、内部アノード、外部カソード、アノードとカソードの間に配置された電解質、およびインターコネクトを含み、アノードの断面は、角のとがっていない丸みを帯びた非円形形状であり、断面は、ＴＦＣの長手方向軸に直角であり、上記インターコネクトは、アノードと接触するがカソードとは接触せず、上記インターコネクトは、隣接するＴＦＣのカソードに接触するように構成された接触表面を有し、上記カソードは、別の隣接するＴＦＣのインターコネクトに接触するように構成された接触表面および非接触表面を有する。
一実施形態では、接触ペーストは、浸漬、コーティング、展延、噴霧、塗装、またはそれらの組み合わせにより適用される。一実施形態では、接触ペーストは、金、銀、白金、ニッケル、鉄、鋼、ステンレス鋼、クロム、コバルト、炭素、またはインコネルまたはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、接触ペーストは、燃料電池における電極のために使用される材料、または、燃料電池におけるインターコネクトのために使用される材料、または両方を含む。一実施形態では、ＴＦＣは、カソードと電解質の間またはアノードと電解質の間または両方にバリア層を含む。一実施形態では、アノードの非接触表面の面積に対するインターコネクトの接触表面の面積の比率は、１以下、または０．７５以下、または０．５以下、または０．３以下、または０．１以下、または０．０５以下である。一実施形態では、ＴＦＣは、長さＬを有し、断面は、Ｗの特性長を有し、Ｌ／Ｗの比率は、１以上、または２以上または１０以上または１００以上である。
一実施形態では、ＴＦＣは、アノード内にサポートを含む。一実施形態では、サポートは、アノードと接触する。一実施形態では、サポートは、アノードの一体部分である。一実施形態では、サポートおよびアノードは、同じ材料から製造される。
一実施形態では、方法は接触ペーストを加熱することを含む。一実施形態では、加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）の使用を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波を含む。一実施形態では、上記加熱することは、オーブン加熱、炉加熱、窯加熱、プラズマ加熱、高温表面加熱、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、加熱することは、伝導、対流、照射、またはそれらの組み合わせにより達成される。一実施形態では、上記加熱することは、焼結、共焼結、アニーリング、高密度化、固化、蒸発、乾燥、またはそれらの組み合わせを引き起こす。
統合熱交換器
第１の電極、第２の電極、第１の電極と第２の電極の間の電解質、および第１の熱交換器を含む、ＥＣガス発生器または固体酸化物反応器（ＳＯＲ）などの電気化学（ＥＣ）反応器が本明細書で開示され、第１の熱交換器は、第１の電極と流体連結される。第１の電極と第１の熱交換器の間の最小距離は、１０ｃｍ以下である。いくつかの実施形態では、最小距離は、５ｃｍ以下である。他の実施形態では、最小距離は、１ｃｍ以下である。さらに他の実施形態では、最小距離は、５ｍｍ以下である。なおさらに他の実施形態では、最小距離は、１ｍｍ以下である。一実施形態では、ＥＣ反応器は、第２の熱交換器を含み、第２の熱交換器は、第２の電極と流体連結される。第２の電極と第２の熱交換器の間の最小距離は、１０ｃｍ以下である。いくつかの実施形態では、最小距離は、５ｃｍ以下である。他の実施形態では、最小距離は、１ｃｍ以下である。さらに他の実施形態では、最小距離は、５ｍｍ以下である。なおさらに他の実施形態では、最小距離は、１ｍｍ以下である。
１つの実施形態では、第１の熱交換器は、第１の電極に隣接しており、または、あるいは、第２の熱交換器は、第２の電極と並んでいる、またはそれに隣接している。１つ以上の熱交換器は、ＥＣ反応器における構成要素と並んで、または、ＥＣ反応器の構成要素（すなわち、電極）の上または下に配置され得る。図９Ｂは、９１６および９１８を含む統合多流体熱交換器が、インターコネクト層９２０によってのみアノード９１０から分離される燃料電池における繰り返し単位／スタックの底部に存在する、実例である。この場合、熱交換器と繰り返し単位／スタックの間の最小距離は、インターコネクトの厚さにすぎず、それは、１ｍｍ以下、０．５ｍｍ以下、２００ミクロン以下、または約１００ｎｍ～約１００ミクロンの範囲である。いくつかの実施形態では、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、同じ熱交換器であり、熱交換器は、多流体熱交換器を形成する。ＥＣ反応器は、固体酸化物燃料電池、固体酸化物フロー電池、電気化学ガス発生器、または電気化学コンプレッサを含み得る。ＥＣ反応器は、第１の電極の上流の改質器または第１の電極と接触した改質器または第１の熱交換器内の改質器を含み得る。ＥＣ反応器は、インターコネクトにより分離された２つ以上の繰り返し単位を含んでよく、各繰り返し単位は、第１の電極、第２の電極、および電解質を含む。各繰り返し単位は、繰り返し単位に隣接する少なくとも１つの熱交換器を含み得る。
本明細書では、固体酸化物反応器（ＳＯＲ）などの、スタックおよび熱交換器を含むＥＣ反応器もまた開示される。スタックは、あるスタック高さを有し、インターコネクトにより分離された複数の繰り返し単位を含み、各繰り返し単位は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間の電解質を含む。熱交換器は、スタックと流体連結され、スタックと熱交換器の間の最小距離は、スタック高さの２倍以下、またはスタック高さ以下、またはスタック高さの半分以下である。熱交換器は、スタックに隣接してよい。熱交換器は、少なくとも３つの流体入口および少なくとも３つの流体チャネルを含み、少なくとも３つの流体チャネルの各々は、３０ｍｍ以下の最小寸法を有する。スタックまたは熱交換器は、改質器をさらに含み得る。改質器は、スタックまたは熱交換器に組み込まれ得る。一実施形態では、インターコネクトは、流体分散要素を含まず、電極は、流体分散構成要素または流体チャネルを含む。
一実施形態では、ＥＣ反応器は、カートリッジの形態である（図９Ａ－９Ｄで示されるものなど）。カートリッジは、カートリッジの燃料側の燃料入り口、カートリッジの酸化剤側の酸化剤入り口、少なくとも１つの流体出口を含んでよく、燃料入り口は、Ｗｆの幅を有し、カートリッジの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入り口は、Ｗｏの幅を有し、カートリッジの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有し、Ｗｆ／Ｌｆは、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏは、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にある。いくつかの実施形態では、入り口および出口は、カートリッジの１つの表面上にあり、カートリッジは、表面上に突出した流路を含まない。カートリッジは、あわせ面に着脱可能に固定されてよく、あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。カートリッジは、あわせ面にボルトで固定され、または、加圧され得る。あわせ面は、整合燃料入り口、整合酸化剤入り口、および少なくとも１つの整合流体出口を含み得る。
第１の電極、第２の電極、第１の電極と第２の電極の間の電解質、および熱交換器を含む固体酸化物反応器カートリッジ（ＳＯＲＣ）などの、ＥＣ反応器カートリッジが、本明細書でさらに開示され、上記熱交換器は、第１の電極または第２の電極または両方と流体連結される。熱交換器と第１の電極または第２の電極の間の最小距離は、１０ｃｍ以下、または５ｃｍ以下、または１ｃｍ以下、または５ｍｍ以下、または１ｍｍ以下である。
一実施形態では、ＥＣ反応器カートリッジは、第１の電極の上流の改質器または第１の電極と接触した改質器または熱交換器内の改質器を含む。ＥＣ反応器カートリッジは、カートリッジの燃料側の燃料入り口、カートリッジの酸化剤側の酸化剤入り口、少なくとも１つの流体出口を含んでよく、燃料入り口は、Ｗｆの幅を有し、カートリッジの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入り口は、Ｗｏの幅を有し、カートリッジの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有する。Ｗｆ／Ｌｆの比率は、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあり、Ｗｏ／Ｌｏの比率は、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にある。入り口および出口は、カートリッジの１つの表面上に存在してよく、カートリッジは、表面上に突出した流路を含まない。ＥＣ反応器カートリッジは、あわせ面に着脱可能に固定されてよく、あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。
本明細書では、装置内で第１の電極を形成すること、同じ装置内で電解質を形成すること、同じ装置内で第２の電極を形成すること、および、同じ装置内で熱交換器を形成することを含む、固体酸化物反応器（ＳＯＲ）などのＥＣ反応器を形成する方法が記載され、電解質は、第１の電極と第２の電極の間に存在し、電極と接触する。熱交換器は、第１の電極または第２の電極または両方と流体連結され得る。形成する方法は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、エアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、直接（乾燥）粉末堆積、またはそれらの組み合わせの１つ以上を含み得る。好ましくは、形成することは、インクジェット印刷により達成される。
一実施形態では、ＥＣ反応器を形成する方法は、ＥＣ反応器を加熱することをさらに含む。加熱することは、その場で実施され得る。加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して実施され得る。ＥＣ反応器を形成する方法は、複数の繰り返し単位および繰り返し単位間のインターコネクトを形成することをさらに含んでよく、繰り返し単位は、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む。一実施形態では、繰り返し単位およびインターコネクトを形成することは、同じ装置内で起こる。好ましい実施形態では、方法は、繰り返し単位およびインターコネクトをその場で、ＥＭＲを使用して加熱することを含む。好ましい実施形態では、方法は、改質器を形成することをさらに含む。改質器は、同じ装置内で形成され得る。
一実施形態では、ＥＣ反応器内のインターコネクトは、流体分散要素を含まない。一実施形態では、ＥＣ反応器を形成する方法は、第１の電極を形成する間に第１の型板を形成することであって、第１の型板が第１の電極と接触する、形成すること；第１の型板の少なくとも一部を除去して第１の電極内にチャネルを形成させること、を含む。方法は、第２の電極を形成する間に第２の型板を形成することであって、第２の型板が第２の電極と接触する、形成すること；第２の型板の少なくとも一部を除去して第２の電極内にチャネルを形成させること、をさらに含む。一実施形態では、第１の電極は、流体分散構成要素（ＦＤＣ）または流体チャネルを含み；第２の電極は、流体分散構成要素（ＦＤＣ）または流体チャネルを含む。
一実施形態では、ＳＯＲなどのＥＣ反応器は、カートリッジに形成される。カートリッジは、カートリッジの燃料側の燃料入り口、カートリッジの酸化剤側の酸化剤入り口、少なくとも１つの流体出口を含み、燃料入り口は、Ｗｆの幅を有し、カートリッジの燃料側は、Ｌｆの長さを有し、酸化剤入り口は、Ｗｏの幅を有し、カートリッジの酸化剤側は、Ｌｏの長さを有する。Ｗｆ／Ｌｆの比率は、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にあってよく、Ｗｏ／Ｌｏの比率は、０．１～１．０、０．１～０．９、０．２～０．９、０．５～０．９、または０．５～１．０の範囲にある。一実施形態では、入り口および出口は、カートリッジの１つの表面上にあり、上記カートリッジは、上記表面上に突出した流路を含まない。一実施形態では、カートリッジは、あわせ面に取り外し可能に固定され、あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。カートリッジは、あわせ面にボルトで固定され、または加圧され得る。一実施形態では、方法は、第１の電極の上流の改質器または第１の電極と接触した改質器または熱交換器内の改質器を形成することを含む。改質器は、同じ装置内で形成され得る。
ＥＣ反応器スタックおよび熱交換器を形成することを含む方法もまた、本明細書で開示され、あるスタック高さを有するスタックは、インターコネクトにより分離された複数の繰り返し単位を含み、各繰り返し単位は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極の間の電解質を含む。熱交換器は、スタックと流体連結され得、スタックと熱交換器の間の最小距離は、スタック高さの２倍以下、またはスタック高さ以下、またはスタック高さの半分以下である。
一実施形態では、ＳＯＲなどのＥＣ反応器スタック、および熱交換器は、同じ装置内で形成される。方法は、スタックおよび熱交換器をカートリッジに形成することを含み得る。カートリッジは、あわせ面に着脱可能に固定されてよく、あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。
本明細書では、第１の電極、第２の電極、第１の電極と第２の電極の間の電解質、および熱交換器を含む、ＳＯＲなどのＥＣ反応器を形成することを含む方法が、さらに記載される。熱交換器は、第１の電極または第２の電極または両方と流体連結され得る。熱交換器と第１の電極または第２の電極の間の最小距離は、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、または１ｍｍ以下である。場合によっては、電極、電解質、および熱交換器は、同じ装置内で形成される。場合によっては、方法はまた、ＥＣ反応器をカートリッジに形成することを含む。カートリッジは、あわせ面に着脱可能に固定されてよく、あわせ面にはんだ付けも溶接もされない。
第１の電極を形成すること、第２の電極を形成すること、第１の電極と第２の電極の間の電解質を形成すること、および熱交換器を形成することを含む、ＥＣ反応器カートリッジを形成することを含む方法が、本明細書で開示される。一実施形態では、熱交換器は、第１の電極または第２の電極または両方と流体連結される。一実施形態では、電極、電解質、および熱交換器は、同じ装置内で形成される。一実施形態では、方法は、第１の電極の上流の改質器または第１の電極と接触した改質器または熱交換器内の改質器を形成することを含む。一実施形態では、改質器は、同じ装置内で形成される。
フィッシャー・トロプシュ
この開示の方法およびシステムは、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）触媒または触媒複合物などの、触媒または触媒複合物を製造するのに好適である。触媒および基材を含むフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）触媒複合物が本明細書で開示され、触媒と基材の間の質量比は、１／１００以上、または１／１０以上、または１／５以上、または１／３以上、または１／１以上である。一実施形態では、触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＲｕを含む。基材は、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、改質Ａｌ２Ｏ３、改質ＺｒＯ２、改質ＳｉＯ２、改質ＴｉＯ２、改質ＣｅＯ２、ガドリニウム、鋼、コーディエライト（２ＭｇＯ－２Ａｌ２Ｏ３－５ＳｉＯ２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、全ての相の酸化アルミニウム、イットリアもしくはスカンジア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアまたはサマリアドープセリア、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、触媒複合物は、促進剤を含み、促進剤は、貴金属、金属カチオン、またはそれらの組み合わせを含む。促進剤は、Ｂ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｋ、Ｃｕ、またはそれらの組み合わせを含み得る。一実施形態では、触媒複合物は、流体チャネルまたはその代わりに流体分散構成要素を含む。
この開示のＦＴ反応器／システムは、従来のＦＴ反応器／システムよりずっと小さい（例えば、同じＦＴ生成物生成速度について、３－１００倍小さいまたは１００＋倍小さい）。高い触媒対基材比は、ＦＴ触媒を製造する従来の方法により達成できない。そのようなものとして、いくつかの実施形態では、ＦＴ反応器／システムは、従来のＦＴ反応器／システムと比べて小型化される。
ＦＴ触媒を基材に対し堆積させてＦＴ触媒複合物を形成させることを含む方法もまた、本明細書で記載され、上記堆積させることは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、触媒と基材の間の質量比は、１／１００以上、または１／１０以上、または１／５以上、または１／３以上、または１／１以上である。好ましい実施形態では、堆積方法は、流体チャネルまたはその代わりに流体分散構成要素を触媒複合物内に形成させることを含む。
本明細書では、触媒および基材を含むＦＴ触媒複合物を含むフィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）反応器を含むシステムがさらに記載され、触媒と基材の間の質量比は、１／１００以上、または１／１０以上、または１／５以上、または１／３以上、または１／１以上である。一実施形態では、触媒は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＲｕを含む。一実施形態では、基材は、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２、改質Ａｌ２Ｏ３、改質ＺｒＯ２、改質ＳｉＯ２、改質ＴｉＯ２、改質ＣｅＯ２、ガドリニウム、鋼、コーディエライト（２ＭｇＯ－２Ａｌ２Ｏ３－５ＳｉＯ２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、全ての相の酸化アルミニウム、イットリアもしくはスカンジア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニアまたはサマリアドープセリア、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、触媒複合物は、促進剤を含む。
一例として、ＦＴ触媒複合物は、印刷により形成される。触媒および基材／担体は、溶媒および粒子（例えば、ナノ粒子）を含むインク形態に製造される。インクは任意で、分散剤、バインダ、可塑剤、界面活性剤、共溶媒、またはそれらの組み合わせを含む。インクは、任意の種類の懸濁液であってよい。インクは、超音波処理または高せん断混合などの混合プロセスを用いて処理され得る。場合によっては、鉄インクは、水性環境にある。場合によっては、鉄インクは、有機環境にある。鉄インクはまた、促進剤を含み得る。基材／担体は、水性環境または有機環境における、アルミナの懸濁液またはインクであってよい。基材インクは、超音波処理または高せん断混合などの混合プロセスを用いて処理され得る。場合によっては、基材インクは、促進剤を含む。場合によっては、促進剤は、水性環境または有機環境におけるそれ自体のインクとして添加される。場合によっては、様々なインクが別々に、かつ、順次印刷される。場合によっては、様々なインクが別々に、かつ、同時に、例えば、異なるプリントヘッドを介して印刷される。場合によっては、様々なインクが、混合物として組み合わせで印刷される。
一例として、燃料電池からの排気は、水素、二酸化炭素、水、任意で一酸化炭素を含む。排気は、ＦＴ触媒（例えば、鉄触媒）上を通過し、合成燃料または潤滑剤を生成する。ＦＴ鉄触媒は、水性ガスシフト反応または逆水性ガスシフト反応を促進する特性を有する。ＦＴ反応は、１５０－３５０℃の範囲の温度、および、１～数十気圧（例えば、１５ａｔｍまたは１０ａｔｍまたは５ａｔｍまたは１ａｔｍ）の範囲の圧力で起こる。追加の水素が、排気ストリームに添加され得、２以上または３以上または２と３の間の水素対酸化炭素比（二酸化炭素および一酸化炭素）に到達する。
流体分散構成要素
図１２Ａは、本開示の一実施形態による、流体分散構成要素１２０４を有する不透過性インターコネクト１２０２を示す。図１２Ｂは、本開示の一実施形態による、２つの流体分散構成要素１２０４を有する不透過性インターコネクト１２０２を示す。流体分散構成要素１２０４は、インターコネクト１２０２の両側（主面）と接触する。そのようなものとして、インターコネクトは、電気化学反応器内、例えばＥＣガス発生器内において２つの繰り返し単位間で共有される。流体分散構成要素１２０４は、電気化学反応器において、流体、例えば、反応性ガス（例えばメタン、水素、一酸化炭素、空気、酸素、など）を分配するように機能する。そのようなものとして、チャネルを有する従来のインターコネクトは、もはや必要とされない。チャネルを有するそのような従来のインターコネクトの設計および製造は、複雑で費用がかかる。この開示によれば、インターコネクトは、電子を伝導しまたは収集し、流体分散要素を有しない、単なる不透過性層である。
図１２Ｃ－Ｆは、本開示の実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２の上面の分割型流体分散構成要素１２０４を概略的に示す。そのようなセグメントは、異なる組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し得る。セグメントは、不連続であってよい。図１３Ｃは、不透過性インターコネクト１２０２上の、同様の形状であるがサイズが異なる分割型流体分散構成要素１２０４を示す。図１３Ｄは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の、同様の形状および同様のサイズの分割型流体分散構成要素１２０４を示す。図１２Ｅは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の同様の形状および同様のサイズであるが、ぎっしり詰まっている分割型流体分散構成要素１２０４を示す。図１２Ｆは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２上の、異なる形状および異なるサイズの分割型流体分散構成要素１２０４を示す。これらのセグメントが、異なる組成物、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有することもまた、企図される。
図１２Ｇ－Ｉは、本開示の実施形態による、流体分散構成要素１２０４を有する、不透過性インターコネクト１２０２を概略的に示す。異なる流体入口および出口設計が、さらに示される。流体分散構成要素は、異なる部分において（例えば、横方向または横方向に垂直）様々な密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、組成物、または透過性、またはそれらの組み合わせを有し得る。そのような可変性は、流体分散構成要素における流体流の制御および調整性を提供する。図１２Ｇは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素１２０４を示す。図１２Ｈは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素１２０４を示す。図１２Ｉは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素１２０４を示す。図１２Ｇ－Ｉにおける１２０６および１２０８は、本開示の実施形態による、異なる入口および出口設計を表す。インターコネクト１２０２は、各構成のための整合入口および出口を有する。図１２Ｉでは、１２０６は、流体入口を表し、１２０８は、流体出口を表す。流体流は、矢印１２１０により示される。図１２Ｊは、本開示の一実施形態による、不透過性インターコネクト１２０２および流体分散構成要素１２０４を示す。矢印により示される別の流体流設計が、図１２Ｊでさらに示される。例えば、流体は、左から右へ流体分散構成要素を横切って流れ得；または、流体は、前から後へ流体分散構成要素を横切って流れ得る。
図１２Ｋは、本開示の一実施形態による、流体分散構成要素１２０４を示す。流体分散構成要素１２０４設計は、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤと標識された４つの角を含む。位置Ａは、流体流入口１２１２を含む。位置Ｂは、流体流出口１２１４を含む。
本明細書では、流体分散要素を有しない不透過性インターコネクト、電解質、インターコネクトと電解質の間の流体分散構成要素（ＦＤＣ）を含む電気化学反応器（例えば、燃料電池）が記載される。一実施形態では、燃料電池は、２つのＦＤＣを含む。２つのＦＤＣは、インターコネクトと接触して、その対向する側にまたは主面に対向して、対称的に配置され得る。そのようなものとして、インターコネクトは、電気化学反応器において２つの繰り返し単位の間で共有され、各繰り返し単位は、２つのＦＤＣの１つを含む。ＦＤＣは、フォーム、連続気泡フォームであってよく、または、格子構造を含む。
好ましい実施形態では、ＦＤＣは、分割型であり、セグメントは、異なる組成物、材料、形状、サイズ、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有する。セグメントの形状は、柱、中空円筒、立方体、長方形直方体、三方偏方面体、四角錐台、平行六面体、双三角錐、反くさび正方晶、角錐、五角すい、角柱、またはそれらの組み合わせを含み得る。
いくつかの実施形態では、ＦＤＣは、様々な密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、または透過性またはそれらの組み合わせは、制御される。いくつかの実施形態では、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、または透過性またはそれらの組み合わせは、ＦＤＣを通る流体の流れを調整するように制御される。他の実施形態では、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、または透過性またはそれらの組み合わせは、ＦＤＣ内の第１の点からＦＤＣ内の第２の点への均一な流体流を引き起こすように制御される。流体流パターンは、要望通り調整され得る。例えば、それは、均一である必要はない。流体流は、ＦＤＣの反応性またはＦＤＣの様々な部分における流体の反応速度により増加または減少され得る。あるいは、および／または、組み合わせて、流体流は、ＦＤＣの様々な部分におけるアノードまたはカソードへの流体流速により増加または減少され得る。あるいは、および／または、組み合わせて、流体流は、ＦＤＣの様々な部分と関連する、または接触するアノードまたはカソードにおける反応速度により増加または減少され得る。
一実施形態では、密度は、ＦＤＣの中央でより高い。一実施形態では、密度は、ＦＤＣの中央でより低い。一実施形態では、多孔度または透過性または細孔スロートサイズは、ＦＤＣの中央に向かってより低くなる。一実施形態では、多孔度または透過性または細孔スロートサイズは、ＦＤＣの中央に向かってより高くなる。
一実施形態では、ＦＤＣの少なくとも一部は、アノードの部分またはカソードの部分である。好ましい実施形態では、ＦＤＣは、アノードまたはカソードである。一実施形態では、不透過性インターコネクトは、１０ミクロン以下、または１ミクロン以下、または５００ｎｍ以下の厚さを有する。好ましい実施形態では、不透過性インターコネクトは、流体のための入口および出口を含む。好ましい実施形態では、流体は、燃料電池のための反応物を含む。
本明細書では、（ａ）流体分散要素を有しない不透過性インターコネクトを形成すること；（ｂ）電解質を形成すること；（ｃ）流体分散構成要素（ＦＤＣ）を形成すること；ならびに（ｄ）ＦＤＣをインターコネクトと電解質の間に配置すること、を含む、燃料電池を製造する方法もまた開示される。
一実施形態では、ＦＤＣは、多重セグメントを作製すること、およびセグメントを組立てることにより形成される。セグメントは、異なる組成物、材料、形状、サイズ、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し、形状は、柱、中空円筒、立方体、長方形直方体、三方偏方面体、四角錐台、平行六面体、双三角錐、反くさび正方晶、角錐、五角すい、角柱、またはそれらの組み合わせを含む。ＦＤＣは、フォーム、連続気泡フォームであってよく；または格子構造を含む。
好ましい実施形態では、ＦＤＣを形成する方法は、様々な密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、方法は、ＦＤＣの密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを制御することを含む。方法は、ＦＤＣの密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを制御して、ＦＤＣを通る流体の流れを調整することを含み得る。方法は、ＦＤＣの密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを制御して、ＦＤＣ内の第１の点からＦＤＣ内の第２の点への均一な流体流を引き起こすことを含み得る。方法は、ＦＤＣの密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを制御して、ＦＤＣ内の第１の点からＦＤＣ内の第２の点へのパターニングされた流体流を引き起こすことを含み得る。
流体流パターンは、要望通り調整され得る。例えば、それは、均一である必要はない。流体流は、ＦＤＣの反応性またはＦＤＣの様々な部分における流体の反応速度により増加または減少され得る。あるいは、および／または、組み合わせて、流体流は、ＦＤＣの様々な部分におけるアノードまたはカソードへの流体流速により増加または減少され得る。あるいは、および／または、組み合わせて、流体流は、ＦＤＣの様々な部分と関連する、または接触するアノードまたはカソードにおける反応速度により増加または減少され得る。
一実施形態では、工程（ｃ）は、使用される材料の様々な組成物を変化させてＦＤＣを形成することを含む。一実施形態では、工程（ｃ）は、使用される様々な粒子サイズを変化させてＦＤＣを形成することを含む。一実施形態では、工程（ｃ）は、ＦＤＣの異なる部分を異なる温度に加熱することを含む。一実施形態では、上記加熱することは、電磁放射線（ＥＭＲ）を含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザーまたは電子ビームの１つ以上を含む。
一実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）または工程（ｂ）－（ｄ）は、付加製造（ＡＭ）を使用して実施される。様々な実施形態では、ＡＭは、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積または積層またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、ＦＤＣを形成する方法は、ＦＤＣおよび電解質の収縮速度が釣り合うように、または、インターコネクト、ＦＤＣ、および電解質の収縮速度が釣り合うように、燃料電池を加熱することを含む。好ましい実施形態では、加熱することは、ＥＭＲを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザーまたは電子ビームまたはそれらの組み合わせを含む。好ましい実施形態では、加熱することは、その場で実施される。好ましい実施形態では、加熱することは、３０分以下、または３０秒以下、または３０ミリ秒以下の間起こる。
好ましい実施形態では、ＦＤＣの少なくとも一部は、アノードの部分またはカソードの部分である。好ましい実施形態では、ＦＤＣは、アノードまたはカソードである。好ましい実施形態では、不透過性インターコネクトは、１０ミクロン以下、または１ミクロン以下、または５００ｎｍ以下の厚さを有する。好ましくは、不透過性インターコネクトは、流体のための入口および出口を含む。より好ましくは、流体は、燃料電池のための反応物を含む。
溝付電極
型板を提供することであって、型板が電極材料と接触する、提供すること；ならびに、型板の少なくとも一部を除去して、電極材料において、例えば、ＥＣガス発生器においてチャネルを形成させること、を含む方法が、本明細書で開示される。図１３Ａは、本開示の一実施形態による、溝付電極を製造するための型板１３００を示す。そのような型板は、酸化、溶融、気化、還元、または任意の好適な手段により、電気化学反応器が製造された後、または、反応器の利用の開始時のいずれかで除去され得る。
一実施形態では、溝付電極材料は、ＮｉＯ、ＹＳＺ、ＧＤＣ、ＬＳＭ、ＬＳＣＦ、またはそれらの組み合わせを含む。溝付電極材料は、カソードまたはアノードのために本明細書で前に記載された任意の材料を含み得る。一実施形態では、型板を提供することは、型板または組立てられて型板を形成する前駆体を印刷することを含む。型板を提供することは、１つ以上のモノマーまたは光開始剤、または両方を重合することを含む。一実施形態では、方法は、内部または外部技術により、モノマーおよび／またはオリゴマーを硬化させることを含む。様々な実施形態では、内部技術は、フリーラジカル分子開始、および／またはその場還元／酸化による開始による重合を含む。様々な実施形態では、外部技術は、開始種を形成させるための光分解、電離放射線への曝露、（超）音波処理および熱分解を含む。好ましい実施形態では、上記硬化は、ＵＶ硬化を含む。一実施形態では、方法は、重合剤を添加することを含み、重合剤は、光開始剤を含む。一実施形態では、重合剤は、モノマーの上面に印刷され、またはモノマーの各片内に印刷される。
一実施形態では、型板を提供することは、型板を印刷する前にモノマーインク中に金属酸化物粒子を分散させることを含む。一実施形態では、金属酸化物は、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（サマリアドープセリア）、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、上記モノマーは、アルコール、アルデヒド、カルボン酸、エステル、および／またはエーテル官能基を含む。一実施形態では、上記型板は、ＮｉＯ、Ｃｕ（Ｉ）Ｏ、Ｃｕ（ＩＩ）Ｏ、有機化合物、フォトポリマ、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、型板の少なくとも一部を除去することは、加熱、燃焼、溶媒処理、酸化、還元、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、燃焼は、堆積物を残さず、爆発性ではない。一実施形態では、還元が、金属酸化物において起こり、多孔性型板を生成する。一実施形態では、型板を提供する方法は、その場で加熱することを含む。
一実施形態では、型板および電極材料が、一片ずつ印刷され、第２の薄片が、第１の薄片の上に印刷され、その後第１の薄片が、加熱され、加熱は、型板の少なくとも一部を除去する。一実施形態では、加熱は、ＥＭＲを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームの１つ以上を含む。
一実施形態では、チャネルおよび電極材料が、電極層を形成する。一実施形態では、チャネルは、電極層内に規則的な軌道を有する。例えば、チャネルは、互いに平行である。チャネルは、電極層の１つの端、縁、または角から、対向端、縁、または角へと延びてよい。チャネルは、電極の１つの端、縁、または角から、９０°曲がって、別の端、縁、または角へと延びてよい。チャネルは、電極層内でランダム軌道を有する。例えば、チャネルは、規則性のない蛇行軌道を有し得る。チャネルは、１を超える入口点および１を超える出口点を有し得る。１を超える入口点および１を超える出口点が、電極層にわたり分布される。電極層内のチャネルの入口点および出口点は、電極層のいずれの側にあってもよく、上面または側および底面または側を含む。
いくつかの実施形態では、電極層における型板の体積分率は、５％－９５％、または１０％－９０％、または２０％－８０％、または３０％－７０％、または４０％－６０％の範囲にある。電極層におけるチャネルの体積分率は、１０％－９０％、または２０％－８０％、または３０％－７０％、または４０％－６０％の範囲にある。チャネルを有する電極層の総有効多孔度は好ましくは、２０％－８０％、または３０％－７０％、または４０％－６０％の範囲にある。チャネルを有する電極層のそのような総有効多孔度は、電極材料の多孔度以上である。チャネルを有する電極層の蛇行は、電極材料の自然蛇行以下である。
好ましい実施形態では、ガスチャネルは、電極層の高さに及ぶ。ガスチャネルは、電極層の高さ未満の高さを占めてもよい。一例として、電極層は、約５０ミクロンの厚さである。一実施形態では、ガスチャネル幅は、１０ミクロン以上である。一実施形態では、ガスチャネル幅は、１００ミクロン以上である。
下記を含む方法もまた、本明細書で記載される：（ａ）第１の電極層を形成させるために第１の型板および第１の電極材料を印刷することであって、第１の型板が第１の電極材料と接触する、印刷すること；（ｂ）電解質層を印刷すること；（ｃ）第２の電極層を形成させるために第２の型板および第２の電極材料を印刷することであって、第２の型板が第２の電極材料と接触する、印刷すること；ならびに、（ｄ）インターコネクトを印刷すること。好ましい実施形態では、工程は、任意の順序で実施される。好ましい実施形態では、方法は、工程（ａ）－（ｄ）を任意の順序で繰り返して、スタックまたはスタックの繰り返し単位を形成することを含む。
一実施形態では、方法は、（ｅ）第１の型板および第２の型板の少なくとも一部を除去して、第１および第２の電極層内にチャネルを形成させることを含む。一実施形態では、除去は、加熱、燃焼、溶媒処理、酸化、還元、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、除去は、その場で起こる。除去は、スタックまたはスタックの繰り返し単位が印刷された後に起こり得る。除去は、スタックが動作を開始された時に起こり得る。一実施形態では、印刷は、一片ずつ起こり、第２の薄片は、第１の薄片の上に印刷され、その後第１の薄片が、加熱され、加熱は、型板の少なくとも一部を除去する。印刷する工程は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。
本明細書では、下記を含む方法がさらに記載される：（ａ）第１の電極層を印刷すること；（ｂ）電解質層を印刷すること；（ｃ）第２の電極層を印刷すること；ならびに（ｄ）インターコネクトを印刷すること。一実施形態では、印刷することは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷を含む。好ましい実施形態では、工程は、任意の順序で実施される。好ましい実施形態では、方法は、工程（ａ）－（ｄ）を任意の順序で繰り返して、スタックまたはスタックの繰り返し単位を形成することを含む。電極層、または電解質層、またはインターコネクト、またはそれらの組み合わせをエアロゾル噴射またはエアロゾルジェット印刷することを含む方法もまた、本明細書で開示される。
図１３Ｂは、本開示の一実施形態による、第１のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。図１３Ｂにおけるスタックは、底部／第１のインターコネクト１３０１、底部インターコネクト材料および第１の電極材料を含む任意的な層１３０２、第１の電極セグメント１３０３、第１の型板１３０４を形成する第１のフィラー材料および電解質１３０５を含む。
図１３Ｃは、本開示の一実施形態による、第２のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。半電池は、電解質１３０５、第２の電極セグメント１３０６、第２の型板１３０７を形成するフィラー材料および上部／第２のインターコネクト１３０８を含む。図１３Ｂおよび図１３Ｃにおいて示される図は、互いに垂直である。
図１３Ｄは、本開示の一実施形態による、第１のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。半電池は、底部インターコネクト１３０１、底部インターコネクト材料および第１の電極材料を含む任意的な層１３０２、第１の電極セグメント１３０３、第１の型板を形成する第１のフィラー材料１３０４、電解質１３０５および第１の電極が加熱されおよび／または焼結される時の第１のフィラー材料のための任意的なシールド１４０９を含む。
図１３Ｅは、本開示の一実施形態による、第２のインターコネクトと電解質の間の半電池の断面図である。半電池は、電解質１３０５、第２の電極セグメント１３０６、第２の型板を形成するフィラー材料１３０７、上部インターコネクト１３０８および、上部インターコネクトが加熱されおよび／または焼結される時の第２のフィラー材料のための任意的なシールドを含む。図１３Ｄおよび図１３Ｅに示される図は、互いに垂直である。
いくつかの実施形態では、１３０７と１３０８の間に層があり（図示せず）、それは、上部インターコネクト材料および第２の電極材料を含む。いくつかの実施形態では、１３０５は、第１の電極または第２の電極のためのバリアを有する電解質を表す。１３０９は、第１の電極が加熱され／焼結される時の第１のフィラーのための任意的なシールドを表す。１３１０は、上部インターコネクトが加熱され／焼結される時の第２のフィラーのための任意的なシールドを表す。場合によっては、電解質１３０５または電解質－バリア層は、第１の電極と、および、その対向する主面に沿って連続して第２の電極と接触する。これらの断面図における電極セグメントおよびフィラーの形状は、代表にすぎず、正確ではない。それらは、任意の規則または不規則形状をとり得る。電気化学反応器が（例えば、燃料電池スタックまたはガス発生器）、例えば、炉内加熱により製造される時に、フィラーおよび／または型板が除去される。またはその代わりに、それらは、電気化学反応器が熱ガス／流体通過により動作を開始するときに、酸化、溶融、気化、気化、還元、またはそれらの組み合わせの効果を使用して除去される。これらの除去されたフィラーおよび／または型板は、電極内のチャネルになる。様々な実施形態では、チャネルの複数の列が、電極内に存在する。実例では、電極は、２５ミクロンの厚さであり、２０ミクロンの高さを有する多重チャネルを有する。別の実例では、電極は５０ミクロンの厚さであり、２列の多重チャネルを有し、チャネルの各列は、２０ミクロンの高さを有する。様々な実施形態では、フィラーは、炭素、グラファイト、グラフェン、セルロース、金属酸化物、ポリメチルメタクリレート、ナノダイヤモンド、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、インターコネクト、第１の電極、電解質、および第２の電極を含む、電気化学反応器における単位は、この方法：インターコネクトを提供すること、第１の電極材料をセグメントでインターコネクト上に堆積させること、第１の電極材料を焼結させること、第１の電極材料セグメント間に第１のフィラー材料を堆積させること、追加の第１の電極材料を堆積させ、フィラー材料を被覆すること、追加の第１の電極材料を焼結させ、かつ第１の電極を形成すること、第１の電極上に電解質材料を堆積させること、電解質材料を焼結させて電解質を形成すること、多重谷部が第２の電極材料内に形成されるように第２の電極材料を電解質上に堆積させること、第２の電極材料を焼結させて第２の電極を形成させること、第２のフィラー材料を第２の電極の谷部内に堆積させること、第２のインターコネクト材料を堆積させて第２の電極および第２のフィラー材料を被覆すること、ならびに第２のインターコネクト材料を焼結させること、により製造される。様々な実施形態では、堆積は、インクジェット印刷または超音波インクジェット印刷を使用して実施される。様々な実施形態では、焼結は、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して実施される。場合によっては、第１のおよび第２のフィラー材料は、ほとんど～全くＥＭＲを吸収せず；吸収は、大変小さいので、フィラー材料は測定可能な変化を有しない。場合によっては、シールドが、第１のフィラー材料または第２のフィラー材料または両方を被覆するように堆積され、そのため上面の層のための加熱および／または焼結プロセスは、第１のフィラー材料または第２のフィラー材料または両方において測定可能な変化を引き起こさない。場合によっては、シールドは、ＹＳＺ、ＳＤＣ、ＳＳＺ、ＣＧＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＬＳＭ、ＬＳＣＦ、ランタンクロマイト、ステンレス鋼、ＬＳＧＭ、またはそれらの組み合わせを含む。
二重多孔度電極
図１４Ａ－Ｄは、ＥＣガス発生器などの電気化学反応器において使用され得る、詳細に示された１、２または３つの層を有する、二重多孔度を有する電極の様々な実施形態を示す。図１４Ａは、本開示の一実施形態による、第１の層における流体分散構成要素のセグメントを概略的に示す。第１の層１４００は、流体分散構成要素セグメント１４０２を含む。セグメント１４０２は、異なる組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し得る。チャネルを含む層１４００に対するチャネルの体積分率（ＶＦｃ）もまた、示される。本明細書では、材料およびチャネルを含むＥＣ反応器における電極が記載され、材料およびチャネルは、第１の層多孔度を有する電極内の第１の層を形成する。材料は、材料多孔度を有する。チャネルは、体積分率ＶＦｃを有し、これは、チャネルの体積と第１の層の体積の間の比率である。第１の層多孔度は、全体としての第１の層の平均多孔度を示す。第１の層多孔度は、材料多孔度より少なくとも５％大きい。ＶＦｃは、０－９９％、または１－３０％、または１０－９０％、または５－５０％、または３－３０％、または１－５０％の範囲にある。ＶＦｃは、５％、または１０％、または２０％、または３０％、または４０％、または５０％以上である。
図１４Ｂは、本開示の一実施形態による、電極における、第２の層と一緒の第１の層における流体分散構成要素を概略的に示す。図１４Ｂにおける電極実施形態は、流体分散構成要素セグメント１４０５の第１の層１４０４および第２の層１４０６を示す。図１４Ｂに示されるセグメントは、異なる組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し得る。電極は、第２の層を含み、第２の層は、第２の層多孔度を有する。第２の層多孔度は、全体としての第２の層の平均多孔度を示す。一実施形態では、上記第２の層多孔度は、第１の層多孔度以下であり、または、第２の層多孔度は、第１の層多孔度以上である。第２の層１４０６は、第１の層と同じ材料を含み得る。第２の層１４０６はまた、横方向で、または横方向に垂直に、組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせにおいて変動性を含み得る。
図１４Ｄは、本開示の一実施形態による、第２の層１４１２と一緒の、第１の層における流体分散構成要素１４０８を概略的に示す。図１４Ｄにおける電極実施形態は、図１４Ｂにおける実施形態と同様である。図１４Ｄにおける電極は、流体分散構成要素セグメント１４１０をさらに含む第１の層１４０８を含み、セグメント１４１０は、異なる組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有し得る。第２の層１４１２は、第１の層と同じ材料を含み得る。第２の層１４１２はまた、横方向で、または横方向に垂直に、組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせにおいて変動性を含み得る。
図１４Ｃは、本開示の一実施形態による、第２および第３の層と一緒の第１の層における流体分散構成要素を概略的に示す。図１４Ｃにおける電極実施形態は、第１の層１４１４、第２の層１４１６および第３の層１４１８を含む。一実施形態では、第２の層および第３の層は、第１の層の両側に存在する。一実施形態では、第２の層および第３の層は、第１の層の両側と連続接触している。第１の層１４１４は、異なる組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせを有するセグメント１４２０を含み得る。第２の層または第３の層は、第１の層と同じ材料を含み得る。第２の層または第３の層はまた、横方向で、または横方向に垂直に、組成物、形状、密度、多孔度、細孔サイズ、細孔形状、透過性、またはそれらの組み合わせにおいて変動性を含み得る。
一実施形態では、第１、第２、または第３の層の材料多孔度は、２０－６０％の範囲、３０－５０％の範囲、３０－４０％の範囲または２５－３５％の範囲にある。一実施形態では、材料多孔度は、２５％、または３５％、または４５％以上である。
一実施形態では、電極は、１０ｃｍ、または５ｃｍ、または１ｃｍ以下の厚さを有する。一実施形態では、電極は、８ｍｍ、または５ｍｍ、または１ｍｍ以下の厚さを有する。一実施形態では、電極は、１００ミクロン、または８０ミクロン、または６０ミクロン以下の厚さを有する。
一実施形態では、チャネルからの第１の層の透過性への寄与は、材料からの第１の層の透過性への寄与より大きい。一実施形態では、第１の層の透過性の５０％、または７０％、または９０％以上は、チャネルの透過性による。一実施形態では、第１の層における材料の透過性は、第１の層におけるチャネルの透過性の５０％以下、または１０％以下、または１％以下、または０．００１％以下である。
本明細書では、下記を含む電気化学反応器（例えば、燃料電池）の導電性構成要素（ＥＣＣ）を製造する方法が開示される：（ａ）基材上に第１の細孔形成剤体積分率ＶＦｐ１を有する第１の細孔形成剤を含む第１の組成物を堆積させること；（ｂ）基材上に第２の細孔形成剤体積分率ＶＦｐ２を有する第２の細孔形成剤を含む第２の組成物を堆積させることであって、上記第１の組成物および第２の組成物がＥＣＣにおける第１の層を形成する、堆積させること；ならびに、（ｃ）第１の細孔形成剤および第２の細孔形成剤が空いた空間を形成するように、第１の層を加熱すること。一実施形態では、上記ＶＦｐ１は、０－１００％、または１０－９０％、または３０－７０％、または５０－１００％、または９０－１００％の範囲にある。一実施形態では、ＶＦｐ２は、０－１００％、または０－７０％、または２５－７５％、または３０－６０％の範囲にある。一実施形態では、加熱することは、還元反応または酸化反応、または還元および酸化反応の両方を含む。
図１５は、本開示の一実施形態による、二重多孔度を有する電極の実例である。図１５は、二重多孔度を有する溝付電極を含むＥＣ構成要素１５００を示す。装置１５００は、アノードガス入口１５０１、アノードガス出口１５０２、カソードガス入口１５０３、およびカソードガス出口１５０４を含む。分解立体図１５０５は、カソード層の一部の図である。図１５０６は、カソードのより近づいた図であり、図１５０６は、カソード１５０７から構成されるカソード層を通る薄片を表す。カソード１５０７は、ミクロ細孔形成剤を用いて形成される多孔性カソードである。チャネル１５０８は、マクロ細孔形成剤から形成されるチャネルを表す。
一実施形態では、（ａ）および（ｂ）は、印刷により、または押出により、または付加製造（ＡＭ）により、またはテープキャスティングにより、または噴霧により、または堆積により、またはスパッタリングにより、またはスクリーン印刷により達成される。一実施形態では、上記付加製造は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層を含む。
一実施形態では、第１の細孔形成剤および第２の細孔形成剤は、同じである。一実施形態では、第１の細孔形成剤および第２の細孔形成剤は、異なる。一実施形態では、上記第１の細孔形成剤または第２の細孔形成剤は、１０ｎｍ～１ｍｍまたは１００ｎｍ～１００ミクロンまたは５００ナノメートル～５０ミクロンの範囲の平均直径を有する。一実施形態では、上記第１の細孔形成剤または第２の細孔形成剤は、サイズ分布を有する。一実施形態では、上記第１の細孔形成剤または第２の細孔形成剤は、炭素、グラファイト、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、セルロース、金属酸化物、またはそれらの組み合わせを含む。
一実施形態では、方法は、（ａ）および（ｂ）を繰り返して、ＥＣＣにおいて第２の層を形成すること；ならびに、第２の層を加熱することを含む。一実施形態では、第２の層を加熱することは、第１の層を加熱することと同時に起こる。一実施形態では、第２の層を加熱することは、第１の層を加熱することと異なる時に起こる。一実施形態では、第２の層を加熱することおよび第１の層を加熱することは、少なくとも一部の重なり期間を有する。一実施形態では、方法は、（ａ）および（ｂ）を繰り返して、ＥＣＣにおいて第３の層を形成すること；ならびに、第３の層を加熱することを含む。一実施形態では、第２の層および第３の層は、第１の層の両側に存在する。一実施形態では、第１、第２、および第３の層を加熱することは、同時である。あるいは、第１、第２、および第３の層は、異なる時間で加熱される。一実施形態では、第１、第２、および第３の層の加熱は、重なり期間を有する。一実施形態では、第１、第２、または第３の層は、２回以上加熱される。
一実施形態では、第２の細孔形成剤または第１の細孔形成剤または両方により引き起こされる空の空間の少なくとも一部は、第１の層内でチャネルになる。一実施形態では、チャネルは、体積分率ＶＦｃを有し、これはチャネルの体積と第１の層の体積の間の比率である。一実施形態では、上記ＶＦｃは、０－９９％または１－３０％または１０－９０％または５－５０％または３－３０％または１－５０％の範囲にある。一実施形態では、上記ＶＦｃは、５％または１０％または２０％または３０％または４０％または５０％以上である。
一実施形態では、ＶＦｐ１は、ＶＦｐ２とは異なる。一実施形態では、上記第１の層は、二重多孔度、材料多孔度および層多孔度を有する。一実施形態では、材料多孔度は、２０－６０％、または３０－５０％、または３０－４０％、または２５－３５％の範囲にある。一実施形態では、材料多孔度は、２５％または３５％または４５％以上である。
一実施形態では、ＥＣＣは、１０ｃｍまたは５ｃｍまたは１ｃｍ以下の厚さを有する。一実施形態では、ＥＣＣは、８ｍｍまたは５ｍｍまたは１ｍｍ以下の厚さを有する。一実施形態では、ＥＣＣは、１００ミクロンまたは８０ミクロンまたは６０ミクロン以下の厚さを有する。
一実施形態では、第１の層は、（ｃ）後にチャネルおよび材料を含み、チャネルからの第１の層の透過性への寄与は、材料からの第１の層の透過性への寄与より大きい。一実施形態では、第１の層の透過性の５０％または７０％または９０％以上は、チャネルの透過性による。一実施形態では、第１の層における材料の透過性は、第１の層におけるチャネルの透過性の５０％以下または１０％以下または１％以下または０．００１％以下である。
本明細書では、下記を含む方法が記載される：（ａ）第１の材料を付加製造機（ＡＭＭ）に提供すること；（ｂ）第２の材料をＡＭＭに提供すること；（ｃ）第１の材料および第２の材料を混合物へと混合すること；ならびに（ｄ）上記混合物を部品に形成すること。一実施形態では、上記第１の材料または第２の材料は、ガス、または液体、または固体、またはゲルである。
一実施形態では、上記付加製造は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層を含む。一実施形態では、上記ＡＭは、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、レーザーメタルデポジション（ＬＭＤ）、電子ビーム（ＥＢＡＭ）、または金属バインダ噴射を含む。一実施形態では、工程（ｃ）および（ｄ）は、連続して起こる。
一実施形態では、工程（ｃ）は、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を変化させることを含む。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、その場で変化する。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、リアルタイムで変化する。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、連続して変化する。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、組成プロファイルに従い変化する。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、マニュアルアルゴリズム、計算アルゴリズム、またはそれらの組み合わせに従い変化する。一実施形態では、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率は、材料流速またはポンピング速度を制御することにより変化される。
一実施形態では、工程（ｄ）は、上記混合物をパターンで基材上に配置することを含む。一実施形態では、工程（ｄ）は、上記混合物を予め決められた仕様に従い配置することを含む。
一実施形態では、形成された部品は、様々な特性を有する。一実施形態では、特性は、強度、重量、密度、電気性能、電気化学性能、またはそれらの組み合わせを含む。様々な実施形態では、形成された部品は、異なるプロセスにより形成された同様の部品と比べて、優れた特性、例えば強度、密度、重量、電気性能、または電気化学性能、またはそれらの組み合わせを有する。
一実施形態では、工程（ｄ）は、上記混合物を基材上に堆積させることを含む。一実施形態では、混合は、堆積前、堆積中、または堆積後に起こる。一実施形態では、混合は、ＡＭＭ内、または空気中、または基材上で起こる。一実施形態では、混合は、移流、分散、拡散、溶融、融合、ポンピング、撹拌、加熱、またはそれらの組み合わせにより起こる。
本明細書では、（ａ）第１の材料源；（ｂ）第２の材料源；ならびに（ｃ）第１の材料および第２の材料を混合して混合物にするように構成されたミキサ、を含む付加製造機（ＡＭＭ）が開示され；上記ＡＭＭは、上記混合物を部品に形成するように構成される。一実施形態では、上記第１の材料または第２の材料は、ガス、または液体、または固体、またはゲルである。
一実施形態では、上記ＡＭＭは、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、または積層を実施するように構成される。一実施形態では、上記ＡＭＭは、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、レーザーメタルデポジション（ＬＭＤ）、電子ビーム（ＥＢＡＭ）、または金属バインダ噴射を実施するように構成される。
一実施形態では、上記ミキサは、第１の材料および第２の材料を連続して混合するように構成され、その間、ＡＭＭは、上記混合物を部品に形成する。一実施形態では、上記ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を変化させるように構成される。一実施形態では、上記ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率をその場で変化させるように構成される。ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率をリアルタイムで変化させるように構成され得る。一実施形態では、ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を連続して変化させるように構成され得る。一実施形態では、ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を組成プロファイルに従い変化させるように構成される。一実施形態では、ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を、マニュアルアルゴリズム、計算アルゴリズム、またはそれらの組み合わせに従い変化させるように構成される。一実施形態では、上記ミキサは、混合物中の第１の材料および第２の材料の比率を、材料流速またはポンピング速度を制御することにより変化させるように構成される。
一実施形態では、上記ＡＭＭは、上記混合物をパターンで基材上に配置するように構成される。一実施形態では、上記ＡＭＭは、上記混合物を予め決められた仕様に従い配置するように構成される。
一実施形態では、形成された部品は、様々な特性を有する。一実施形態では、特性は、強度、重量、密度、電気性能、電気化学性能、またはそれらの組み合わせを含む。様々な実施形態では、形成された部品は、異なる装置を用いて形成された同様の部品と比べて、優れた特性、例えば強度、密度、重量、電気性能、または電気化学性能、またはそれらの組み合わせを有する。
一実施形態では、ＡＭＭは、上記混合物を基材上に堆積させるように構成される。一実施形態では、混合は、堆積前、堆積中、または堆積後に起こる。一実施形態では、混合は、ＡＭＭ内、または空気中、または基材上で起こる。一実施形態では、混合は、移流、分散、拡散、溶融、融合、ポンピング、撹拌、加熱、またはそれらの組み合わせにより起こる。
統合した堆積および加熱
組成物を基材上に一片ずつ堆積させて（これはまた、ライン毎の（ｌｉｎｅ－ｂｙ－ｌｉｎｅ）堆積としても記載され得る）物体を形成させること；その場で物体を電磁放射線（ＥＭＲ）を使用して加熱すること、を含む方法が本明細書で開示され；上記組成物は、第１の材料および第２の材料を含み、第２の材料は、第１の材料より高いＥＭＲの吸光度を有する。様々な実施形態では、加熱することは、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡またはそれらの組み合わせを含む効果を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲のピーク波長および０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有し、ピーク波長は、波長に関する放射照度に基づく。いくつかの実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザーまたは電子ビームの１つ以上を含む。
図１６は、本開示の一実施形態による、電磁放射線（ＥＭＲ）を使用する、統合した堆積および加熱のためのシステムを示す。システム１６００が、燃料電池またはＥＣガス発生器などの電気化学反応器を組立てるために使用され得る。図１６は、この開示の一実施形態による、システム１６００、堆積ノズル１６０１およびその場で加熱するためのＥＭＲ１６０２により形成されるレシーバ１６０４上の物体１６０３をさらに示す。レシーバ１６０４は、移動するプラットフォームであってよく、堆積、熱、照射、またはそれらの組み合わせをさらに受け取ることができる。レシーバ１６０４はまた、チャンバと呼ばれ得、チャンバは、完全に封入され、部分的に封入され、または大気に完全に開放され得る。
いくつかの実施形態では、第１の材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたはＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、ニッケル、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、セリウム、銅、銀、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼またはそれらの組み合わせを含む。他の実施形態では、第１の材料は、ＹＳＺ、ＳＳＺ、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＬＳＭ－ＹＳＺ、ＣＧＯ－ＬＳＣＦ、ドープランタンクロマイト、ステンレス鋼またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、第２の材料は、炭素、酸化ニッケル、ニッケル、銀、銅、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＮｉＯ－ＳＳＺ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、ドープランタンクロマイトフェライト鋼またはそれらの組み合わせを含む。第１の材料は、本明細書で前に開示された任意の電極材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、物体１６０３は、触媒、触媒担体、触媒複合物、アノード、カソード、電解質、電極、インターコネクト、シール、燃料電池、電気化学ガス発生器、電気分解装置、電気化学コンプレッサ、反応器、熱交換器、容器またはそれらの組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、第２の材料は、第１の材料と同じ薄片に堆積され得る。他の実施形態では、第２の材料は、第１の材料を含む別の薄片に隣接する薄片に堆積され得る。いくつかの実施形態では、上記加熱は、第２の材料の少なくとも一部を除去できる。好ましい実施形態では、上記加熱は、第２の材料の最小残留物を残し、そのため構築される装置のプロセスにおいてその後の工程または動作を妨害するであろう著しい残留物はない。より好ましくは、これは、第２の材料の部分の測定可能な残留物を残さない。
いくつかの実施形態では、第２の材料は、加熱の間、熱エネルギーを第１の材料に付加し得る。他の実施形態では、第２の材料は、第１の材料の少なくとも５倍である放射線吸光度を有し；第２の材料は、第１の材料の少なくとも１０倍である放射線吸光度を有し；第２の材料は、第１の材料の少なくとも５０倍である放射線吸光度を有し、または第２の材料は、第１の材料の少なくとも１００倍である放射線吸光度を有する。
いくつかの実施形態では、第２の材料は、２００ｎｍ、または２５０ｎｍ、または３００ｎｍ、または４００ｎｍ、または５００ｎｍ以上のピーク吸光度波長を有し得る。他の実施形態では、第１の材料は、７００ｎｍ、または６００ｎｍ、または５００ｎｍ、または４００ｎｍ、または３００ｎｍ以下のピーク吸光度波長を有する。他の実施形態では、ＥＭＲは、２００ｎｍ、または２５０ｎｍ、または３００ｎｍ、または４００ｎｍ、または５００ｎｍ以上のピーク波長を有する。
いくつかの実施形態では、第２の材料は、炭素、酸化ニッケル、ニッケル、銀、銅、ＣＧＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、フェライト鋼、他の金属酸化物またはそれらの組み合わせを含み得る。場合によっては、フェライト鋼は、Ｃｒｏｆｅｒ ２２ＡＰＵである。いくつかの実施形態では、第１の材料は、ＹＳＺ、ＣＧＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、ＬＳＭ－ＹＳＺ、他の金属酸化物またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、第２の材料は、ＬＳＣＦ、ＬＳＭ、炭素、酸化ニッケル、ニッケル、銀、銅、または鋼を含む。いくつかの実施形態では、炭素は、グラファイト、グラフェン、炭素ナノ粒子、ナノダイヤモンドまたはそれらの組み合わせを含む。第２の材料は、本明細書で前に開示された任意の電極材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、堆積方法は、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、エアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷またはそれらの組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、堆積方法は、ＥＭＲからレシーバまでの距離、ＥＭＲエネルギー密度、ＥＭＲスペクトル、ＥＭＲ電圧、ＥＭＲ曝露期間、ＥＭＲ曝露面積、ＥＭＲ曝露体積、ＥＭＲバースト周波数、ＥＭＲ曝露反復数を制御する工程の１つ以上をさらに含む。一実施形態では、物体は、堆積工程と加熱工程の間で位置を変えない。一実施形態では、ＥＭＲは、１Ｗ、または１０Ｗ、または１００Ｗ、または１０００Ｗ以上の電力出力を有する。
少なくとも１つの堆積ノズル、電磁放射線（ＥＭＲ）源および堆積レシーバを含むシステムもまた、本明細書で開示され、堆積レシーバは、同じ位置でＥＭＲ曝露および堆積を受け取るように構成される。場合によっては、レシーバは、それが第１の期間堆積を受け取り、システム内の異なる位置に移動して、第２の期間ＥＭＲ曝露を受け取るように構成される。
次の詳細な説明は、例示を目的として、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の生成を記載する。当業者であれば認識するように、方法および製造プロセスは、全ての燃料電池型に適用可能である。そのようなものとして、全ての燃料電池型の生成は、この開示の範囲内にある。
付加製造
付加製造（ＡＭ）は、材料を、通常一片ずつ、または、層の上に層を重ねて、接合させ、物体を作製する一群の技術を指す。ＡＭは、機械加工、切断、粉砕またはエッチングによる材料の一部の除去を含む減法製造法と対照的である。ＡＭはまた、積層造形、加法過程、加法技術、付加層製造、層製造または自由形状製作と呼ばれ得る。ＡＭのいくつかの例は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積、積層、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、レーザーメタルデポジション（ＬＭＤ）、電子ビーム（ＥＢＡＭ）および金属バインダ噴射である。３Ｄプリンタは、ＡＭ機（ＡＭＭ）の１つの型である。インクジェットプリンタまたは超音波インクジェットプリンタは、ＡＭＭの追加の例である。
第１の態様では、発明は、下記を含むＥＣガス発生器または燃料電池などの電気化学反応器を製造する方法である：（ａ）ＡＭＭを使用してアノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して電解質を作製すること；ならびに（ｃ）ＡＭＭを使用してカソードを製造すること。好ましい実施形態では、アノード、電解質、およびカソードは、ＡＭＭを使用して完了されない他の工程に加えて、ＡＭＭを利用して燃料電池へと組立てられる。好ましい実施形態では、燃料電池は、ＡＭＭのみを使用して形成される。他の実施形態では、工程（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、テープキャスティングおよびスクリーン印刷を排除する。一実施形態では、ＡＭＭを用いて燃料電池を組立てる方法は、組立てにおける圧縮を排除する。他の実施形態では、層は、積み重ねて段階様式で堆積され、そのため組立ては堆積と同時に達成される。本明細書で記載される方法は、平面燃料電池の製造において有用である。本明細書で記載される方法はまた、燃料電池の製造において有用であり、電流は、燃料電池が使用される時に横方向の電解質に垂直である。
一実施形態では、インターコネクト、アノード、電解質、およびカソードは、層の上に層を重ねて形成され、例えば、層の上に層を重ねて印刷される。発明の範囲内で、これらの層を形成する順序は変化させることができることに注意することが重要である。言い換えれば、アノードまたはカソードのどちらか一方は、他方の前に形成されてよい。当然、電解質は、それがアノードとカソードの間にあるように形成される。バリア層（複数可）、触媒層（複数可）およびインターコネクト（複数可）は、それらの機能を果たすために、燃料電池内の適切な位置に存在するように形成される。
いくつかの実施形態では、インターコネクト、アノード、電解質、およびカソードの各々は、６つの面を有する。好ましい実施形態では、アノードはインターコネクト上に印刷され、インターコネクトと接触し；電解質はアノード上に印刷され、アノードと接触し；カソードは電解質上に印刷され、電解質と接触する。各プリントは、例えば、ＥＭＲを使用して焼結され得る。そのようなものとして、組立てプロセスおよび形成プロセスは同時に起こり、これは、従来の方法では可能ではない。その上、好ましい実施形態により、必要とされる電気接触および気密性もまた、同時に達成される。対照的に、従来の燃料電池組立てプロセスは、燃料電池構成要素または層の加圧または圧縮によりこれを達成する。加圧または圧縮プロセスは燃料電池層に望ましくない亀裂を引き起こす可能性がある。
いくつかの実施形態では、ＡＭ方法は、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。好ましい実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方に配置され得る。他の実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、ＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられ得る。いくつかの実施形態では、バリア層は、燃料電池において必要とされず、または使用されない。
いくつかの実施形態では、ＡＭ方法は、ＡＭＭを使用してインターコネクを製造することを含む。他の実施形態では、インターコネクトは、ＡＭＭを使用して、アノード、電解質、およびカソードと共に組立てられ得る。いくつかの実施形態では、ＡＭＭは、触媒を形成し、上記触媒を燃料電池に組み入れる。
いくつかの実施形態では、アノード、電解質、カソード、およびインターコネクトは、１００℃を超える温度で製造される。いくつかの実施形態では、ＡＭ方法は、燃料電池を加熱することを含み、上記燃料電池は、アノード、電解質、カソード、インターコネクト、および任意で少なくとも１つのバリア層を含む。いくつかの実施形態では、燃料電池は、触媒を含む。いくつかの実施形態では、方法は、燃料電池を、５００℃を超える温度に加熱することを含む。いくつかの実施形態では、燃料電池は、ＥＭＲまたはオーブン硬化の１つまたは両方を使用して加熱される。
好ましい実施形態では、ＡＭＭは、マルチノズル付加製造法を利用する。好ましい実施形態では、マルチノズル付加製造法は、ナノ粒子噴射を含む。いくつかの実施形態では、第１のノズルは、第１の材料を送達し、第２のノズルは、第２の材料を送達し、第３のノズルは、第３の材料を送達する。いくつかの実施形態では、第４の材料の粒子は、部分的に構成された燃料電池と接触して配置され、部分的に構成された燃料電池に、レーザー、光電効果、光、熱、重合、または結合を用いて接着される。一実施形態では、アノード、またはカソード、または電解質は、第１、第２、第３または第４の材料を含む。好ましい実施形態では、ＡＭＭは、複数のＡＭ技術を実施する。様々な実施形態では、ＡＭ技術は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積または積層の１つ以上を含む。様々な実施形態では、ＡＭは、材料噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷またはそれらの組み合わせを含む堆積技術である。
下記を含む、燃料電池スタックを製造するＡＭ方法が本明細書でさらに記載される：（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用してアノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して電解質を作製すること；（ｃ）ＡＭＭを使用してカソードを製造すること；（ｄ）ＡＭＭを使用してインターコネクトを製造することであって；アノード、電解質、カソード、およびインターコネクトが第１の燃料電池を形成する、製造すること；（ｅ）工程（ａ）－（ｄ）を繰り返して、第２の燃料電池を製造すること；ならびに（ｆ）第１の燃料電池および第２の燃料電池を燃料電池スタックに組立てること。
いくつかの実施形態では、第１の燃料電池および第２の燃料電池は、ＡＭＭを使用してアノード、電解質、カソード、およびインターコネクトから形成される。一実施形態では、燃料電池スタックは、ＡＭＭのみを使用して形成される。他の実施形態では、工程（ａ）－（ｆ）は、テープキャスティングおよびスクリーン印刷の１つまたは両方を排除する。
いくつかの実施形態では、ＡＭ方法は、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、第１の燃料電池および第２の燃料電池のために、電解質とカソードの間または電解質とアノードの間または両方に配置される。
いくつかの実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は、１００℃を超える温度で実施される。他の実施形態では、工程（ａ）－（ｄ）は、１００℃～５００℃の温度で実施される。いくつかの実施形態では、ＡＭＭは、触媒を製造し、上記触媒を燃料電池スタックに組み入れる。
いくつかの実施形態では、ＡＭ方法は、燃料電池スタックを加熱することを含む。一実施形態では、ＡＭ方法は、燃料電池スタックを５００℃を超える温度に加熱することを含む。いくつかの実施形態では、燃料電池スタックは、ＥＭＲまたはオーブン硬化を使用して加熱される。いくつかの実施形態では、レーザーは、レーザービームを有し、レーザービームは、拡大されて、均一な電力密度を有する加熱ゾーンを生成する。いくつかの実施形態では、レーザービームは、１つ以上のミラーの使用により拡大される。いくつかの実施形態では、燃料電池の各層は、ＥＭＲにより別々に硬化される。いくつかの実施形態では、１つ以上の燃料電池層の組み合わせは、ＥＭＲにより一緒に硬化され得る。いくつかの実施形態では、第１の燃料電池は、ＥＭＲ硬化され、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第２の燃料電池は、ＥＭＲ硬化される。他の実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第１の燃料電池および第２の燃料電池は、ＥＭＲにより別々に硬化される。いくつかの実施形態では、第１の燃料電池および第２の燃料電池は、ＥＭＲにより別々に硬化され得、次いで第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられて、燃料電池スタックを形成する。いくつかの実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられて、燃料電池スタックを形成し、次いで燃料電池スタックは、ＥＭＲにより硬化され得る。
下記を含む多重燃料電池を製造するＡＭ方法もまた、本明細書で記載される：（ａ）付加製造機（ＡＭＭ）を使用して同時に多重アノードを生成すること；（ｂ）ＡＭＭを使用して同時に多重電解質を作製すること；ならびに（ｃ）ＡＭＭを使用して同時に多重カソードを製造すること。好ましい実施形態では、アノード、電解質、およびカソードは、ＡＭＭを利用して燃料電池へと同時に組立てられる。他の好ましい実施形態では、燃料電池は、ＡＭＭのみを使用して形成される。
いくつかの実施形態では、方法は、同時に、多重燃料電池の各々のために、ＡＭＭを使用して少なくとも１つのバリア層を製造することを含む。少なくとも１つのバリア層は、電解質とカソードの間に配置され得、または電解質とアノードの間に配置され得、または両方である。好ましい実施形態では、少なくとも１つのバリア層は、各燃料電池のために、アノード、電解質、およびカソードと共に、ＡＭＭを使用して組立てられ得る。
いくつかの実施形態では、方法は、同時に、多重燃料電池の各々のために、ＡＭＭを使用してインターコネクトを製造することを含む。インターコネクトは、各燃料電池のために、アノード、電解質、およびカソードと共に、ＡＭＭを使用して組立てられ得る。他の実施形態では、ＡＭＭは、同時に、多重燃料電池の各々のために、触媒を形成し、上記触媒を燃料電池の各々に組み入れる。他の実施形態では、各層の加熱または多重燃料電池の層の組み合わせの加熱は、同時に起こる。多重燃料電池は、２つ以上の燃料電池を含み得る。
好ましい実施形態では、ＡＭＭは、異なる材料を同時に噴射または印刷するために２つ以上の異なるノズルを使用する。第１の例では、ＡＭＭにおいて、同時に、第１のノズルは、燃料電池１のためのアノード層を堆積させ、第２のノズルは、燃料電池２のためのカソード層を堆積させ、および第３のノズルは、燃料電池３のための電解質を堆積させる。第２の例では、ＡＭＭにおいて、同時に、第１のノズルは、燃料電池１のためのアノードを堆積させ、第２のノズルは、燃料電池２のためのカソードを堆積させ、第３のノズルは、燃料電池３のための電解質を堆積させ、および第４のノズルは、燃料電池４のためのインターコネクトを堆積させる。
燃料電池の製造が起こるチャンバを含む付加製造機（ＡＭＭ）が、本明細書で開示される。上記チャンバは、少なくとも１００℃の温度に耐えることができる。一実施形態では、上記チャンバは、燃料電池の生成を可能にする。チャンバは、燃料電池の構成要素が堆積される時に、その場での燃料電池の加熱を可能にする。
いくつかの実施形態では、チャンバは、レーザー、電磁波／電磁放射線（ＥＭＲ）、熱流体、またはチャンバと関連する加熱要素、またはそれらの組み合わせにより加熱され得る。加熱要素は、加熱面、加熱コイルまたは加熱ロッドを含み得る。他の実施形態では、上記チャンバは、内側の燃料電池に圧力を適用するように構成される。圧力は、チャンバと関連する可動部を介して適用され得る。可動部は、可動スタンプまたはプランジャーであり得る。いくつかの実施形態では、上記チャンバは、圧力に耐えるように構成される。チャンバは、流体により加圧され、または減圧されるように構成され得る。チャンバ内の流体は、必要なときに変更されまたは置き換えられ得る。
場合によっては、チャンバは、封入され得る。場合によっては、チャンバは、密閉され得る。場合によっては、チャンバは、周囲雰囲気または制御された雰囲気に開放され得る。場合によっては、チャンバは、上壁および側壁のないプラットフォームであり得る。
図１６を参照して、システム１６００は、堆積ノズルまたは材料噴射ノズル１６０１、ＥＭＲ源１６０２（例えば、キセノンランプ）、形成される物体１６０３、およびＡＭＭの一部としてのチャンバまたはレシーバ１６０４を含む。図１６に示されるように、チャンバまたはレシーバ１６０４は、ノズルからの堆積物およびＥＭＲ源１６０２からの放射線の両方を受け取るように構成される。様々な実施形態では、堆積ノズル１６０１は、可動性であり得る。様々な実施形態では、チャンバまたはレシーバ１６０４は、可動性であり得る。様々な実施形態では、ＥＭＲ源１６０２は、可動性である。様々な実施形態では、物体は、触媒、触媒担体、触媒複合物、アノード、カソード、電解質、電極、インターコネクト、シール、燃料電池、電気化学ガス発生器、電気分解装置、電気化学コンプレッサ、反応器、熱交換器、容器またはそれらの組み合わせを含む。
この開示に好適なＡＭ技術は、押出、光重合、粉末床溶融結合、材料噴射、バインダ噴射、指向性エネルギー堆積および積層を含む。いくつかの実施形態では、押出が、ＡＭのために使用され得る。押出ＡＭは、材料（例えば、熱可塑性物質）の空間的に制御された堆積を含む。押出ＡＭはまた、この開示では、溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）または熱溶解積層法（ＦＤＭ）と呼ばれ得る。
いくつかの実施形態では、ＡＭは、この開示のプロセスのための光重合（すなわち、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ））を含む。ＳＬＡは、走査レーザーまたは高解像度投射画像を使用し、および光活性液体を架橋固体に変換する、光活性液体（「フォトレジン」）の空間的に規定される硬化を含む。光重合は、マイクロメートル～メートルスケールの範囲の細部および寸法を有する部品を生成できる。
いくつかの実施形態では、ＡＭは、粉末床溶融結合（ＰＢＦ）を含む。ＰＢＦ ＡＭプロセスは、粉末化供給原料、例えば、ポリマまたは金属を溶融することにより物体を構築する。ＰＢＦプロセスは、構築エリア全体に粉末の薄層を広げることにより開始する。断面が次いで、ほとんどの場合レーザー、電子ビーム、または高強度赤外線ランプを使用して、一度に１層、溶融される。いくつかの実施形態では、金属のＰＢＦは、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または電子ビーム溶融（ＥＢＭ）を使用し得る。他の実施形態では、ポリマのＰＢＦは、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）を使用し得る。様々な実施形態では、ＳＬＳシステムは、熱可塑性ポリマ材料、ポリマ複合物またはセラミックを印刷し得る。様々な実施形態では、ＳＬＭシステムは、様々な純粋金属および合金に好適であり得、合金は、ＳＬＭにおいて起こる急速固化に適合する。
いくつかの実施形態では、ＡＭは、材料噴射を含み得る。材料噴射によるＡＭは、空間制御により材料の小滴（または液滴）を堆積させることにより達成され得る。様々な実施形態では、材料噴射は、三次元的に（３Ｄ）、二次元的に（２Ｄ）または両方で実施される。好ましい実施形態では、３Ｄ噴射は、１層ずつ達成される。好ましい実施形態では、プリント作成は、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）を、材料組成、色、および他の変数の仕様と共に、各層に対する印刷命令に変換する。バインダ噴射ＡＭは、液体バインダの粉末床上へのインクジェット堆積を含む。場合によっては、バインダ噴射は、例えば、粉末を広げて粉末床を作製すること（ＳＬＳ／ＳＬＭに類似）、およびインクジェット印刷などの、他のＡＭプロセスと組み合わされる。
いくつかの実施形態では、ＡＭは、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）を含む。上記粉末床を使用する代わりに、ＤＥＤプロセスは、レーザー、電気アークまたは電子ビームなどのエネルギー集約源と一緒に、粉末の指向流またはワイヤフィードを使用する。好ましい実施形態では、ＤＥＤは、直接書きプロセスであり、材料堆積の場所が、堆積ヘッドの移動により決定され、これは、大きな金属構造が粉末床の制約なしに構築されることを可能にする。
いくつかの実施形態では、ＡＭは、積層ＡＭ、または積層物体製造（ＬＯＭ）を含む。好ましい実施形態では、３Ｄ構造を形成するために、シート材料の連続した層が、連続して接着され、切断される。
燃料電池スタックを製造する従来の方法は、１００を超える工程を含み得る。これらの工程としては、ミリング、粉砕、濾過、分析、混合、結合、蒸発、エージング、乾燥、押出、展延、テープキャスティング、スクリーン印刷、スタッキング、加熱、加圧、焼結および圧縮が挙げられるが、これらに限定されない。本明細書で開示される方法は、１つのＡＭＭを使用する燃料電池または燃料電池スタックの製造を説明する。
この開示のＡＭＭは好ましくは、押出およびインク噴射の両方を実施して、燃料電池または燃料電池スタックを製造する。押出が、燃料電池のより厚い層、例えば、アノードおよび／またはカソードを製造するために使用され得る。インク噴射が、燃料電池の薄層を製造するために使用され得る。インク噴射が、電解質を製造するために使用され得る。ＡＭＭは、ＡＭＭ自体において硬化を可能にするのに十分な温度範囲で動作できる。そのような温度範囲は、１００℃以上、１００℃－３００℃または１００℃－５００℃である。
好ましい例として、燃料電池の全ての層は、印刷により形成され組立てられる。アノード、カソード、電解質、およびインターコネクトを、それぞれ製造するための材料は、溶媒および粒子（例えば、ナノ粒子）を含むインク形態にされ得る。２つのカテゴリのインク配合物が存在する－水性インクおよび非水性インク。場合によっては、水性インクは、水性溶媒（例えば、水、脱イオン水）、粒子、分散剤および界面活性剤を含む。場合によっては、水性インクは、水性溶媒、粒子、分散剤、界面活性剤を含むが、ポリマバインダは含まない。水性インクは任意で、共溶媒、例えば、有機混和性溶媒（メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール）を含み得る。そのような共溶媒は好ましくは、水より低い沸点を有する。分散剤は、静電分散剤、立体分散剤、イオン性分散剤、または非イオン性分散剤、またはそれらの組み合わせであり得る。界面活性剤は好ましくは、非イオン性、例えば、アルコールアルコキシレートまたはアルコールエトキシレートであり得る。非水性インクは、有機溶媒（例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール）および粒子を含み得る。
例えば、ＣＧＯ粉末は、水と混合されて、分散剤および界面活性剤をさらに含むがポリマバインダは添加されない水性インクを形成する。質量に基づくＣＧＯ割合（本明細書では重量％（ｗｔ％）として表される）は、１０ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＣＧＯ粉末は、エタノールと混合されて、添加されたポリビニルブタリル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｂｕｔａｒｙｌ）をさらに含む非水性インクを形成し、ＣＧＯ割合は、３ｗｔ％～３０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＬＳＣＦは、ｎ－ブタノールまたはエタノールと混合されて、ポリビニルブタリル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｂｕｔａｒｙｌ）をさらに含む非水性インクを形成し、ＬＳＣＦ割合は、１０ｗｔ％～４０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＹＳＺ粒子は、水と混合されて、分散剤および界面活性剤をさらに含むがポリマバインダは添加されない水性インクを形成する。ＹＳＺ割合は、３ｗｔ％～４０ｗｔ％の範囲にある。例えば、ＮｉＯ粒子は、水と混合されて、分散剤および界面活性剤をさらに含むがポリマバインダは添加されない水性インクを形成し、ＮｉＯ割合は、５ｗｔ％～２５ｗｔ％の範囲にある。
一例として、燃料電池のカソードについては、ＬＳＣＦまたはＬＳＭ粒子が、溶媒に溶解され、溶媒は、水またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。他の例では、アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。一例として、ＬＳＣＦは、層へと堆積される（例えば、印刷される）。キセノンランプが、ＬＳＣＦ層をＥＭＲで照射してＬＳＣＦを焼結させるために、使用され得る。キセノンフラッシュランプは、１０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧および１０Ｈｚの周波数で適用される、１０ｋＷユニットであり得る。
例えば、電解質については、ＹＳＺ粒子は、溶媒と混合され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコール（例えば、ブタノール）またはアルコールの混合物である。他の例では、アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。インターコネクトについては、金属粒子（例えば、銀ナノ粒子）が、溶媒に溶解され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）および有機溶媒を含み得る。有機溶媒は、モノ、ジ、またはトリエチレングリコールまたはより高級なエチレングリコール、プロピレングリコール、１，４－ブタンジオールまたはそのようなグリコールのエーテル、チオジグリコール、グリセロールならびにそのエーテルおよびエステル、ポリグリセロール、モノ、ジ、およびトリエタノールアミン、プロパノールアミン、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン、１，３－ジメチルイミダゾリドン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ｎ－プロパノール、ジアセトンアルコール、アセトン、メチルエチルケトンまたは炭酸プロピレン、またはそれらの組み合わせを含み得る。燃料電池におけるバリア層については、ＣＧＯ粒子は、溶媒に溶解され、溶媒は、水（例えば、脱イオン水）またはアルコールであり得る。アルコールは、メタノール、エタノール、ブタノールまたはアルコールの混合物を含み得る。アルコール以外の有機溶媒もまた、使用され得る。ＣＧＯは、ＬＳＣＦのためのバリア層として使用され得る。ＹＳＺもまた、ＬＳＭのためのバリア層として使用され得る。場合によっては、水が溶媒である水性インクについては、ポリマバインダは、水性インクに添加されなくてよい。
従来の燃料電池の製造プロセスは時として、１００を超える工程を含み、数十の機械を使用する。この開示の一実施形態によれば、燃料電池を製造する方法は、たった１つのＡＭＭを使用して燃料電池を製造することを含み、燃料電池は、アノード、電解質およびカソードを含む。好ましい実施形態では、燃料電池は、例えば、電解質とカソードの間、または電解質とカソードの間、または両方に少なくとも１つのバリア層を含む。少なくとも１つのバリア層もまた、好ましくは同じＡＭＭにより製造される。好ましい実施形態では、ＡＭＭはまた、インターコネクトを生成し、インターコネクトをアノード、カソード、少なくとも１つのバリア層、および電解質と共に組立てることができる。そのような製造方法およびシステムは、燃料電池の製造だけでなく、他の型の電気化学装置の製造にも適用可能である。次の議論は、燃料電池を一例として使用するが、いずれの反応器または触媒もこの開示の範囲内にある。
様々な実施形態では、単一のＡＭＭは、第１の燃料電池を製造し、燃料電池は、アノード、電解質、カソード、少なくとも１つのバリア層およびインターコネクトを含む。様々な実施形態では、単一のＡＭＭは、第２の燃料電池を製造する。様々な実施形態では、単一のＡＭＭは、第１の燃料電池を第２の燃料電池と共に組立てるために使用されて燃料電池スタックを形成する。様々な実施形態では、ＡＭＭを使用する燃料電池の生成は、所望のように何回でも繰り返される。２つ以上の燃料電池を含む燃料電池スタックは、このようにＡＭＭを使用して組立てられる。いくつかの実施形態では、燃料電池の様々な層は、周囲温度超でＡＭＭにより生成される。例えば、温度は、１００℃超、１００℃～５００℃の範囲または１００℃～３００℃の範囲であってよい。様々な実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、それが組立てられた後に加熱される。いくつかの実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、５００℃を超える温度で加熱される。好ましい実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、５００℃～１５００℃の範囲の温度で加熱される。
様々な実施形態では、ＡＭＭは、燃料電池の製造が起こるチャンバを含む。このチャンバは、燃料電池の生成を可能にする高温に耐えることができ、高温は、少なくとも３００℃、少なくとも５００℃、少なくとも１０００℃または少なくとも１５００℃である。場合によっては、このチャンバはまた、燃料電池の加熱がチャンバ内で起こることを可能にする。様々な加熱方法、例えばレーザー加熱／硬化、電磁波加熱、熱流体加熱またはチャンバと関連する１つ以上の加熱要素、が適用され得る。加熱要素は、加熱面、加熱コイルまたは加熱ロッドであってよく、チャンバ内の内容物が所望の温度範囲に加熱されるようにチャンバと関連付けられる。様々な実施形態では、ＡＭＭのチャンバはまた、内側の燃料電池（複数可）に圧力を適用できる。例えば、圧力は、可動スタンプまたはプランジャーなどの可動部を介して適用され得る。様々な実施形態では、ＡＭＭのチャンバは、圧力に耐えることができる。チャンバは、流体により要望通り加圧または減圧できる。チャンバ内の流体はまた、必要に応じ変更され、または、置き換えられてよい。
好ましい実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、ＥＭＲを使用して加熱される。他の実施形態では、燃料電池または燃料電池スタックは、オーブン硬化を使用して加熱され得る。他の実施形態では、レーザービームは、拡大されて（例えば、１つ以上のミラーの使用により）、均一な電力密度を有する加熱ゾーンを生成する。好ましい実施形態では、燃料電池の各層は、別々にＥＭＲにより硬化され得る。好ましい実施形態では、燃料電池層の組み合わせ、例えば、アノード層、電解質層、およびカソード層の組み合わせは、別々にＥＭＲ硬化され得る。いくつかの実施形態では、第１の燃料電池は、ＥＭＲ硬化され、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第２の燃料電池が、ＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられ、次いで第１の燃料電池および第２の燃料電池は、別々にＥＭＲ硬化される。一実施形態では、第１の燃料電池は、第２の燃料電池と共に組立てられて燃料電池スタックを形成し、次いで燃料電池スタックは、ＥＭＲ硬化される。２つ以上の燃料電池を含む燃料電池スタックは、ＥＭＲ硬化され得る。一連のレーザー加熱／硬化および組立ては、全ての他の加熱方法に適用可能である。
好ましい実施形態では、ＡＭＭは、多重燃料電池の各層を同時に生成する。好ましい実施形態では、ＡＭＭは、多重燃料電池の各層を同時に組立てる。好ましい実施形態では、多重燃料電池の各層の加熱または層の組み合わせの加熱は、同時に起こる。燃料電池または燃料電池スタックについて本明細書で記載される全ての議論および全ての特徴は、多重燃料電池の生成、組立て、および加熱に適用可能である。好ましい実施形態では、燃料電池の多重度は、２以上、２０以上、５０以上，８０以上、１００以上、５００以上、８００以上、１０００以上、５０００以上または１０，０００以上であってよい。
処理プロセス
本明細書では、次の効果の１つ以上を含む処理プロセスが開示される：加熱、乾燥、硬化、焼結、アニーリング、シーリング、合金化、蒸発、再構成、発泡または焼結。好ましい処理プロセスは、焼結である。処理プロセスは、基材を電磁放射線（ＥＭＲ）源に曝露することを含む。いくつかの実施形態では、ＥＭＲは、第１の材料を有する基材に曝露される。様々な実施形態では、ＥＭＲは、１０～１５００ｎｍの範囲のピーク波長を有する。様々な実施形態では、ＥＭＲは、０．１ジュール／ｃｍ２の最小エネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１０－４－１０００Ｈｚまたは１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚのバースト周波数を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、５０ｍｍ以下の曝露距離を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、０．１ｍｓまたは１ｍｓ以上の曝露期間を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１００Ｖ以上のコンデンサ電圧を用いて適用される。例えば、ＥＭＲの単一パルスは、約１０ｍｍの曝露距離および５－２０ｍｓの曝露期間を用いて適用される。例えば、ＥＭＲの多重パルスは、１００Ｈｚのバースト周波数で、約１０ｍｍの曝露距離および５－２０ｍｓの曝露期間を用いて適用される。いくつかの実施形態では、ＥＭＲは、１曝露から構成される。他の実施形態では、ＥＭＲは、１０曝露以下、または１００曝露以下、または１０００曝露以下、または１０，０００曝露以下を含む。
様々な実施形態では、金属およびセラミックは、パルス光を使用してほとんど瞬時に（＜＜１０ミクロンではミリ秒）焼結される。焼結温度は、１００℃～２０００℃の範囲にあるように制御され得る。焼結温度は、深さの関数として調整され得る。１つの例では、表面温度は、１０００℃であり、表面下は、１００℃で維持され、表面下は、表面より１００ミクロン下である。いくつかの実施形態では、この処理プロセスに好適な材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたはＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、ニッケル、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｃｕ－ＣＧＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、セリウム、銅、銀、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせが挙げられる。この処理プロセスは、本明細書で前に列挙されたいずれの電極または電解質材料にも好適であり得る。
この処理プロセススは、燃料電池の製造プロセスにおいて適用可能である。好ましい実施形態では、燃料電池における層（すなわち、アノード、カソード、電解質、シール、触媒、など）は、本明細書で記載されるプロセスを用いて処理され、加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、またはアニールされ、またはそれらの組み合わせにされる。好ましい実施形態では、燃料電池における層の一部は、本明細書で記載されるプロセスを用いて処理され、加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、アニールされ、またはそれらの組み合わせにされる。好ましい実施形態では、燃料電池の層の組み合わせは、本明細書で記載されるプロセスを用いて処理され、加熱、硬化、焼結、密閉、合金化、発泡、蒸発、再構成、乾燥、アニールされ、またはそれらの組み合わせにされ、層は、完全層または部分層であってよい。
この開示の処理プロセスは、好ましくは迅速であり、処理期間がマイクロ秒～ミリ秒で変動する。処理期間は、正確に制御され得る。この開示の処理プロセスは、亀裂がない、または最小の亀裂を有する燃料電池層を生成できる。この開示の処理プロセスは、処理される材料の処理体積（処理される物体の体積）において電力密度またはエネルギー密度を制御する。処理体積は、正確に制御され得る。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、処理体積において同じエネルギー密度または異なるエネルギー密度を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、処理体積において同じ処理期間または異なる処理期間を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、１つ以上の処理体積に対する同時処理を提供する。一実施形態では、この開示の処理プロセスは、１つ以上の燃料電池層または部分層または層の組み合わせに対する同時処理を提供する。一実施形態では、処理体積は、処理深さを変更することにより変化する。
一実施形態では、処理体積の第１の部分は、第１の波長の電磁放射線により処理され；処理体積の第２の部分は、第２の波長の電磁放射線により処理される。場合によっては、第１の波長は、第２の波長と同じである。場合によっては、第１の波長は、第２の波長とは異なる。一実施形態では、処理体積の第１の部分は、処理体積の第２の部分とは異なるエネルギー密度を有する。一実施形態では、処理体積の第１の部分は、処理体積の第２の部分とは異なる処理期間を有する。
一実施形態では、ＥＭＲは、所望の効果が、異なる吸収特性を有する幅広い材料について達成されるように、ブロードな発光スペクトルを有する。この開示では、電磁放射線（ＥＭＲ）の吸収は、光子のエネルギーが、原子の電子などの物質により取り込まれるプロセスを指す。よって、電磁エネルギーは、吸収体の内部エネルギー、例えば、熱エネルギーに変換される。例えば、ＥＭＲスペクトルは深紫外（ＵＶ）範囲から近赤外（ＩＲ）範囲に広がり、ピークパルス電力は２２０ｎｍ波長にある。そのようなＥＭＲの電力は、メガワットのオーダーである。そのようなＥＭＲ源は、化学結合破壊、焼結、アブレーション（ａｂｌａｔｉｎｇ）または滅菌などのタスクを実行する。
一実施形態では、ＥＭＲは、０．１、１、または１０ジュール／ｃｍ２以上のエネルギー密度を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１ワット（Ｗ）、１０Ｗ、１００Ｗ、１０００Ｗ以上の電力出力を有する。ＥＭＲは、基材に１Ｗ、１０Ｗ、１００Ｗ、１０００Ｗ以上の電力を送達する。一実施形態では、そのようなＥＭＲ曝露は、基材中の材料を加熱する。一実施形態では、ＥＭＲは、異なる波長の範囲またはスペクトルを有する。様々な実施形態では、処理される基材は、燃料電池のアノード、カソード、電解質、触媒、バリア層、またはインターコネクトの少なくとも一部である。
一実施形態では、ＥＭＲのピーク波長は、５０～５５０ｎｍの間または１００～３００ｎｍの間である。一実施形態では、１０～１５００ｎｍの間のＥＭＲの少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。一実施形態では、５０～５５０ｎｍの間の少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。一実施形態では、１００～３００ｎｍの間の少なくとも１つの周波数についての基材の少なくとも一部の吸収は、３０％以上、または５０％以上である。
焼結は、それを液化点まで溶融させずに熱または圧力により、材料の固体塊を圧縮および形成するプロセスである。この開示では、ＥＭＲ曝露下の基材は、焼結されるが溶融されない。好ましい実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビーム、マイクロ波の１つ以上を含む。一実施形態では、基材は、１マイクロ秒以上、１ミリ秒以上の間ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、１度に１秒未満または１度に１０秒未満の間ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、ＥＭＲに１秒未満または１０秒未満の間ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、繰り返して、例えば、１回超、３回超、１０回超ＥＭＲに曝露される。一実施形態では、基材は、ＥＭＲ源から、５０ｃｍ未満、１０ｃｍ未満、１ｃｍ未満、または１ｍｍ未満離される。
いくつかの実施形態では、ＥＭＲ曝露後に、第２の材料が第１の材料に付加され、またはその上に配置される。様々な場合において、第２の材料は、第１の材料と同じである。第２の材料は、ＥＭＲに曝露され得る。場合によっては、第３の材料が付加され得る。第３の材料は、ＥＭＲに曝露される。
いくつかの実施形態では、第１の材料は、ＹＳＺ、８ＹＳＺ、イットリウム、ジルコニウム、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ＬＳＭ、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、ニッケル、ＮｉＯまたはセリウムまたはそれらの組み合わせを含む。第２の材料は、グラファイトを含み得る。いくつかの実施形態では、電解質、アノード、またはカソードは第２の材料を含む。場合によっては、電解質、アノード、またはカソードにおける第２の材料の体積分率は、２０％、１０％、３％、または１％未満である。少なくとも１つの周波数（例えば、１０～１５００ｎｍの間または１００～３００ｎｍの間または５０～５５０ｎｍの間）に対する第２の材料の吸収速度は、３０％超または５０％超である。
様々な実施形態では、パラメータの１つまたは組み合わせは、制御することができ、そのようなパラメータとしては、ＥＭＲ源と基材の間の距離、ＥＭＲのエネルギー密度、ＥＭＲのスペクトル、ＥＭＲの電圧、曝露期間、バースト周波数、およびＥＭＲ曝露数が挙げられる。好ましくは、これらのパラメータは、基材における亀裂の形成を最小に抑えるように制御される。
一実施形態では、ＥＭＲエネルギーは、１ｍｍ２以上、または１ｃｍ２以上、または１０ｃｍ２以上、または１００ｃｍ２以上の表面積に送達される。場合によっては、第１の材料のＥＭＲ曝露中に、隣接する材料の少なくとも一部は、第１の材料からの熱の伝導により少なくとも一部加熱される。様々な実施形態では、燃料電池の層（例えば、アノード、カソード、電解質）は、薄い。好ましくは、それらは３０ミクロン以下、１０ミクロン以下、または１ミクロン以下である。
いくつかの実施形態では、基材の第１の材料は、粉末、ゾルゲル、コロイド懸濁液、ハイブリッド溶液、または焼結材料の形態である。様々な実施形態では、第２の材料は、蒸着により付加され得る。好ましい実施形態では、第２の材料は、第１の材料をコートする。好ましい実施形態では、第２の材料は、レーザーによるように、光（例えば集束光）と反応し、第１の材料と共に焼結またはアニールされる。
利点
この開示の好ましい処理プロセスは、従来の、コストのかかる、時間のかかる、費用がかかる焼結プロセスを排除すること、および所望であれば単一の機械における燃料電池の層の連続製造を可能にする迅速なその場法にそれらを置き換えることにより、燃料電池の迅速製造を可能にする。このプロセスはまた、焼結時間を時間および日から、秒またはミリ秒さらにはマイクロ秒へと短くする。
様々な実施形態では、この処理方法は、スクリーン印刷、テープキャスティング、噴霧、スパッタリング、物理蒸着、および付加製造のような製造技術と組み合わせて使用される。
この好ましい処理方法は、基材の層の厚さおよび隣接層への熱伝導を制御することと組み合わせてＥＭＲ特性（例えば、波長、エネルギー密度、バースト周波数、および曝露期間）を調整することにより、調整されおよび制御された加熱を可能にして、各所望の標的温度で各層を焼結、アニール、または硬化させることを可能にする。このプロセスは、より均一なエネルギー適用を可能にし、亀裂を減少させまたは排除し、これは電解質性能を改善する。この好ましいプロセスで処理された基材はまた、より均一な加熱のためより少ない熱応力を有する。
粒子サイズ制御
いずれの理論にも制限されることを望まないが、我々は予想外に、焼結プロセスが、材料中の粒子の粒子サイズ分布がある一定の基準を満たすように制御される場合に伝統的に必要とされるものよりずっと少ないエネルギー消費およびずっと少ない時間を必要とする可能性があることを、発見した。場合によっては、そのような粒子サイズ分布は、Ｄ１０およびＤ９０を含み、粒子の１０％は、Ｄ１０以下の直径を有し、粒子の９０％は、Ｄ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０は、１．５～１００の範囲にある。場合によっては、そのような粒子サイズ分布は、二峰性であり、そのため第１のモードにおける平均粒子サイズは、第２のモードにおける平均粒子サイズの少なくとも５倍である。場合によっては、そのような粒子サイズ分布は、Ｄ５０を含み、粒子の５０％は、Ｄ５０以下の直径を有し、Ｄ５０は、１００ｎｍ以下である。焼結プロセスは、電磁放射線（ＥＭＲ）、またはプラズマ、または炉、または熱流体、または加熱要素、またはそれらの組み合わせを利用する。好ましくは、焼結プロセスは、電磁放射線（ＥＭＲ）を利用する。例えば、本明細書で開示されるプロセスを用いずに、材料を焼結させるのにちょうど十分なＥＭＲ源は、電力容量Ｐを有する。本明細書で開示されるプロセスを用いると、材料は、ずっと少ない電力容量、例えば、５０％Ｐ以下、４０％Ｐ以下、３０％Ｐ以下、２０％Ｐ以下、１０％Ｐ以下、５％Ｐ以下を有するＥＭＲ源を用いて焼結される。
本明細書では、分散物を形成するために粒子を液体と混合することであって、粒子は、Ｄ１０およびＤ９０を含む粒子サイズ分布を有し、粒子の１０％は、Ｄ１０以下の直径を有し、粒子の９０％は、Ｄ９０以下の直径を有し、Ｄ９０／Ｄ１０は、１．５～１００の範囲にある、混合すること；分散物を基材上に堆積させ層を形成すること；ならびに、層を処理して粒子の少なくとも一部を焼結させること、を含む、材料を焼結させる方法が開示される。
いくつかの実施形態では、粒子サイズ分布は、動的光散乱により決定される数分布である。動的光散乱（ＤＬＳ）は、分散物または懸濁液中の小粒子のサイズ分布プロファイルを決定するために使用できる技術である。ＤＬＳの範囲において、時間ゆらぎは典型的には、強度または光子自己相関関数（光子相関分光法または準弾性光散乱としても知られている）により分析される。時間領域解析では、自己相関関数（ＡＣＦ）は通常、ゼロ遅延時間から始まり減衰し、より小さな粒子によるより速い動力学は、散乱強度トレースのより速い非相関をもたらす。強度ＡＣＦは、パワースペクトルのフーリエ変換であることが示されており、そのため、ＤＬＳ測定は、スペクトルドメインにおいて同様によく実施され得る。
一実施形態では、粒子サイズ分布は、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）により決定される。ＴＥＭは、電子ビームが標本を通して透過されて画像を形成する顕微鏡法技術である。この場合、標本はほとんどの場合、グリッド上の懸濁液である。画像は、ビームが標本を通して透過される時に電子の試料との相互作用から形成される。画像は次いで、蛍光スクリーンなどのイメージング装置または電荷結合装置に結合されたシンチレータなどのセンサ上に拡大され、焦点合わせされる。
本明細書では、下記を含む、材料を焼結させる方法が開示される：分散物を形成するために粒子を液体と混合することであって、粒子は、Ｄ５０を含む粒子サイズ分布を有し、粒子の５０％は、Ｄ５０以下の直径を有し、Ｄ５０は、１００ｎｍ以下である、混合すること；分散物を基材上に堆積させて層を形成すること；ならびに、層を処理して粒子の少なくとも一部を焼結させること。様々な実施形態では、Ｄ５０は、５０ｎｍ以下、または３０ｎｍ以下、または２０ｎｍ以下、または１０ｎｍ以下、または５ｎｍ以下である。一実施形態では、層は、１ｍｍ以下または５００ミクロン以下または３００ミクロン以下または１００ミクロン以下または５０ミクロン以下の厚さを有する。
いくつかの実施形態では、材料を堆積させることは、噴射、バインダ噴射、インクジェット印刷、エアロゾル噴射、またはエアロゾルジェット印刷、液槽光重合、粉末床溶融結合、材料押出、指向性エネルギー堆積、シート積層、超音波インクジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。いくつかの実施形態では、上記液体は、水および水より低い沸点を有し、水と混和性である少なくとも１つの有機溶媒を含む。いくつかの実施形態では、上記液体は、水、界面活性剤、分散剤を含み、ポリマバインダを含まない。いくつかの実施形態では、上記液体は、１つ以上の有機溶媒を含み、水を含まない。いくつかの実施形態では、粒子は、Ｃｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、チタン、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％ＹＳＺ粉末）、イットリウム、ジルコニウム、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣまたはＣＧＯ）、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（ＬＳＧＭ）、ニッケル（Ｎｉ）、ＮｉＯ、ＮｉＯ－ＹＳＺ、Ｃｕ－ＣＧＯ、セリウム、ｃｒｏｆｅｒ、鋼、ランタンクロマイト、ドープランタンクロマイト、フェライト鋼、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせを含む。粒子は、電極または電解質について本明細書で前に列挙された任意の材料を含み得る。
いくつかの実施形態では、粒子は、二峰性粒子サイズ分布を有し、第１のモードにおける平均粒子サイズは、第２のモードにおける平均粒子サイズの少なくとも５倍である。いくつかの実施形態では、Ｄ１０は、５ｎｍ～５０ｎｍまたは５ｎｍ～１００ｎｍまたは５ｎｍ～２００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、Ｄ９０は、５０ｎｍ～５００ｎｍまたは５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲にある。いくつかの実施形態では、Ｄ９０／Ｄ１０は、２～１００または４～１００または２～２０または２～１０または４～２０または４～１０の範囲にある。
いくつかの実施形態では、方法は、分散物を堆積後に乾燥させることを含む。いくつかの実施形態では、乾燥は、堆積前に分散物を加熱すること、分散物と接触する基材を加熱すること、またはそれらの組み合わせを含む。乾燥は、１ｍｓ～１分または１秒～３０秒または３秒～１０秒の範囲の期間起こり得る。いくつかの実施形態では、分散物は、４０℃～１００℃または５０℃～９０℃または６０℃～８０℃または約７０℃の範囲の温度で堆積され得る。
いくつかの実施形態では、処理は、電磁放射線（ＥＭＲ）、または炉、またはプラズマ、または熱流体、または加熱要素、またはそれらの組み合わせの使用を含む。いくつかの実施形態では、ＥＭＲは、ＵＶ光、近紫外光、近赤外光、赤外光、可視光、レーザー、電子ビームまたはマイクロ波またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、ＥＭＲは、１曝露から構成される。他の実施形態では、ＥＭＲは、１０－４－１０００Ｈｚまたは１－１０００Ｈｚまたは１０－１０００Ｈｚの曝露周波数を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、５０ｍｍ以下の曝露距離を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、０．１ｍｓまたは１ｍｓ以上の曝露期間を有する。一実施形態では、ＥＭＲは、１００Ｖ以上のコンデンサ電圧を用いて適用される。
実施例
次の実施例は、本発明の様々な実施形態の開示の一部として提供される。そのようなものとして、以下で提供される情報はいずれも発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
実施例１．ＥＣ反応器スタックの製造
実施例１は、ＥＣ反応器スタック、例えば、燃料電池スタックを製造する好ましい方法を説明する。方法は、Ｃｅｒａｄｒｏｐ製のＡＭＭモデルｎｏ．００１２３２３およびＸｅｎｏｎ社製のＥＭＲモデルｎｏ．０９２３０９４２３を使用する。インターコネクト基材が置かれて、印刷を開始する。
第１の工程として、アノード層がＡＭＭにより製造される。この層は、下記表で示される組成を有するスラリーＡとして、ＡＭＭにより堆積される。この層は、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このアノード層は、１秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに照射することにより焼結される。
電解質層が、下記表に示される組成を有するスラリーＢを堆積させるＡＭＭによりアノード層の上面に形成される。この層は赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。この電解質層は、６０秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに照射することにより焼結される。
次に、カソード層が、下記表に示される組成を有するスラリーＣを堆積させるＡＭＭにより電解質層の上面に形成される。この層は、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このカソード層は、１／２秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに照射することにより焼結される。
インターコネクト層が、下記表に示される組成を有するスラリーＤを堆積させるＡＭＭによりカソード層の上面に形成される。この層は、赤外線ランプにより熱を適用することにより乾燥させられる。このインターコネクト層は、３０秒間キセノンフラッシュランプからの電磁パルスをそれに照射することにより焼結される。
これらの工程は次いで、６０回繰り返され、アノード層がインターコネクトの上面に形成される。結果は、６１個の燃料電池を有する燃料電池スタックである。
Figure 2022522603000002
実施例２．エタノール中のＬＳＣＦ
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＬＳＣＦ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＬＳＣＦ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＬＳＣＦ層を照射する。
実施例３．エタノール中のＣＧＯ
２００ｍｌのエタノールを３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
実施例４．水中のＣＧＯ
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＣＧＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＣＧＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、８，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＣＧＯ層を照射する。
実施例５．水中のＮｉＯ
２００ｍｌの脱イオン水を３０グラムのＮｉＯ粉末とビーカー中で混合する。混合物を遠心分離し、上方分散物および下方分散物を得る。上方分散物を取り出し、３Ｄプリンタを用いて基材上に堆積させ、ＮｉＯ層を形成する。キセノンランプ（１０ｋＷ）を使用して、１５，０００ｍｓの総曝露期間の間４００Ｖの電圧かつ１０Ｈｚのバースト周波数でＮｉＯ層を照射する。
実施例６．焼結結果
図１７は、走査電子顕微鏡画像（側面図）である。図１７は、電極（ＮｉＯ－ＹＳＺ）１７０２上で印刷され、焼結された電解質（ＹＳＺ）１７０１を示す。走査電子顕微鏡画像は、焼結構造の側面図を示し、これは電解質と電極の間の気密接触、電解質の完全高密度化、および焼結された多孔性電極微細構造を証明する。
実施例７．燃料電池スタック構造
４８ボルト燃料電池スタックは、約１０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約４ｃｍ×４ｃｍの長さ×幅および約７ｃｍの高さの寸法を有する。４８ボルト燃料電池スタックは、約５０００ワットの電力出力を有する６９個の電池を有する。このスタックにおける燃料電池は、約８．５ｃｍ×８．５ｃｍの長さ×幅および約．７ｃｍの高さの寸法を有する。
実施例８．溝付電極／流体分散構成要素
図１８は、ＥＣ反応器における半電池の一例を概略的に示す。図１８に示されるように、半電池１７００は、インターコネクト１８０１を含む。インターコネクト１８０１は、ドープランタンクロマイトを含む。半電池１８００は、インターコネクト１８０１上に印刷されたアノードセグメント１８０２を含む。アノードセグメントは、ＮｉＯ－ＹＳＺから構成される。アノードセグメント１８０２は、ＥＭＲを使用して焼結される（実施例１を参照されたい）。半電池１８００は、アノードセグメント１８０２間に堆積されるフィラー材料を含む。フィラー材料は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。半電池１８００は、ＹＳＺから構成されるフィラー材料１８０３上に印刷されるシールド１８０４を含む。追加のアノード材料１８０６が、アノードセグメント１８０２およびシールド１８０４を被覆するように印刷され、続いてＥＭＲを使用して焼結される。追加のアノード材料は、ＮｉＯ－ＹＳＺである。電解質１８０５は、追加のアノード材料１８０６上に印刷され、ＥＭＲを使用して焼結される。電解質１８０５は、ＹＳＺである。ＣＧＯから構成されるバリア層（図示せず）が、電解質上にさらに印刷され、ＥＭＲを使用して焼結される。ＬＳＣＦから構成されるカソードの層（図示せず）が、ＣＧＯバリア上に印刷され、焼結される。ＬＳＣＦから構成されるカソードセグメント（図示せず）が、この層上に印刷され、焼結される。これらのセグメントは、谷部を形成し、フィラーＰＭＭＡが、堆積されてこれらの谷部を充填する（図示せず）。ＹＳＺから構成されるシールドが、フィラー上に印刷される（図示せず）。ドープランタンクロマイトがシールドおよびカソードセグメントを被覆するように印刷され、次いで焼結されて、別のインターコネクト（図示せず）を形成する。フィラーが、炉加熱により除去され、溝付電極が生成され、または流体分散構成要素が、電解質とインターコネクトの間に形成される（図示せず）。
この開示は発明の異なる特徴、構造、または機能を実行するための例示的な実施形態を記載することが理解されるべきである。構成要素、配列、および構造の例示的な実施形態が本開示を簡略化するために記載される；しかしながら、これらの例示的な実施形態は、単に例として提供され、本発明の範囲を制限することを意図しない。本明細書で提示される実施形態は、他に特に規定がなければ、組み合わせることができる。そのような組み合わせは本開示の範囲から逸脱しない。
加えて、ある一定の用語が、説明および特許請求の範囲を通して、特定の構成要素または工程を示すために使用される。当業者が認識するように、様々な実体が異なる名称により同じ構成要素またはプロセス工程を示すことができ、そのようなものとして、本明細書で記載される要素のための命名規則は本発明の範囲を制限することを意図しない。さらに、本明細書で使用される用語および命名規則は、名称が異なっているが、機能は異なっていない構成要素、特徴、および／または工程間で区別することを意図しない。
本開示は様々な改変および代替形態を受けやすいが、その特定の実施形態が、図面および説明において例として示される。しかしながら、図面および詳細な説明は、本開示を開示される特定の形態に制限することを意図せず、それどころか、本開示の精神および範囲内にある全ての改変、等価物および代替物を包含することを意図することが理解されるべきである。

Claims (21)

  1. 装置を提供すること、前記装置に燃料を含む第１のストリームを導入すること、前記装置に水を含む第２のストリームを導入すること、水素へと前記第２のストリーム中の前記水を還元すること、および前記装置から水素を抽出することを含み、前記第１のストリームおよび前記第２のストリームは、前記装置内で互いに接触しない、水素を生成する方法。
  2. 前記第１のストリームは、前記水素と接触しない、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１のストリームおよび前記第２のストリームは、前記装置内の電解質により分離される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記電解質は、酸化物イオン伝導性でありかつ固体状態である、請求項３に記載の方法。
  5. 前記電解質は、ドープセリアを含みまたは前記電解質は、ランタンクロマイトまたは導電性金属またはそれらの組み合わせならびにドープセリア、ＹＳＺ、ＬＳＧＭ、ＳＳＺ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む、請求項３に記載の方法。
  6. 前記ランタンクロマイトは、アンドープランタンクロマイト、ストロンチウムドープランタンクロマイト、鉄ドープランタンクロマイト、ランタンカルシウムクロマイト、またはそれらの組み合わせを含み；ならびに前記導電性金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記電解質はまた、電子を伝導しかつ前記装置は、インターコネクトを含まない、請求項４に記載の方法。
  8. 前記装置は、管状である、請求項１に記載の方法。
  9. 前記燃料は、炭化水素または水素または一酸化炭素またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記第２のストリームは、水素を含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記第１のストリームは、水または二酸化炭素をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記第１のストリームは、水をほとんど～全く有しない燃料を含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記装置は、平面である、請求項１に記載の方法。
  14. 前記装置は、インターコネクトにより分離された複数の繰り返し単位を含み、各繰り返し単位は、前記電極間の電解質と共に２つの電極を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記電極は、流体チャネルまたは流体分散構成要素を含みかつ前記インターコネクトは、流体分散要素を含まない、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第１のストリームが装置に入る前に改質器に前記第１のストリームを導入することを含む請求項１に記載の方法。
  17. 前記改質器は、水蒸気改質器または自己熱改質器である、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記装置は、５００℃以上の温度で動作される、請求項１に記載の方法。
  19. 前記装置は、第１の電極および電解質により分離された第２の電極を含み、前記第１の電極または前記第２の電極は、ＮｉまたはＮｉＯならびにＹＳＺ、ＣＧＯ、ＳＤＣ、ＳＳＺ、ＬＳＧＭ、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む、請求項１に記載の方法。
  20. 前記装置は、第１の電極および電解質により分離された第２の電極を含み、前記第１の電極は、ドープまたはアンドープセリアならびにＣｕ、ＣｕＯ、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ、Ａｇ２Ｏ、Ａｕ、Ａｕ２Ｏ、Ａｕ２Ｏ３、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される材料を含む、請求項１に記載の方法。
  21. 前記第１の電極は、触媒を含む、請求項２０に記載の方法。
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