電気化学電池構造及びその製造方法
【課題】 本発明は一般に電気化学電池構造に関し、より具体的には、電気化学電池構造の改良及びこれに関連する製造及び処理技術の向上に関する。
【解決手段】 電気化学電池支持構造体は、複数の孔を定める導電性ベースと、導電性ベース上に配置されるグリッド層とを含む。多孔質支持層は、導電性ベース又は孔の少なくとも１つにグリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる。
【解決手段】 電気化学電池支持構造体は、複数の孔を定める導電性ベースと、導電性ベース上に配置されるグリッド層とを含む。多孔質支持層は、導電性ベース又は孔の少なくとも１つにグリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電気化学電池構造に関し、より具体的には、電気化学電池構造の改良及びこれに関連する製造及び処理技術の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学電池は、電解セル又は燃料電池のいずれかとして通常分類されるエネルギー変換装置である。電解セルは、水を電気分解して水素及び酸素ガスを生成することにより、水素発生器として機能することができる。燃料電池は、水素ガスを交換膜又は電解質にわたって酸化剤と電気化学的に反応させて、電気を発生させ、水を生成する。固体電解質型燃料電池のような燃料電池は、高効率で低公害の可能性を示しており、大規模な発電、分散電力及び自動車用途を含む多数の潜在的な用途を有する。
【０００３】
電気化学電池の進歩に関連する主要課題の１つは、特に大きな表面積を有する電極及び電解質材料を製作するコスト効果の良いプロセスを開発することである。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００４８６９９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１３４１７０号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０１８０６０２号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／０２２４２３８号公報
【特許文献５】米国特許第６，２５６，０９５号公報
【特許文献６】米国特許第６，４９２，０５３号公報
【特許文献７】国際特許出願第０２／０７８１１１号公報
【特許文献８】国際特許出願第０２／１０１８５９号公報
【特許文献９】米国特許出願第 11/235552号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第 11/235555号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、電気化学電池設計及び関連する製作技術の改良に対するニーズが当該技術分野において存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気化学電池支持構造体は、複数の孔を定める導電性ベースと、導電性ベース上に配置されるグリッド層とを含む。多孔質支持層は、導電性ベース又は孔の少なくとも１つにグリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の上記及び他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通じて同じ符号が同じ要素を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。
【０００７】
電池支持構造体１０は、図１に示すように、貫通する複数の孔１４を定める導電性ベース１２と、該導電性ベース１２上に配置されたグリッド層１６と、該グリッド層１６を少なくとも部分的に相互に貫通させる多孔質支持層１８とを含む。
【０００８】
上述のように、電気化学電池に関連する課題の１つは、特に大きな表面積用途に対する関連の製作及び製造技術である。幾つかの従来の電池設計において、電池は、通常のセラミックス処理技術を用いて製作され、セラミック電池は、接着ペーストを使用して金属性相互接続に接着される。接着ペーストは、電池構造体内部の抵抗損失の発生源である。燃料電池の直接堆積のような代替的なプロセスでは、電解質の品質は、下にある電極（電解質が堆積されている）の粗度及び欠陥に依存する。電極層内の起伏は、電池製作において、特に高速堆積技術において欠陥を生じる可能性がある。生成される欠陥の１つは、電池を貫通するピンホールリークである。この問題に対する１つの解決策は、堆積後に電極表面を研磨することであった。しかしながら、本解決方法は、大面積堆積に対して堅牢ではないことが予想される別のプロセス段階をもたらし、既に非効率なプロセスに非効率を上乗せする。
【０００９】
電気化学電池支持構造体１０は、これらの問題の各々に対処する。グリッド層１６は、導電性ベース１２上に配置されて、多孔質支持層１８はグリッド層１６内に相互貫通している。この構成は、接着ペーストを必要とせず、構成部品の使用中に分離される可能性が従来構成に較べてはるかに少なく、従って、構造的により安定している。更に、多孔質支持層１８は、比較的滑らかな表面を提供し、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術、或いは他の堆積技術といった原子論的堆積技術に対応する。
【００１０】
図１〜図３に示すように、導電性ベース１２は、貫通する一連の孔１４を含むプレート型構造体を含み、例えば、燃料又は酸化剤流などの流体流が導電性ベース１２の一方側から反対側まで流れるのを可能にする。１つの実施形態では、孔は、約０．２５インチから約０．５０インチまでの間の直径を有する。本明細書で説明する用語「孔」とは、流体流が導電性ベース１２の一方側から反対側まで流れるのを可能にする、あらゆるタイプの空隙、溝又は他のキャビティ構成を意味する。導電性ベース１２は通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体電解質水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）用途に関連する動作条件、すなわち高温高圧下で緩慢に酸化する金属で作られる。導電性ベース１２は通常、鉄、クロム、ニッケル、スズ、その組合せ又は、特にＳＯＦＣ及びＳＯＥＣ用途で相互接続材料として通常使用される他の材料で作られる金属の相互接続である。このような材料は通常、例えば鉄クロム（ＦｅＣｒ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）又はニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）基合金のようなクロム含有合金を含む。１つの実施形態では、導電性ベース１２は、フェライト系ステンレス鋼で作られる。導電性ベース１２及び付随する孔１４の寸法は、用途及びサイズ要件に応じて大きく異なる可能性がある。１つの実施形態では、導電性ベース１２は、孔１４の無い外周を有し、これによって電解質又は密閉材料が外周と重なりその中にガス流を密閉することができるようにする。
【００１１】
グリッド層１６は、導電性ベース１２上に配置される。グリッド層１６は通常、孔１４を含む導電性ベース１２の上面を覆うように位置付けられる。グリッド層１６は通常、例えばろう付け又は溶接のような接着を確実に行うあらゆる利用可能なプロセスを用いて構造的一体性を確保するために導電性ベース１２に取り付けられる。説明の目的で、グリッド層１６内部の各空きスペースを隙間２０と呼ぶことにする。グリッド層１６は通常、スチールワイヤグリッド、スクリーン、金属性ワイヤグリッド、導電性発泡体、クロミア成形グリッド又は類似材料である。グリッド層１６は通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体電解質水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）用途に関連する動作条件、すなわち高温高圧下で緩慢に酸化する金属で作られる。グリッド層１６は通常、鉄、クロム、ニッケル、スズ、その組合せ、或いは、特にＳＯＦＣ及びＳＯＥＣ用途で相互接続材料として通常使用される他の材料で作られる金属の相互接続である。このような材料は通常、例えばＦｅＣｒ、ＮｉＣｒ又はＮｉＦｅＣｒ基合金のようなクロム含有合金を含む。１つの実施形態では、グリッド層は、フェライト系ステンレス鋼で作られる。
【００１２】
グリッド層１６の機能要件は、これが構造的一体性を確保すべく導電性ベース１２に取り付け可能であり、以下に更に詳述するように流体の流れを促進し且つ多孔質支持層１８を係合する開口又は隙間２０を提供することである。隙間２０は、様々な寸法を有することができ、同じ形の断面を有する必要はない。１つの実施形態では、隙間２０は、約２０から約２５００ミクロンの範囲内の幅を有する。
【００１３】
図１〜図３に示すように、多孔質支持層１８は、グリッド層１６上に配置され、隙間２０を貫通又は相互貫通し、更にグリッド層１６の上面を被覆して平滑な外面２２を生成する。１つの実施形態では、多孔質支持層１８は電極材料である。多孔質支持層１８の機能要件は、これが隙間２０を貫通し、流体がその多孔質構造体を通って流れるのを促進し、更に、堆積技術を可能にするような比較的滑らかな外面２２を提供することである。１つの実施形態では、多孔質支持層１８の熱膨張率（ＣＴＥ）は、グリッド層１６のＣＴＥに実質的に一致して、熱サイクル中の亀裂を回避する。
【００１４】
電気化学電池構造体３０を完成するために、高密度電解質２４（図３）が、多孔質支持層１８、すなわちこの事例では第１の電極１８に塗布される。１つの実施形態では、電解質２４は、例えば物理気相成長法（ＰＶＤ）又はプラズマ溶射法のような直接堆積法を使用して多孔質支持層１８の平滑な外面２２上に堆積される。通常、高密度電解質２４は、第１の電極１８の平滑な外面２２を完全に覆い、平滑な外面２２のどの部分も露出されないようにする。最後に、第２の電極２６が第１の電極１８の反対側の電極２４に塗布される。１つの実施形態では、第２の電極２６は、例えばＰＶＤのような直接堆積法を使用して、或いは代替的に、液体分散粒子のスクリーン印刷法又は塗料吹付け法の使用により高密度電解質２４上に堆積される。
【００１５】
１つの実施形態では、電気化学電池構造体１０（図１）は、ろう付け又は溶接のような従来の処理を用いて金属グリッド層１６を金属の有孔導電性ベースプレート１２に最初に取り付けることによって製作される。次に、第１の電極１８（多孔質支持層）が、金属性グリッド層１６に塗布される。１つの実施形態では、第１の電極１８は、スクリーン印刷法のようないずれかの従来処理技術を使用して、変形可能質量体をグリッド層１６の隙間２０内に押し込むことによって塗布される。別の実施形態では、第１の電極１８は、粉体形態の第１の電極１８をグリッド層１６内にスリップキャストし、あらゆる水を除去するために多孔質裏打ちシートを用いることにより金属性グリッド層１６に塗布される。別の実施形態では、第１の電極１８は、金属性グリッド層１６及び導電性ベースプレート１２をスリップ内に浸漬して、電圧印加状態下で粒子を隙間２０に充填させることによる電気泳動堆積法を使用して金属性グリッド層１６に塗布される。
【００１６】
別の実施形態では、第１の電極１８は、テープキャスト法のような共キャスト技術を使用して、金属性グリッド層１６に塗布される。金属性グリッド１６、ベースプレート１２及び第１の電極１８は次いで、約８００℃と約１２００℃の間の温度で加熱され、第１の電極１８の粒子間に強い結合を生成する。第１の電極１８又は第２の電極２６（図３）の触媒作用を強化するために、これらは、電極材料の液体前駆体又は粒子の細かな分散によって浸潤されて、触媒作用が利用可能な３相境界領域を強化するであろう微細スケール構造体を生成することができる。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、電極電池構造５０は、図４に示すように、メッシュ基板５２と、該メッシュ基板５２上に堆積されてこれを相互貫通する多孔質電極材料５４とを含む。
【００１８】
上述のように、電気化学電池に関連する課題の１つは、特により大きな表面積用途に対する関連の製作及び製造技術である。幾つかの従来の電池設計では、セルは、通常のセラミックス処理技術を使用して製作され、セラミック電池は、接着ペーストを使用して金属性相互接続に接着される。通常のセラミックス処理に関連する１つの問題は、結果として得られる電極材料が厚みが低減された有利な微小構造体で形成されるようになることである。
【００１９】
電極電池構造５０は、これらの課題の各々に対処する。メッシュ基板５２は、通常はステンレス鋼又はニッケルスクリーンのいずれかのスクリーン、或いは複数の隙間５６又は開口を有する金属性薄片である。例えば、ニッケル（Ｎｉ）及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような好適な電極材料５４がメッシュ基板５２に適用され、メッシュ基板５２の隙間５６において多数の柱状細孔を有し、より小さな開口に先細になる微小構造体を生成する。この柱状細孔構造体は、電極電池構造５０内への流体（燃料又は酸化剤）の浸透を促進させることになる。１つの実施形態では、電極材料５４は、メッシュ基板５２の上側及び下側の双方に施工される。本実施形態では、メッシュ基板５２は、得られる電極に対して、柱状細孔を促進し、電極を構造的に支持し、更に亀裂を抑制するための支持骨格として機能する。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では図５に示すように、電極材料５４は、例えば電子ビーム物理気相成長システム（ＥＢ−ＰＶＤ）又は他のいずれかの適切な堆積システムのような堆積システム５８を使用してメッシュ基板５２上に堆積される。ＥＢ−ＰＶＤシステムの使用によってもたらされる１つの利点は、典型的にはＥＢ−ＰＶＤが、電気化学電池構造において望ましいサブミクロンの粒径を有する超微小構造をもたらす点にある。
【００２１】
１つの実施形態では、ステンレス鋼スクリーンが、約５０μｍの厚さと約７５μｍ以下の隙間の直径を有するメッシュ基板５２として使用される。隙間の間隔もまた極めて小さく、例えば中心で約１５０μｍである。電極材料５４は、ＥＢ−ＰＶＤプロセスによってメッシュ基板５２上に堆積される。１つの実施形態では、例えばニッケル及びＹＳＺのような２つの発生源からの同時蒸着が使用される。１つの実施形態では、堆積システム５８は、メッシュ基板５２に関する法線に対し角度θで位置付けられる。１つの実施形態では、角度θは、約２５°と約６５°の間であり、約３５°と約５５°の間が好ましい。これらの角度では、シャドウイングが発生し、隙間５６を漸次的に閉じることが可能となる。
【００２２】
１つの別の実施形態では、隙間５６は、堆積の前に例えば塩化ナトリウムのような消失材料で覆われる。隙間内の消失材料は、隙間のサイズを減少させると共に、その場所で成長欠陥がもたらされる。塩化ナトリウムの蒸発はまた、電極内に高レベルの空隙率を生じることになる。
【００２３】
図６は、本発明に関連する１つのプロセスを示すフロー図である。Ｓ１で、メッシュ基板５２が堆積のために位置付けられる。次いでＳ２で、堆積源５８が、メッシュ基板に対して角度θで位置付けられる。次にＳ３で、消失材料が任意選択的にメッシュ基板に塗布される。最後にＳ４で、多孔質電極材料５４がメッシュ基板５２上に堆積される。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、電気化学電池構造体１００は、図７に示すように例えば金属性発泡体などの多孔質導電性ベース１０２と、多孔質導電性ベース１０２上に堆積され、部分的に多孔質導電性ベース１０２内に相互貫通する支持層１０４とを含む。１つの実施形態では、多孔質導電性ベース１０２は、ニッケル発泡体を含む。別の実施形態では、支持層１０４は電極材料である。
【００２５】
支持層１０４は、多孔質導電性ベース１０２上に配置され、多孔質導電性ベース１０２内に相互貫通する。この構成は、接着ペーストを必要とせず、構成部品が使用中に分離される可能性が従来構成に較べてはるかに少なく、従って構造的により安定している。加えて支持層１０４は、比較的滑らかな表面を提供し、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術、或いは他の堆積技術といった原子論的堆積技術に対応する。１つの実施形態では、支持層１０４は、ＰＶＤ又はＥＢ−ＰＶＤのような堆積技術を使用して多孔質導電性ベース１０２上に堆積される。
【００２６】
本明細書で説明するように、電極材料は、いずれかの従来型の電極材料を含むことができ、例えば、イットリア安定化ジルコニア；ランタンガレート；ドープ酸化セリウム；セリア安定化ジルコニア；ＣａＯ安定化ジルコニア、ＭｇＯ安定化ジルコニア、Ｍ２Ｏ３安定化ジルコニア（ここでＭはＹ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｓｍ又はＧｄからなるグループから選択される）などの安定化ジルコニア；Ｌａ（１−ｘ−ｗ）Ｓｒ（ｘ−ｗ）Ｇａ（１−ｙ）Ｍｇ（ｙ＋ｚ）Ｏ３−０．５（ｘ＋ｙ＋５ｗ−２ｘ）の一般組成を有するランタンガレート（ここで０．３＝ｘ＝０．１、０．３＝ｙ＝０．１、０．０４＝ｗ＝０．０１、０．１５＝ｚ＝０．０３）；ＣｅＯ２がＬａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、他の希土類酸化物、Ｇｄ２Ｏ３＋Ｐｒ２Ｏ３、ＣａＯ、ＳｒＯからの１つ又は１つの混合物でドープされたドープ酸化セリウム；特定の物質で安定化されたビスマス三二酸化物Ｂｉ２Ｏ３−ＭＯ（ここでＭはカルシウム、ストロンチウム又はバリウム）；一般式Ａ２Ｂ２Ｏ７、特にＬｎ２Ｚｒ２Ｏ７の酸化バイロクロア（ここでＬｎは、Ｇｄ２（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）２Ｏ７（ＧＺＴ）及びＹ２（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）２Ｏ７（ＹＺＴ）のようなランタノイド）；或いは、ＢｅＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ３、ＣａＡｌ０．７Ｔｉ０．３Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９Ｓｃ０．１Ｏ３又はこれらの組み合わせなどのペロフスカイト構造体を含む。
【００２７】
本明細書で説明されるように、電極材料は、アノード材料及びカソード材料を含むことができる。アノード材料は、例えば、金属及び実質的に還元されて金属を形成することになる金属酸化物の少なくとも１つのような電子伝導性材料とイオン伝導性材料とから構成される混合物；ニッケル、酸化ニッケル、白金族金属の少なくとも１つ；電子伝導性材料の単一相；Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ又はＲｕを含む特定の金属；ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３−ＴｉＯ２系を含む混合酸化物導体；又はそれらの組み合わせを含む、あらゆる従来のアノード材料を含むことができる。カソード材料は、例えば、金属及び実質的に還元されて金属を形成することになる金属酸化物の少なくとも１つのような電子伝導性材料とイオン伝導性材料とを含む混合物；ニッケル、酸化ニッケル、又は白金族金属の少なくとも１つ；ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩；ドープランタン輝コバルト鉱；白金族金属、ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩、ドープランタンフェライト、及びドープランタン輝コバルト鉱及び電子伝導性材料の少なくとも１つから構成される混合物；ドープランタン亜マンガン酸塩；Ｂａ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｋ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｓｒ、Ｔｉ又はＹのような種々の陽イオンで置換されたＬａＭｎＯ３；一般式Ｌａ（１−ｘ）ＳｒｘＭｎＯ３を有し、更にＣｏ又はＣｒでドープ可能なランタンストロンチウム亜マンガン酸塩；ランタン輝コバルト鉱；伝導率又は熱膨張率を調整するためにＳｒ、Ｃａ、Ｍｎ又はＮｉでドープされたＬａＣｏＯ３；例えばＬａ０．８Ｓｒ０．２ＦｅｘＣｏｙＯ３のようなドープランタンフェライト；又はこれらの組合せを含むあらゆる従来のカソード材料を含むことができる。
【００２８】
更に、本発明は、間に電解質が配置されたカソード及びアノードの２つの電極に関して説明したが、別の実施形態では、追加の層を含むことができる。例えば、特定の実施形態は、電極と電解質との間に堆積されるバッファー層を含むことができる。これらのバッファー層は、限定ではないが、他の層間の有害な化学的相互作用を阻止することを含む、様々な理由から含むことができる。例えば幾つかの実施形態は、セリウム−ガドリニウム酸化物の中間層又は同様のものを含むことができ、これらを用いて、ＹＳＺの層と、ランタン輝コバルト鉱、ランタンストロンチウムフェライト又はその混合物の層との間の相互拡散及び化学的相互作用を低減することができる。同様に、サマリウムドープの酸化セリウム（Ｃｅ１−ｘＳｍｘＯ２−０．５ｘ）の中間層を用いて、ＮｉＯ：ＣｅＯ２の複合アノードとＬＳＧＭ（Ｌａ１．８Ｓｒ０．２Ｇａ１−ｙＭｇｙＯ２．９−０．５ｙ、ここで０．０５＜ｙ＜０．３）と間の相互拡散及び化学的相互作用を低減することができる。
【００２９】
本明細書内で説明した実施形態の幾つかは、特に大表面積に対する堆積における堆積用の高空隙率支持体又は基板を提供し、各支持体は、ガス輸送抵抗が低く機械的及び熱的ストレスに対し堅牢であるように調整されている。加えて、実施形態の幾つかは、様々な堆積方法に好適な比較的滑らかな外面を提供する。本発明で説明された導電性ベースは、典型的には相互接続であり、より具体的には金属相互接続である。多孔質又は細孔質支持材料又は基板材料は、カソード材料又はアノード材料のいずれかを含むことができ、又は代替的に、多孔質又は細孔質支持材料は、ガス拡散層のような別の層を含んでもよい。実施形態の多くでは、多孔質又は細孔質支持材料は電極であり、残りの電池層の堆積に対し比較的滑らかな表面を提供する。加えて、実施形態の多くは、導電性ベースに取り付けられるスクリーンのようなメッシュ材料の使用を伴う。通常、メッシュ材料は、導電性ベースと同じか、又は類似の材料で作られる。導電性ベース及びメッシュ材料が各々相互接続材料で作られる場合、結果として得られる構造は、機械的耐久性が改善され、電流はメッシュ材料に、次いで導電性ベースに対して横方向に進むことができるので、電流路は、電極／相互接続表面に平行に通常は生じる亀裂の影響をあまり受けない。更に、支持されていない電極及び電解質層の寸法は、メッシュ材料の隙間のより小さな寸法までに大幅に縮小され、得られる電池に対し機械的耐久性が更に上乗せされる。
【００３０】
本発明の特定の特徴部のみを本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば、多数の修正及び変更が想起されるであろう。例えば、本発明の実施形態の幾つかは、燃料電池スタック構成に関して説明したが、これは本発明を限定するものではなく、実際に本発明は、例えば管状燃料電池バンドル又は構成を含む別の燃料電池構成の範囲内で使用することが企図される。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神に含まれる全てのこのような修正及び変更を保護するものとされる点を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】要素が取り除かれた状態の本発明の１つの実施形態の斜視図。
【図２】要素が取り除かれた状態の本発明の１つの実施形態の別の斜視図。
【図３】本発明の１つの実施形態の側断面図。
【図４】要素が取り除かれた状態の本発明の別の実施形態の平面図。
【図５】本発明の１つの実施形態の概略表示。
【図６】本発明の１つの実施形態に関連する方法段階を示すフローチャート。
【図７】本発明の別の実施形態の側断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 電池支持構造
１２ 導電性ベース
１４ 孔
１６ グリッド層
１８ 多孔質支持層、第１の電極
２０ 隙間
２２ 外面
２４ 電解質
２６ 第２の電極
３０ 電池構造
５０ 電極電池構造
５２ メッシュ基板
５４ 多孔質電極材料
５６ 隙間
５８ 堆積システム
１００ 電池支持構造
１０２ 多孔質導電性ベース
１０４ 支持層
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電気化学電池構造に関し、より具体的には、電気化学電池構造の改良及びこれに関連する製造及び処理技術の向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学電池は、電解セル又は燃料電池のいずれかとして通常分類されるエネルギー変換装置である。電解セルは、水を電気分解して水素及び酸素ガスを生成することにより、水素発生器として機能することができる。燃料電池は、水素ガスを交換膜又は電解質にわたって酸化剤と電気化学的に反応させて、電気を発生させ、水を生成する。固体電解質型燃料電池のような燃料電池は、高効率で低公害の可能性を示しており、大規模な発電、分散電力及び自動車用途を含む多数の潜在的な用途を有する。
【０００３】
電気化学電池の進歩に関連する主要課題の１つは、特に大きな表面積を有する電極及び電解質材料を製作するコスト効果の良いプロセスを開発することである。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００４８６９９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１３４１７０号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０１８０６０２号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／０２２４２３８号公報
【特許文献５】米国特許第６，２５６，０９５号公報
【特許文献６】米国特許第６，４９２，０５３号公報
【特許文献７】国際特許出願第０２／０７８１１１号公報
【特許文献８】国際特許出願第０２／１０１８５９号公報
【特許文献９】米国特許出願第 11/235552号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第 11/235555号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、電気化学電池設計及び関連する製作技術の改良に対するニーズが当該技術分野において存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気化学電池支持構造体は、複数の孔を定める導電性ベースと、導電性ベース上に配置されるグリッド層とを含む。多孔質支持層は、導電性ベース又は孔の少なくとも１つにグリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の上記及び他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通じて同じ符号が同じ要素を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとより理解されるであろう。
【０００７】
電池支持構造体１０は、図１に示すように、貫通する複数の孔１４を定める導電性ベース１２と、該導電性ベース１２上に配置されたグリッド層１６と、該グリッド層１６を少なくとも部分的に相互に貫通させる多孔質支持層１８とを含む。
【０００８】
上述のように、電気化学電池に関連する課題の１つは、特に大きな表面積用途に対する関連の製作及び製造技術である。幾つかの従来の電池設計において、電池は、通常のセラミックス処理技術を用いて製作され、セラミック電池は、接着ペーストを使用して金属性相互接続に接着される。接着ペーストは、電池構造体内部の抵抗損失の発生源である。燃料電池の直接堆積のような代替的なプロセスでは、電解質の品質は、下にある電極（電解質が堆積されている）の粗度及び欠陥に依存する。電極層内の起伏は、電池製作において、特に高速堆積技術において欠陥を生じる可能性がある。生成される欠陥の１つは、電池を貫通するピンホールリークである。この問題に対する１つの解決策は、堆積後に電極表面を研磨することであった。しかしながら、本解決方法は、大面積堆積に対して堅牢ではないことが予想される別のプロセス段階をもたらし、既に非効率なプロセスに非効率を上乗せする。
【０００９】
電気化学電池支持構造体１０は、これらの問題の各々に対処する。グリッド層１６は、導電性ベース１２上に配置されて、多孔質支持層１８はグリッド層１６内に相互貫通している。この構成は、接着ペーストを必要とせず、構成部品の使用中に分離される可能性が従来構成に較べてはるかに少なく、従って、構造的により安定している。更に、多孔質支持層１８は、比較的滑らかな表面を提供し、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術、或いは他の堆積技術といった原子論的堆積技術に対応する。
【００１０】
図１〜図３に示すように、導電性ベース１２は、貫通する一連の孔１４を含むプレート型構造体を含み、例えば、燃料又は酸化剤流などの流体流が導電性ベース１２の一方側から反対側まで流れるのを可能にする。１つの実施形態では、孔は、約０．２５インチから約０．５０インチまでの間の直径を有する。本明細書で説明する用語「孔」とは、流体流が導電性ベース１２の一方側から反対側まで流れるのを可能にする、あらゆるタイプの空隙、溝又は他のキャビティ構成を意味する。導電性ベース１２は通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体電解質水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）用途に関連する動作条件、すなわち高温高圧下で緩慢に酸化する金属で作られる。導電性ベース１２は通常、鉄、クロム、ニッケル、スズ、その組合せ又は、特にＳＯＦＣ及びＳＯＥＣ用途で相互接続材料として通常使用される他の材料で作られる金属の相互接続である。このような材料は通常、例えば鉄クロム（ＦｅＣｒ）、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）又はニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）基合金のようなクロム含有合金を含む。１つの実施形態では、導電性ベース１２は、フェライト系ステンレス鋼で作られる。導電性ベース１２及び付随する孔１４の寸法は、用途及びサイズ要件に応じて大きく異なる可能性がある。１つの実施形態では、導電性ベース１２は、孔１４の無い外周を有し、これによって電解質又は密閉材料が外周と重なりその中にガス流を密閉することができるようにする。
【００１１】
グリッド層１６は、導電性ベース１２上に配置される。グリッド層１６は通常、孔１４を含む導電性ベース１２の上面を覆うように位置付けられる。グリッド層１６は通常、例えばろう付け又は溶接のような接着を確実に行うあらゆる利用可能なプロセスを用いて構造的一体性を確保するために導電性ベース１２に取り付けられる。説明の目的で、グリッド層１６内部の各空きスペースを隙間２０と呼ぶことにする。グリッド層１６は通常、スチールワイヤグリッド、スクリーン、金属性ワイヤグリッド、導電性発泡体、クロミア成形グリッド又は類似材料である。グリッド層１６は通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体電解質水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）用途に関連する動作条件、すなわち高温高圧下で緩慢に酸化する金属で作られる。グリッド層１６は通常、鉄、クロム、ニッケル、スズ、その組合せ、或いは、特にＳＯＦＣ及びＳＯＥＣ用途で相互接続材料として通常使用される他の材料で作られる金属の相互接続である。このような材料は通常、例えばＦｅＣｒ、ＮｉＣｒ又はＮｉＦｅＣｒ基合金のようなクロム含有合金を含む。１つの実施形態では、グリッド層は、フェライト系ステンレス鋼で作られる。
【００１２】
グリッド層１６の機能要件は、これが構造的一体性を確保すべく導電性ベース１２に取り付け可能であり、以下に更に詳述するように流体の流れを促進し且つ多孔質支持層１８を係合する開口又は隙間２０を提供することである。隙間２０は、様々な寸法を有することができ、同じ形の断面を有する必要はない。１つの実施形態では、隙間２０は、約２０から約２５００ミクロンの範囲内の幅を有する。
【００１３】
図１〜図３に示すように、多孔質支持層１８は、グリッド層１６上に配置され、隙間２０を貫通又は相互貫通し、更にグリッド層１６の上面を被覆して平滑な外面２２を生成する。１つの実施形態では、多孔質支持層１８は電極材料である。多孔質支持層１８の機能要件は、これが隙間２０を貫通し、流体がその多孔質構造体を通って流れるのを促進し、更に、堆積技術を可能にするような比較的滑らかな外面２２を提供することである。１つの実施形態では、多孔質支持層１８の熱膨張率（ＣＴＥ）は、グリッド層１６のＣＴＥに実質的に一致して、熱サイクル中の亀裂を回避する。
【００１４】
電気化学電池構造体３０を完成するために、高密度電解質２４（図３）が、多孔質支持層１８、すなわちこの事例では第１の電極１８に塗布される。１つの実施形態では、電解質２４は、例えば物理気相成長法（ＰＶＤ）又はプラズマ溶射法のような直接堆積法を使用して多孔質支持層１８の平滑な外面２２上に堆積される。通常、高密度電解質２４は、第１の電極１８の平滑な外面２２を完全に覆い、平滑な外面２２のどの部分も露出されないようにする。最後に、第２の電極２６が第１の電極１８の反対側の電極２４に塗布される。１つの実施形態では、第２の電極２６は、例えばＰＶＤのような直接堆積法を使用して、或いは代替的に、液体分散粒子のスクリーン印刷法又は塗料吹付け法の使用により高密度電解質２４上に堆積される。
【００１５】
１つの実施形態では、電気化学電池構造体１０（図１）は、ろう付け又は溶接のような従来の処理を用いて金属グリッド層１６を金属の有孔導電性ベースプレート１２に最初に取り付けることによって製作される。次に、第１の電極１８（多孔質支持層）が、金属性グリッド層１６に塗布される。１つの実施形態では、第１の電極１８は、スクリーン印刷法のようないずれかの従来処理技術を使用して、変形可能質量体をグリッド層１６の隙間２０内に押し込むことによって塗布される。別の実施形態では、第１の電極１８は、粉体形態の第１の電極１８をグリッド層１６内にスリップキャストし、あらゆる水を除去するために多孔質裏打ちシートを用いることにより金属性グリッド層１６に塗布される。別の実施形態では、第１の電極１８は、金属性グリッド層１６及び導電性ベースプレート１２をスリップ内に浸漬して、電圧印加状態下で粒子を隙間２０に充填させることによる電気泳動堆積法を使用して金属性グリッド層１６に塗布される。
【００１６】
別の実施形態では、第１の電極１８は、テープキャスト法のような共キャスト技術を使用して、金属性グリッド層１６に塗布される。金属性グリッド１６、ベースプレート１２及び第１の電極１８は次いで、約８００℃と約１２００℃の間の温度で加熱され、第１の電極１８の粒子間に強い結合を生成する。第１の電極１８又は第２の電極２６（図３）の触媒作用を強化するために、これらは、電極材料の液体前駆体又は粒子の細かな分散によって浸潤されて、触媒作用が利用可能な３相境界領域を強化するであろう微細スケール構造体を生成することができる。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、電極電池構造５０は、図４に示すように、メッシュ基板５２と、該メッシュ基板５２上に堆積されてこれを相互貫通する多孔質電極材料５４とを含む。
【００１８】
上述のように、電気化学電池に関連する課題の１つは、特により大きな表面積用途に対する関連の製作及び製造技術である。幾つかの従来の電池設計では、セルは、通常のセラミックス処理技術を使用して製作され、セラミック電池は、接着ペーストを使用して金属性相互接続に接着される。通常のセラミックス処理に関連する１つの問題は、結果として得られる電極材料が厚みが低減された有利な微小構造体で形成されるようになることである。
【００１９】
電極電池構造５０は、これらの課題の各々に対処する。メッシュ基板５２は、通常はステンレス鋼又はニッケルスクリーンのいずれかのスクリーン、或いは複数の隙間５６又は開口を有する金属性薄片である。例えば、ニッケル（Ｎｉ）及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような好適な電極材料５４がメッシュ基板５２に適用され、メッシュ基板５２の隙間５６において多数の柱状細孔を有し、より小さな開口に先細になる微小構造体を生成する。この柱状細孔構造体は、電極電池構造５０内への流体（燃料又は酸化剤）の浸透を促進させることになる。１つの実施形態では、電極材料５４は、メッシュ基板５２の上側及び下側の双方に施工される。本実施形態では、メッシュ基板５２は、得られる電極に対して、柱状細孔を促進し、電極を構造的に支持し、更に亀裂を抑制するための支持骨格として機能する。
【００２０】
本発明の１つの実施形態では図５に示すように、電極材料５４は、例えば電子ビーム物理気相成長システム（ＥＢ−ＰＶＤ）又は他のいずれかの適切な堆積システムのような堆積システム５８を使用してメッシュ基板５２上に堆積される。ＥＢ−ＰＶＤシステムの使用によってもたらされる１つの利点は、典型的にはＥＢ−ＰＶＤが、電気化学電池構造において望ましいサブミクロンの粒径を有する超微小構造をもたらす点にある。
【００２１】
１つの実施形態では、ステンレス鋼スクリーンが、約５０μｍの厚さと約７５μｍ以下の隙間の直径を有するメッシュ基板５２として使用される。隙間の間隔もまた極めて小さく、例えば中心で約１５０μｍである。電極材料５４は、ＥＢ−ＰＶＤプロセスによってメッシュ基板５２上に堆積される。１つの実施形態では、例えばニッケル及びＹＳＺのような２つの発生源からの同時蒸着が使用される。１つの実施形態では、堆積システム５８は、メッシュ基板５２に関する法線に対し角度θで位置付けられる。１つの実施形態では、角度θは、約２５°と約６５°の間であり、約３５°と約５５°の間が好ましい。これらの角度では、シャドウイングが発生し、隙間５６を漸次的に閉じることが可能となる。
【００２２】
１つの別の実施形態では、隙間５６は、堆積の前に例えば塩化ナトリウムのような消失材料で覆われる。隙間内の消失材料は、隙間のサイズを減少させると共に、その場所で成長欠陥がもたらされる。塩化ナトリウムの蒸発はまた、電極内に高レベルの空隙率を生じることになる。
【００２３】
図６は、本発明に関連する１つのプロセスを示すフロー図である。Ｓ１で、メッシュ基板５２が堆積のために位置付けられる。次いでＳ２で、堆積源５８が、メッシュ基板に対して角度θで位置付けられる。次にＳ３で、消失材料が任意選択的にメッシュ基板に塗布される。最後にＳ４で、多孔質電極材料５４がメッシュ基板５２上に堆積される。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、電気化学電池構造体１００は、図７に示すように例えば金属性発泡体などの多孔質導電性ベース１０２と、多孔質導電性ベース１０２上に堆積され、部分的に多孔質導電性ベース１０２内に相互貫通する支持層１０４とを含む。１つの実施形態では、多孔質導電性ベース１０２は、ニッケル発泡体を含む。別の実施形態では、支持層１０４は電極材料である。
【００２５】
支持層１０４は、多孔質導電性ベース１０２上に配置され、多孔質導電性ベース１０２内に相互貫通する。この構成は、接着ペーストを必要とせず、構成部品が使用中に分離される可能性が従来構成に較べてはるかに少なく、従って構造的により安定している。加えて支持層１０４は、比較的滑らかな表面を提供し、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術、或いは他の堆積技術といった原子論的堆積技術に対応する。１つの実施形態では、支持層１０４は、ＰＶＤ又はＥＢ−ＰＶＤのような堆積技術を使用して多孔質導電性ベース１０２上に堆積される。
【００２６】
本明細書で説明するように、電極材料は、いずれかの従来型の電極材料を含むことができ、例えば、イットリア安定化ジルコニア；ランタンガレート；ドープ酸化セリウム；セリア安定化ジルコニア；ＣａＯ安定化ジルコニア、ＭｇＯ安定化ジルコニア、Ｍ２Ｏ３安定化ジルコニア（ここでＭはＹ、Ｓｃ、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｓｍ又はＧｄからなるグループから選択される）などの安定化ジルコニア；Ｌａ（１−ｘ−ｗ）Ｓｒ（ｘ−ｗ）Ｇａ（１−ｙ）Ｍｇ（ｙ＋ｚ）Ｏ３−０．５（ｘ＋ｙ＋５ｗ−２ｘ）の一般組成を有するランタンガレート（ここで０．３＝ｘ＝０．１、０．３＝ｙ＝０．１、０．０４＝ｗ＝０．０１、０．１５＝ｚ＝０．０３）；ＣｅＯ２がＬａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、他の希土類酸化物、Ｇｄ２Ｏ３＋Ｐｒ２Ｏ３、ＣａＯ、ＳｒＯからの１つ又は１つの混合物でドープされたドープ酸化セリウム；特定の物質で安定化されたビスマス三二酸化物Ｂｉ２Ｏ３−ＭＯ（ここでＭはカルシウム、ストロンチウム又はバリウム）；一般式Ａ２Ｂ２Ｏ７、特にＬｎ２Ｚｒ２Ｏ７の酸化バイロクロア（ここでＬｎは、Ｇｄ２（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）２Ｏ７（ＧＺＴ）及びＹ２（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）２Ｏ７（ＹＺＴ）のようなランタノイド）；或いは、ＢｅＣｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ３、ＣａＡｌ０．７Ｔｉ０．３Ｏ３、ＳｒＺｒ０．９Ｓｃ０．１Ｏ３又はこれらの組み合わせなどのペロフスカイト構造体を含む。
【００２７】
本明細書で説明されるように、電極材料は、アノード材料及びカソード材料を含むことができる。アノード材料は、例えば、金属及び実質的に還元されて金属を形成することになる金属酸化物の少なくとも１つのような電子伝導性材料とイオン伝導性材料とから構成される混合物；ニッケル、酸化ニッケル、白金族金属の少なくとも１つ；電子伝導性材料の単一相；Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ又はＲｕを含む特定の金属；ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３−ＴｉＯ２系を含む混合酸化物導体；又はそれらの組み合わせを含む、あらゆる従来のアノード材料を含むことができる。カソード材料は、例えば、金属及び実質的に還元されて金属を形成することになる金属酸化物の少なくとも１つのような電子伝導性材料とイオン伝導性材料とを含む混合物；ニッケル、酸化ニッケル、又は白金族金属の少なくとも１つ；ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩；ドープランタン輝コバルト鉱；白金族金属、ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩、ドープランタンフェライト、及びドープランタン輝コバルト鉱及び電子伝導性材料の少なくとも１つから構成される混合物；ドープランタン亜マンガン酸塩；Ｂａ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｋ、Ｒｂ、Ｎａ、Ｓｒ、Ｔｉ又はＹのような種々の陽イオンで置換されたＬａＭｎＯ３；一般式Ｌａ（１−ｘ）ＳｒｘＭｎＯ３を有し、更にＣｏ又はＣｒでドープ可能なランタンストロンチウム亜マンガン酸塩；ランタン輝コバルト鉱；伝導率又は熱膨張率を調整するためにＳｒ、Ｃａ、Ｍｎ又はＮｉでドープされたＬａＣｏＯ３；例えばＬａ０．８Ｓｒ０．２ＦｅｘＣｏｙＯ３のようなドープランタンフェライト；又はこれらの組合せを含むあらゆる従来のカソード材料を含むことができる。
【００２８】
更に、本発明は、間に電解質が配置されたカソード及びアノードの２つの電極に関して説明したが、別の実施形態では、追加の層を含むことができる。例えば、特定の実施形態は、電極と電解質との間に堆積されるバッファー層を含むことができる。これらのバッファー層は、限定ではないが、他の層間の有害な化学的相互作用を阻止することを含む、様々な理由から含むことができる。例えば幾つかの実施形態は、セリウム−ガドリニウム酸化物の中間層又は同様のものを含むことができ、これらを用いて、ＹＳＺの層と、ランタン輝コバルト鉱、ランタンストロンチウムフェライト又はその混合物の層との間の相互拡散及び化学的相互作用を低減することができる。同様に、サマリウムドープの酸化セリウム（Ｃｅ１−ｘＳｍｘＯ２−０．５ｘ）の中間層を用いて、ＮｉＯ：ＣｅＯ２の複合アノードとＬＳＧＭ（Ｌａ１．８Ｓｒ０．２Ｇａ１−ｙＭｇｙＯ２．９−０．５ｙ、ここで０．０５＜ｙ＜０．３）と間の相互拡散及び化学的相互作用を低減することができる。
【００２９】
本明細書内で説明した実施形態の幾つかは、特に大表面積に対する堆積における堆積用の高空隙率支持体又は基板を提供し、各支持体は、ガス輸送抵抗が低く機械的及び熱的ストレスに対し堅牢であるように調整されている。加えて、実施形態の幾つかは、様々な堆積方法に好適な比較的滑らかな外面を提供する。本発明で説明された導電性ベースは、典型的には相互接続であり、より具体的には金属相互接続である。多孔質又は細孔質支持材料又は基板材料は、カソード材料又はアノード材料のいずれかを含むことができ、又は代替的に、多孔質又は細孔質支持材料は、ガス拡散層のような別の層を含んでもよい。実施形態の多くでは、多孔質又は細孔質支持材料は電極であり、残りの電池層の堆積に対し比較的滑らかな表面を提供する。加えて、実施形態の多くは、導電性ベースに取り付けられるスクリーンのようなメッシュ材料の使用を伴う。通常、メッシュ材料は、導電性ベースと同じか、又は類似の材料で作られる。導電性ベース及びメッシュ材料が各々相互接続材料で作られる場合、結果として得られる構造は、機械的耐久性が改善され、電流はメッシュ材料に、次いで導電性ベースに対して横方向に進むことができるので、電流路は、電極／相互接続表面に平行に通常は生じる亀裂の影響をあまり受けない。更に、支持されていない電極及び電解質層の寸法は、メッシュ材料の隙間のより小さな寸法までに大幅に縮小され、得られる電池に対し機械的耐久性が更に上乗せされる。
【００３０】
本発明の特定の特徴部のみを本明細書で図示し説明してきたが、当業者であれば、多数の修正及び変更が想起されるであろう。例えば、本発明の実施形態の幾つかは、燃料電池スタック構成に関して説明したが、これは本発明を限定するものではなく、実際に本発明は、例えば管状燃料電池バンドル又は構成を含む別の燃料電池構成の範囲内で使用することが企図される。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神に含まれる全てのこのような修正及び変更を保護するものとされる点を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】要素が取り除かれた状態の本発明の１つの実施形態の斜視図。
【図２】要素が取り除かれた状態の本発明の１つの実施形態の別の斜視図。
【図３】本発明の１つの実施形態の側断面図。
【図４】要素が取り除かれた状態の本発明の別の実施形態の平面図。
【図５】本発明の１つの実施形態の概略表示。
【図６】本発明の１つの実施形態に関連する方法段階を示すフローチャート。
【図７】本発明の別の実施形態の側断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１０ 電池支持構造
１２ 導電性ベース
１４ 孔
１６ グリッド層
１８ 多孔質支持層、第１の電極
２０ 隙間
２２ 外面
２４ 電解質
２６ 第２の電極
３０ 電池構造
５０ 電極電池構造
５２ メッシュ基板
５４ 多孔質電極材料
５６ 隙間
５８ 堆積システム
１００ 電池支持構造
１０２ 多孔質導電性ベース
１０４ 支持層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池支持構造体（１０）であって、
複数の貫通孔（１４）を定める導電性ベース（１２）と、
前記導電性ベース（１２）上に配置されたグリッド層（１６）と、
前記導電性ベース（１２）又は前記孔（１４）の少なくとも１つに前記グリッド層（１６）を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層（１８）と、
を含む電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項２】
前記導電性ベースが、鉄、クロム、ニッケル、スズ、又はその組合せの少なくとも１つで作られた金属相互接続を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３】
前記導電性ベースが、フェライト系ステンレス鋼で作られた金属相互接続を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項４】
前記複数の孔が、５と１３ミリメータの範囲内の寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項５】
前記グリッド層（１６）が、スチールワイヤグリッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項６】
前記グリッド層（１６）が、スクリーン、金属ワイヤグリッド、導電性発泡体、クロミア成形グリッド又はその組合せの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項７】
前記グリッド層が、複数の隙間を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項８】
前記複数の隙間が、２０と２５００ミクロンの範囲内の寸法を有することを特徴とする請求項７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項９】
前記多孔質支持層が電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１０】
前記電極が複合材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１１】
前記多孔質支持層が、その上の堆積を担持するために十分に平滑な表面を提供することを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１２】
電極及び電解質の少なくとも一方が前記多孔質支持層上に堆積されることを特徴とする請求項１１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１３】
前記電極又は前記電解質が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術のような原子層堆積技術の少なくとも１つを用いて堆積されることを特徴とする請求項１２に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１４】
電極電池構造体（５０）であって、
メッシュ基板（５２）と、
前記メッシュ基板（５２）上に配置され、相互貫通する多孔質電極材料（５４）と、
を含む電極電池構造体（５０）。
【請求項１５】
前記多孔質電極材料が、Ｎｉ及びイットリア安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１６】
前記多孔質電極材料が、物理気相成長法（ＰＶＤ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１７】
前記多孔質電極材料が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、噴霧熱分解法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１８】
前記メッシュ基板（５２）が、ステンレス鋼スクリーン又はニッケルスクリーンのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１９】
前記メッシュ基板（５２）が、細かい孔を有する金属性薄片であることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２０】
前記メッシュ基板が、２５μｍと７５μｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２１】
前記メッシュ基板が、複数のグリッド隙間を含むことを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２２】
前記グリッド隙間の寸法が、その最も広い箇所で７５μｍを下回ることを特徴とする請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２３】
隣接するグリッド隙間の間の間隔が、中央で１５０μｍより小さいことを特徴とする請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２４】
前記グリッド隙間の少なくとも一部に配置された消失材料を更に含む請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２５】
前記消失材料が塩を含むことを特徴とする請求項２４に記載の電極電池構造体。
【請求項２６】
前記塩が、塩化ナトリウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載の電極電池構造体。
【請求項２７】
電気化学電池支持構造体（１００）であって、
多孔質導電性ベース（１０２）と、
前記多孔質導電性ベース（１０２）上に堆積されて、前記多孔質導電性ベース（１０２）内に部分的に相互貫通する支持層（１０４）と、
を含む電気化学電池支持構造体（１００）。
【請求項２８】
前記多孔質導電性ベース（１０２）が、金属性発泡体を含むことを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体（１００）。
【請求項２９】
前記金属性発泡体が、ステンレス鋼発泡体又はニッケル発泡体の少なくとも１つであることを特徴とする請求項２８に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３０】
前記支持層材料が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、噴霧熱分解法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３１】
前記支持層が、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３２】
前記支持層が電極であることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３３】
前記支持層が、その上の別の堆積を担持するために十分に平滑な表面を提供することを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３４】
電極及び電解質の少なくとも１つが、前記支持層上に堆積されることを特徴とする請求項３３に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３５】
前記電極又は前記電解質が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術のような原子層堆積技術の少なくとも１つを用いて堆積されることを特徴とする請求項３４に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３６】
電気化学電池構造体であって、
複数の貫通孔を定める導電性ベースと、
前記導電性ベース上に配置されたグリッド層と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに対し前記グリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層と、
第１の電極層及び第２の電極層と、
前記第１の電極層及び第２の電極層の間に介在する電解質と、
を含む電気化学電池構造体。
【請求項３７】
電気化学電池構造体であって、
複数の貫通孔を定める導電性ベースと、
前記導電性ベース上に配置されたグリッド層と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに対し前記グリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層と、
前記多孔質支持層上に配置された電解質と、
前記電解質上に配置された電極と、
を含む電気化学電池構造体。
【請求項３８】
前記多孔質支持層が電極であることを特徴とする請求項３７に記載の電気化学電池構造体。
【請求項３９】
前記電解質が、前記多孔質支持層に密閉して重なることを特徴とする請求項３８に記載の電気化学電池構造体。
【請求項４０】
電気化学電池支持構造を製作する方法であって、
複数の貫通孔を含む導電性ベースを準備する段階と、
前記貫通孔を覆うように前記導電性ベースにグリッド層を取り付ける段階と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに前記グリッド層を部分的に相互貫通するように多孔質支持層を堆積させる段階と、
を含む方法。
【請求項４１】
前記電気化学電池が固体電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項４２】
前記電気化学電池が、固体電解質水蒸気電解セルであることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１】
電気化学電池支持構造体（１０）であって、
複数の貫通孔（１４）を定める導電性ベース（１２）と、
前記導電性ベース（１２）上に配置されたグリッド層（１６）と、
前記導電性ベース（１２）又は前記孔（１４）の少なくとも１つに前記グリッド層（１６）を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層（１８）と、
を含む電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項２】
前記導電性ベースが、鉄、クロム、ニッケル、スズ、又はその組合せの少なくとも１つで作られた金属相互接続を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３】
前記導電性ベースが、フェライト系ステンレス鋼で作られた金属相互接続を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項４】
前記複数の孔が、５と１３ミリメータの範囲内の寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項５】
前記グリッド層（１６）が、スチールワイヤグリッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項６】
前記グリッド層（１６）が、スクリーン、金属ワイヤグリッド、導電性発泡体、クロミア成形グリッド又はその組合せの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体（１０）。
【請求項７】
前記グリッド層が、複数の隙間を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項８】
前記複数の隙間が、２０と２５００ミクロンの範囲内の寸法を有することを特徴とする請求項７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項９】
前記多孔質支持層が電極を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１０】
前記電極が複合材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１１】
前記多孔質支持層が、その上の堆積を担持するために十分に平滑な表面を提供することを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１２】
電極及び電解質の少なくとも一方が前記多孔質支持層上に堆積されることを特徴とする請求項１１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１３】
前記電極又は前記電解質が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術のような原子層堆積技術の少なくとも１つを用いて堆積されることを特徴とする請求項１２に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項１４】
電極電池構造体（５０）であって、
メッシュ基板（５２）と、
前記メッシュ基板（５２）上に配置され、相互貫通する多孔質電極材料（５４）と、
を含む電極電池構造体（５０）。
【請求項１５】
前記多孔質電極材料が、Ｎｉ及びイットリア安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１６】
前記多孔質電極材料が、物理気相成長法（ＰＶＤ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１７】
前記多孔質電極材料が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、噴霧熱分解法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１８】
前記メッシュ基板（５２）が、ステンレス鋼スクリーン又はニッケルスクリーンのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項１９】
前記メッシュ基板（５２）が、細かい孔を有する金属性薄片であることを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２０】
前記メッシュ基板が、２５μｍと７５μｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２１】
前記メッシュ基板が、複数のグリッド隙間を含むことを特徴とする請求項１４に記載の電極電池構造体。
【請求項２２】
前記グリッド隙間の寸法が、その最も広い箇所で７５μｍを下回ることを特徴とする請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２３】
隣接するグリッド隙間の間の間隔が、中央で１５０μｍより小さいことを特徴とする請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２４】
前記グリッド隙間の少なくとも一部に配置された消失材料を更に含む請求項２１に記載の電極電池構造体。
【請求項２５】
前記消失材料が塩を含むことを特徴とする請求項２４に記載の電極電池構造体。
【請求項２６】
前記塩が、塩化ナトリウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載の電極電池構造体。
【請求項２７】
電気化学電池支持構造体（１００）であって、
多孔質導電性ベース（１０２）と、
前記多孔質導電性ベース（１０２）上に堆積されて、前記多孔質導電性ベース（１０２）内に部分的に相互貫通する支持層（１０４）と、
を含む電気化学電池支持構造体（１００）。
【請求項２８】
前記多孔質導電性ベース（１０２）が、金属性発泡体を含むことを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体（１００）。
【請求項２９】
前記金属性発泡体が、ステンレス鋼発泡体又はニッケル発泡体の少なくとも１つであることを特徴とする請求項２８に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３０】
前記支持層材料が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、噴霧熱分解法、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３１】
前記支持層が、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）を用いて堆積されることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３２】
前記支持層が電極であることを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３３】
前記支持層が、その上の別の堆積を担持するために十分に平滑な表面を提供することを特徴とする請求項２７に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３４】
電極及び電解質の少なくとも１つが、前記支持層上に堆積されることを特徴とする請求項３３に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３５】
前記電極又は前記電解質が、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、電子ビーム物理気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）、スパッタ堆積法、イオンビーム堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、プラズマ溶射法、フレーム溶射法又は高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの噴霧熱分解又は粒子状堆積技術のような原子層堆積技術の少なくとも１つを用いて堆積されることを特徴とする請求項３４に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項３６】
電気化学電池構造体であって、
複数の貫通孔を定める導電性ベースと、
前記導電性ベース上に配置されたグリッド層と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに対し前記グリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層と、
第１の電極層及び第２の電極層と、
前記第１の電極層及び第２の電極層の間に介在する電解質と、
を含む電気化学電池構造体。
【請求項３７】
電気化学電池構造体であって、
複数の貫通孔を定める導電性ベースと、
前記導電性ベース上に配置されたグリッド層と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに対し前記グリッド層を少なくとも部分的に相互貫通させる多孔質支持層と、
前記多孔質支持層上に配置された電解質と、
前記電解質上に配置された電極と、
を含む電気化学電池構造体。
【請求項３８】
前記多孔質支持層が電極であることを特徴とする請求項３７に記載の電気化学電池構造体。
【請求項３９】
前記電解質が、前記多孔質支持層に密閉して重なることを特徴とする請求項３８に記載の電気化学電池構造体。
【請求項４０】
電気化学電池支持構造を製作する方法であって、
複数の貫通孔を含む導電性ベースを準備する段階と、
前記貫通孔を覆うように前記導電性ベースにグリッド層を取り付ける段階と、
前記導電性ベース又は前記孔の少なくとも１つに前記グリッド層を部分的に相互貫通するように多孔質支持層を堆積させる段階と、
を含む方法。
【請求項４１】
前記電気化学電池が固体電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【請求項４２】
前記電気化学電池が、固体電解質水蒸気電解セルであることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池支持構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１１３１１４（Ｐ２００７−１１３１１４Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−２５８５９５（Ｐ２００６−２５８５９５）
【出願日】平成１８年９月２５日（２００６．９．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５８５９５（Ｐ２００６−２５８５９５）
【出願日】平成１８年９月２５日（２００６．９．２５）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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