(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック電解質をはさんで位置するカソードとアノードとを有する固体酸化物燃料電池に用いられる硫黄耐性アノード集電体であって、該集電体が、サーメットのコーティングによって溶浸された金属性材料のフォームを含み、
該サーメットが、金属性構成成分およびセラミック構成成分を含み、該金属性構成成分が、ニッケル、ニッケルおよびコバルトを含む合金、またはニッケル化合物およびコバルト化合物を含む混合物を含み、該セラミック構成成分が、混合導電性電解質材料を含む硫黄耐性アノード集電体。
【請求項２】
前記混合導電性電解質材料が、ドープされたセリア電解質材料、ドープされたジルコニア電解質材料、ランタンストロンチウムマグネシウムガリウムオキシド（ＬＳＧＭ）、またはこれらの組み合わせを含む請求項１に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項３】
前記電解質材料が、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリア、ジルコニウムドープされたセリア、スカンジウムドープされたセリア、イットリウムドープされたセリア、カルシウムドープされたセリア、ストロンチウムドープされたセリア、希土類元素ドープされたセリア、アルカリ土類元素ドープされたセリア、またはこれらの組み合わせを含む請求項２に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項４】
前記サーメット材料が、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリアまたはこれらの組み合わせを含むセラミック構成成分を２０〜８０重量％含む請求項１に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項５】
前記金属性材料が、ニッケル、銅、フェライト系ステンレス鋼、またはこれらの組み合わせを含む請求項１に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項６】
前記集電体が、少なくとも１０ｍｇ／ｃｍ２のサーメットを含む請求項１に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項７】
前記サーメットの金属性構成成分が、ニッケルおよびコバルトを含み、前記サーメットのセラミック構成成分が、ドープされたセリアを含む請求項１に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項８】
還元性ガスと共に使用するための固体酸化物燃料電池であって、該固体酸化物燃料電池が、
カソード層；
該カソード層に隣接して位置するセラミック電解質層；
該セラミック電解質層に隣接して位置するアノード層；および
該アノード層に隣接して位置する硫黄耐性アノード集電体層；
を含み、
該硫黄耐性アノード集電体層は、サーメットのコーティングによって溶浸された金属性材料のフォームを含み、該サーメットが、金属性構成成分およびセラミック構成成分を含み、該金属性構成成分が、ニッケル、ニッケルおよびコバルトを含む合金、またはニッケル化合物およびコバルト化合物を含む混合物を含み、該セラミック構成成分が、混合導電性電解質材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
前記硫黄耐性アノード集電体層に隣接して位置する相互接続層をさらに含む請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
前記混合導電性電解質材料が、ドープされたセリア電解質材料、ドープされたジルコニア電解質材料、ランタンストロンチウムマグネシウムガリウムオキシド（ＬＳＧＭ）、またはこれらの組み合わせを含む請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記ドープされたセリア電解質材料が、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリア、ジルコニウムドープされたセリア、スカンジウムドープされたセリア、イットリウムドープされたセリア、カルシウムドープされたセリア、ストロンチウムドープされたセリア、希土類元素ドープされたセリア、アルカリ土類元素ドープされたセリア、またはこれらの組み合わせを含み、前記ドープされたジルコニア電解質材料が、イットリウムドープされたジルコニア、スカンジウムドープされたジルコニア、カルシウムドープされたジルコニア、希土類元素ドープされたジルコニア、アルカリ土類元素ドープされたジルコニア、またはこれらの組み合わせを含む請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
前記サーメット材料が、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリアまたはこれらの組み合わせを含むセラミック構成成分を２０〜８０重量％含む請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１３】
前記金属性材料が、ニッケル、銅、フェライト系ステンレス鋼、またはこれらの組み合わせを含む請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１４】
還元性ガスと共に使用するための固体酸化物燃料電池であって、該固体酸化物燃料電池が、
カソード層；
該カソード層に隣接して位置するセラミック電解質層；
該セラミック電解質層に隣接して位置するアノード層；
相互接続層；および
該アノード層と相互接続層の間に位置する硫黄耐性アノード集電体層；
を含み、
該硫黄耐性アノード集電体層が、電子および酸素イオンの両方の移動によって電気を伝導するサーメットのコーティングによって溶浸されたフォームを含み、該サーメットが、金属性構成成分およびセラミック構成成分を含み、該金属性構成成分が、ニッケルおよびコバルトを含み、該セラミック構成成分が、電解質材料を含む固体酸化物燃料電池。
【請求項１５】
アノード集電体フォームを製造する方法であって、
酸化ニッケル、酸化ニッケルおよび少なくとも１つの他の金属酸化物を含む組成物、またはこれらの混合物を含む粉末化材料を提供する工程であって、該少なくとも１つの他の金属酸化物が、酸化コバルト、酸化鉄、酸化銅またはこれらの混合物を含む工程；
流体中の該粉末化材料およびセラミック材料のスラリーを提供する工程；
該スラリーをポリマー網状フォームに溶浸させ、溶浸されたフォームを製造する工程；
該溶浸されたフォームを焼成し、焼成した材料を製造する工程；
該焼成された材料を焼結させ、焼結した材料を製造する工程；および
該焼結した材料を水素または還元性ガス混合物の存在下で還元する工程；
を含む方法。
【請求項１６】
前記セラミック材料が、混合導電性電解質材料を含む請求項１５に記載のアノード集電体フォームを製造する方法。
【請求項１７】
前記セラミック材料が、ドープされたジルコニア電解質材料またはドープされたセリア電解質材料を含む請求項１５に記載のアノード集電体フォームを製造する方法。
【請求項１８】
前記サーメットのコーティングによって溶浸されたニッケルのフォームを含む請求項７に記載の硫黄耐性アノード集電体。
【請求項１９】
前記サーメットの金属性構成成分が、ニッケル及びコバルトを含み、前記サーメットのセラミック構成成分が、ドープされたセリアを含む請求項８記載の固体酸化物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池のアノードにおいて集電を促進するために使用される集電体コンポーネントのための材料および作製プロセスに関する。開示された材料およびプロセスは、特に、長期間の安定性、高効率操作、硫黄耐性、および炭素含有燃料における操作が所望される用途に非常に好適である。本発明はまた、集電体を組み込み、特に炭化水素および水素含有燃料から電力を生じさせるために使用できる固体酸化物燃料電池、水素または他の燃料を生成するための固体酸化物電解システムを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
効率的で信頼できる電力の需要が高まっており、従来の電力源における向上を上回りつつある。小型で軽量であり、エネルギー密度が高い電力供給がすぐに応用できる用途としては、携帯用発電機、熱電併給システムおよび車両用の補助電源装置が挙げられる。地球規模の気候変動に関する懸念は、化石燃料から発電する燃焼系の方法を使用することにより生じる大気中のＣＯ２レベルに伴って大きくなっている。燃料電池は、汚染物質および温室効果ガスの放出を大幅に低減しつつ、化石燃料からの発電の効率を増大させる実行可能な手法を提供する。種々のタイプの燃料電池のうち、燃料として水素を用いて操作されるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が、その低重量、低温操作、および製造の容易性から相当な注目を集めるようになっている。しかし、化石系炭化水素燃料を用いるＰＥＭ燃料電池の操作は、炭化水素を水素の豊富なガスに転化するために大規模な前処理（改質）と、一酸化炭素および硫黄を非常に低レベル（ＣＯ＜１０ｐｐｍおよびＨ２Ｓ＜１０ｐｐｂ）に低下させるために後続のガス精製工程とを必要とする。高温（通常、６００〜１０００℃）で操作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、炭化水素燃料における不純物に対して感受性があまり高くなく、必要とされるガス精製工程の量を最小限にする。これは、発電効率を大きく増大させ、システムの複雑性を低減する。さらに、内部改質を経て、すなわち初期改質工程を用いることなく、特定の炭化水素燃料（例えば、メタン、メタノールおよびエタノール）にて直接固体酸化物燃料電池を操作することも理論的には可能である。
【０００３】
固体酸化物燃料電池は、燃料電極（アノード）および空気電極（カソード）によって挟持されている酸素イオン伝導性セラミック電解質膜で構成される。カソード上に空気（または酸素）を通し、アノード上に燃料（例えば水素に加えて一酸化炭素）を通し、蒸気および二酸化炭素を形成するような酸素の燃料との電気化学的反応により生じた電流を回収することによって発電させる。固体酸化物燃料電池に使用されるセラミック電解質材料としては、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、希土類および／またはアルカリ土類元素のいずれかの組み合わせがドープされた酸化ジルコニウム、サマリウムドープされたセリア（ＳＤＣ）、ガドリニウムドープされたセリア（ＧＤＣ）、希土類および／またはアルカリ土類元素のいずれかの組み合わせがドープされた酸化セリウム（セリア）、ランタンストロンチウムマグネシウムガリウムオキシド（ＬＳＧＭ）、および当業者に既知のその他の酸素イオン伝導性セラミック電解質材料を挙げることができる。ＳＯＦＣシステムの開発を成功させるための手掛かりは、電気化学的セル設計および「スタッキング」構成（またはＳＯＦＣ素子が発電用ＳＯＦＣモジュール内で構成される様式）である。この観点において、電気化学反応に有効な面積を多量にできるだけ最小体積内に詰め込むことが重要である。典型的な固体酸化物燃料電池は、有効面積１００ｃｍ２あたり約３０〜４０ワットの電力を発生させる−これは、電力１キロワットに関して有効面積約３０００ｃｍ２超過となる。
【０００４】
アノード材料または電解質材料のいずれかによって支持されることができる平板状ＳＯＦＣも広範囲にわたって示されている。２つの最近の米国特許出願番号１１／１０９，４７１（２００６年１０月１９日公開）、および米国特許出願番号１１／２２０，３６１（２００７年３月８日公開）は、その両方の開示が本明細書に参考として組み込まれており、それらには、従来の平板状セルを用いたＳＯＦＣスタックの構築に関連する技術的障害を克服する新規な平板状セル設計が記載されている。これらのセル設計は、一般に本明細書ではフレックスセル（ＦｌｅｘＣｅｌｌ）およびハイブリッドセル（ＨｙｂｒｉｄＣｅｌｌ）と称される。フレックスセル設計は、電解質材料の「ハニカム」メッシュ層によって機械的に支持される電解質薄膜層に基づく。フレックスセルに関して、有効面積内にある電解質膜の７５％超過が、薄く（２０〜４０ミクロン）、セルの周囲は高密度である。電極（アノードおよびカソード）層は、続いて、有効セル領域内で主面上に堆積されて、フレックスセル設計に基づくＳＯＦＣの作製を完了する。ハイブリッドセルに関して、アノード層（３０〜４０ミクロン）は、メッシュ支持体層と電解質膜層との間に共焼結される。ハイブリッドセルに関して、有効セル面積全体は、電解質薄膜（１０〜２０ミクロン）を有し、セルの周囲は高密度である。カソード層は、続いて、有効セル領域内で主面上に堆積され、ハイブリッドセル設計に基づくＳＯＦＣの作製を完了する。
【０００５】
有用な量の電力を発生させるために、平板状ＳＯＦＣは、セル間に電気を伝導させる平板状の電気的相互接続コンポーネントによって分離された複数の平板状セルを用いて「スタック」状態で構成され、カソードチャンネルを通して酸化体（空気または酸素）およびアノードチャンネルを通して燃料（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４など）のためのフロー経路を規定する（図１参照）。一部の平板状スタック設計において、導電性フォームまたはメッシュは、集電を促進するためにスタック内に含まれる。例えば、カソード集電体は、相互接続部と平板状ＳＯＦＣセルのカソード面との間に配置され、アノード集電体は、相互接続部と平板状ＳＯＦＣセルのアノード面との間に配置される。本発明は、これらの集電体コンポーネント、および特にアノード集電体コンポーネントに対処する。
【０００６】
ＳＯＦＣが実際に有用となるために、ＳＯＦＣは容易に入手可能な燃料を用いて操作されなければならない。これは、電力供給が、従来の燃料、例えば天然ガス、プロパン、ガソリン、およびディーゼルにて操作されることを必要とする。通常、炭化水素燃料は、空気および／または蒸気を用いて触媒上で前反応され（改質され）、燃料電池に送達される前のＨ２およびＣＯ（および場合によってはＣＨ４）の混合物ガスを生成する。従来の燃料のために小型で軽量な改質装置を提供するために、期待できる開発が進行中である。しかし、従来の燃料はある程度のレベルの硫黄を含有している。硫黄は、従来のＳＯＦＣ性能に対して壊滅的な作用を及ぼし得る。金属性構成成分およびセラミック構成成分の両方を含み、特に、通常はニッケル金属と電解質材料（ＹＳＺまたはＧＤＣ）との混合物を含むサーメット混合物が、最も一般的なＳＯＦＣアノードであるが、数ｐｐｍ程度の低濃度において硫黄被毒を受け易い。これは、特に、安価な金属性相互接続コンポーネントを利用するＳＯＦＣスタックに望ましい低操作温度（７００〜８００℃）において著しい性能劣化を招く。最近の特許出願、２００７年１２月７日に出願された米国特許出願番号１２／００１，０６２（その開示は、参考として本明細書に組み込まれる）には、硫黄に対して耐性があり、ニッケル−コバルト合金およびセリア系電解質材料（例えば、サマリウムドープされた酸化セリウム）の複合体を含むＳＯＦＣアノード組成物が開示されている。
【０００７】
こうした多層のニッケル−コバルト／セリアアノード配合に関して、硫黄耐性が、水素が燃料である場合に示されている（図２を参照のこと）。いかなる理論によっても束縛されることを意図しないが、この硫黄耐性に関する機構は、酸素イオンおよび電子両方のアノードを通る伝導を伴い、それが結果としてＨ２ＳからＳＯｘへの転化をもたらし、それによって有効部位上でのＨ２Ｓの吸収を最小限にすると考えられる（図３を参照のこと）。こうした硫黄耐性機構は、水素が燃料である場合に非常に優れた硫黄耐性を提供するが、硫黄は純粋な水素中にほとんど存在しない。硫黄は、炭化水素燃料から誘導される燃料中に存在するので、改質後に燃料は、残存Ｈ２Ｓと併せて本質的に水素および一酸化炭素からなる。ＳＯＦＣにおける発電の最適な効率のために、この一酸化炭素は、燃料として利用されなければならない。硫黄が存在しない場合、一酸化炭素は、（１）水性ガスシフト反応であって、それによりＣＯおよびＨ２Ｏが反応してＣＯ２およびＨ２が形成される反応；および（２）ＳＯＦＣアノードでのＨ２のＨ２Ｏへの電気化学的酸化のような後続工程によって消費される。本質的に、水素の電気化学的酸化が続く水性ガスシフト反応は、ＣＯの直接電気化学的酸化よりも相当速い。残念ながら、Ｈ２Ｓの存在が、水性ガスシフト反応を被毒し、その結果としてＣＯはＳＯＦＣにおける燃料として効率良く利用できない。硫黄耐性アノードが、改善されたＳＯＦＣ性能を提供している。
【０００８】
しかし、特に容易に入手可能な炭化水素燃料を用いて、さらに改善された性能を有するＳＯＦＣが必要とされ続けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願番号１１／１０９，４７１
【特許文献２】米国特許出願番号１１／２２０，３６１
【特許文献３】米国特許出願番号１２／００１，０６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明は、先行技術の種々の欠点を克服する、集電体材料、例えばアノード集電体材料を対象とする。さらに、本発明は、こうしたアノード集電体を含む固体酸化物燃料電池、およびこうしたアノード集電体材料の製造方法を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の１つでは、本発明は、サーメットを含むメッシュまたはフォームを含む硫黄耐性アノード集電体材料を対象とする。サーメットは、金属性構成成分およびセラミック構成成分を含む。金属性構成成分としては、ニッケル、ニッケルおよびコバルトを含む合金、またはニッケル化合物およびコバルト化合物を含む混合物が挙げられる。セラミック構成成分としては、混合導電性電解質材料が挙げられる。
【００１２】
別の実施形態において、本発明は、還元性ガスと共に使用するための固体酸化物燃料電池を対象とする。実施形態の１つでは、固体酸化物燃料電池は、カソード層、カソード層に隣接して位置するセラミック電解質層、セラミック電解質層に隣接して位置するアノード層、およびアノード層に隣接して位置する硫黄耐性アノード集電体層を含む。硫黄耐性アノード集電体層は、サーメットを含むメッシュまたはフォームを含む。サーメットは、金属性構成成分およびセラミック構成成分を含む。金属性構成成分としては、ニッケル、ニッケルおよびコバルトを含む合金、またはニッケル化合物およびコバルト化合物を含む混合物が挙げられる。セラミック構成成分としては、混合導電性電解質材料が挙げられる。
【００１３】
別の実施形態において、固体酸化物燃料電池は、カソード層、カソード層に隣接して位置するセラミック電解質層、セラミック電解質層に隣接して位置するアノード層、およびアノード層に隣接して位置する硫黄耐性アノード集電体層を含む。硫黄耐性アノード集電体層は、電子と酸素イオンとの両方の移動によって電気を伝導するサーメット材料を含む。
【００１４】
別の実施形態において、本発明は、アノード集電体メッシュまたはフォームを製造する方法を対象とする。該方法は、粉末化アノード前駆体を提供する工程、流体中の粉末化アノード前駆体およびセラミック材料のスラリーを提供する工程、スラリーをポリマー網状メッシュまたはフォームに溶浸させ、溶浸されたメッシュまたはフォームを製造する工程、溶浸されたメッシュまたはフォームを焼成し、焼成した材料を製造する工程、焼成された材料を焼結させ、焼結した材料を製造する工程、および焼結した材料を水素または還元性ガス混合物の存在下で還元する工程を含む。粉末化アノード前駆体としては、酸化ニッケル、酸化ニッケルおよび少なくとも１つの他の金属酸化物を含む組成物、またはこれらの混合物が挙げられる。少なくとも他の１つの金属酸化物としては、酸化コバルト、酸化鉄、酸化銅またはこれらの混合物が挙げられる。
【００１５】
本発明の集電体用の材料および燃料電池は、改善された硫黄耐性を示すので有利であり、それによって炭化水素燃料を用いる燃料電池性能を改善する。本発明のさらなる実施形態は、それらの追加的な利点と共に、次の詳細な説明を考慮して明らかになる。
【００１６】
次の詳細な説明は、図面を考慮してより完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の平板状固体酸化物燃料電池スタックの概略図を示す。
【図２】燃料として水素を用いて、多層ニッケル−コバルト／セリアアノード配合を用いるフレックスセル燃料電池において達成された硫黄耐性を示す。
【図３】多層ニッケル−コバルト／セリアアノード配合を用いて達成された硫黄耐性の可能性としての機構の概略図を示す。
【図４】アノード集電体として未修飾ニッケルフォームを用いて試験される場合、６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなるアノード配合を有するフレックスセル燃料電池において、燃料として模擬炭化水素リフォーメートを用いて、８００℃における電圧の安定性に関して２００ｐｐｍのＨ２Ｓの作用をプロットしたものを示す。
【図５】実施例３において作製されたＮｉ−Ｃｏ／セリア・サーメット・フォーム集電体の写真を示す。
【図６】図５のＮｉ−Ｃｏ／セリア・サーメット・フォーム集電体のセル状モルホロジーを示すＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【図７】６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成物で構成されたサーメット・フォーム・アノード集電体を用いて試験される場合、６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなるアノード配合を有するフレックスセル燃料電池において、模擬炭化水素リフォーメート燃料を用いて、８００℃における電圧の安定性に関して２００ｐｐｍのＨ２Ｓの作用をプロットしたものを示す。
【図８】６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成物で構成されたサーメット・フォーム・アノード集電体を用いて試験される場合、６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなるアノード配合を有するフレックスセル燃料電池において、模擬炭化水素リフォーメート燃料を用いて、８００℃における電圧の安定性に関して２００ｐｐｍのＨ２Ｓの作用をプロットしたものを示す。
【図９】実施例７に記載されるような約５．６ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリア硫黄耐性アノード材料で溶浸されたニッケルフォームのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【図１０】実施例８に記載されるような約１２．２ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリア硫黄耐性アノード材料で溶浸されたニッケルフォームのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【図１１】実施例９に記載されるような約１９．１ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリア硫黄耐性アノード材料で溶浸されたニッケルフォームのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【図１２】約５．６ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリアアノード材料で溶浸されたニッケルフォームのアノード集電体と導電した模擬炭化水素リフォーメート燃料を用いた電圧安定性に関する２００ｐｐｍのＨ２Ｓの作用をプロットしたものを示す。
【図１３】Ｊ＝０．２７Ａ／ｃｍ２およびＪ＝０．４１Ａ／ｃｍ２の電流密度にて、１９．１ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリアアノード材料で溶浸されたニッケルフォームのアノード集電体と導電した、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを有する模擬炭化水素リフォーメート燃料を用いて８００℃にて得られた長期間の電圧安定性のプロットを示す。
【図１４】５．６ｍｇ／ｃｍ２および１２．２ｍｇ２／ｃｍのＮｉ−Ｃｏ／セリアアノード材料で溶浸されたニッケルフォームのアノード集電体と導電した、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを有する模擬リフォーメート燃料を用いて８００℃にて、２つの同一フレックスセル燃料電池を用いて得られた長期間の電圧安定性のプロットを示し、ここで時間スケールは、比較目的のために規格化されており、電流密度は、１２．２ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリアアノード材料を有するアノード集電体を用いて試験されたセルに関しては０．２７Ａ／ｃｍ２であり、電流密度は、１２．２ｍｇ／ｃｍ２のＮｉ−Ｃｏ／セリアアノード材料を有するアノード集電体を用いて試験されたセルに関しては０．４１Ａ／ｃｍ２であった。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面に示される実施形態は、本質的には例示であり、特許請求の範囲によって規定される本発明を限定しようとするものではない。さらに、図面および本発明の個々の特徴は、詳細な説明を考慮してさらにより明らかになり、理解される。
【００１９】
本発明は、アノード集電体材料、こうしたアノード集電体材料を含む固体酸化物燃料電池、およびアノード集電体材料を製造する方法を対象とする。次の詳細な説明は、本発明を行う種々のモードを示す。説明は、限定の意味で解釈されるべきではなく、本発明の一般的な原理を例示することを目的として行われている。
【００２０】
本発明の実施形態の１つでは、硫黄耐性アノード集電体材料は、サーメットを含むメッシュまたはフォームを含む。当業者には理解されるように、本明細書で使用される場合にメッシュまたはフォームは、ワイヤ織布メッシュ、膨張金属メッシュ、フォームおよび／または当分野において既知のいずれかの他のメッシュもしくはフォーム材料を含む。さらに、メッシュまたはフォームは、単層として本明細書で記載されるが、本明細書で開示された教示が２つ、３つまたはいずれかの数のメッシュまたはフォーム層に等しく適用できることを当業者は理解する。本発明の実施形態の１つでは、メッシュまたはフォームは、サーメットを含むことができる。さらなる別の実施形態において、メッシュまたはフォームは、サーメットおよび金属性ベース材料を含むことができ、ここでメッシュまたはフォームは、本明細書においてさらに議論されるように、サーメットおよび金属性ベース材料上にコーティングされたサーメットによって溶浸されることができる。
【００２１】
当業者は理解するように、本明細書で使用される場合、サーメットは、金属性構成成分およびセラミック構成成分の両方を含む。これらの実施形態において、金属性成分は、ニッケル、ニッケルおよびコバルトを含む合金、またはニッケル化合物およびコバルト化合物を含む混合物を含んでいてもよく、セラミック構成成分は、混合導電性電解質材料を含む。別の実施形態において、金属性構成成分としては、追加の金属、例えば鉄、酸化鉄、銅、酸化銅、または当分野において既知のようないずれかの他の材料を挙げることができる。
【００２２】
本発明の別の実施形態において、硫黄耐性アノード集電体のメッシュまたはフォームは、サーメットおよび金属性材料を含んでいてもよい。実施形態の１つでは、金属性材料としては、ニッケル、銅、フェライト系ステンレス鋼またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。フェライト系ステンレス鋼は、例えばＣｒｏｆｅｒ２２−ＡＰＵ、Ｅ−Ｂｒｉｔｅ、およびＳＳ−４４１として既知の材料、および当分野において既知の他のものを含んでいてもよいことが理解される。別の実施形態において、メッシュまたはフォームは、少なくとも２０重量％のサーメット材料を含んでいてもよく、好ましい実施形態の１つでは、メッシュまたはフォームは、少なくとも４０重量％のサーメット材料を含んでいてもよい。
【００２３】
本発明はまた、還元剤を用いて使用するための固体酸化物燃料電池のためのアノード集電体を提供する。実施形態の１つでは、固体酸化物燃料電池は、カソード層、カソード層に隣接して位置するセラミック電解質層、セラミック電解質層に隣接して位置するアノード層、およびアノード層と隣接して位置する硫黄耐性アノード集電体層を含んでいてもよい。硫黄耐性アノード集電体層は、本明細書で記載されるように、サーメットを含むメッシュまたはフォームを含んでいてもよい。セラミック構成成分は、混合導電性電解質材料を含んでいてもよい。別の実施形態において、還元性ガスを用いて使用するための固体酸化物燃料電池はまた、硫黄耐性アノード集電体層に隣接して位置する相互接続層を含んでいてもよい。
【００２４】
本発明のアノード集電体は、流体、例えば水中の粉末化アノード前駆体およびセラミック材料のスラリーを使用する方法によって調製されてもよい。理解されるように、本明細書で記載されるようなセラミック材料は、当分野において既知のいかなるサイズであってもよい。粉末化アノード前駆体は、好適には、酸化ニッケル、酸化ニッケルを含む組成物および少なくとも１つの他の金属酸化物、またはこれらの混合物を含んでいてもよく、ここで少なくとも１つの他の金属酸化物は、酸化コバルト、酸化鉄、酸化銅およびこれらの混合物から選択される。当業者が理解するように、粉末化アノード前駆体組成物は、単層固溶体、２相組成物または当分野において既知の他のいずれかの材料を含んでいてもよい。方法は、さらに、スラリーをポリマー網状フォーム、例えばポリマー系フォームに溶浸させ、溶浸されたフォームを製造する工程を含んでいてもよい。好適なポリマーとしては、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリスチレンおよびポリ塩化ビニルが挙げられるが、これらに限定されない。実施形態の１つでは、ポリプロピレンフォームを使用する。理解されるように、ポリマーフォームは、本明細書で議論されるように焼成および焼結中に変質されて、結果として最終集電体材料はポリマーフォーム構造を有することができるが、ポリマー自体は除去される。本明細書において使用される場合、「溶浸させる」という用語は、フォームまたはメッシュに拘わらず構造の内面を、ディップコーティング、電気泳動堆積、または当分野において既知の他のいずれかの方法によってコーティングすることを意味することを意図する。溶浸されたフォームは、次いで焼成されて、焼成された材料を製造し、続いて焼成された材料を焼結して、焼結された材料を製造し、焼結された材料を水素または還元性ガス混合物の存在下で還元する。実施形態の１つでは、セラミック材料は、混合導電性電解質材料を含んでいてもよい。特定の実施形態において、セラミック材料は、ドープされたジルコニア電解質材料、ドープされたセリア電解質材料、またはこれらの組み合わせを含んでいてもよい。
【００２５】
さらなる特定の実施形態において、混合導電性電解質材料は、ドープされたセリア電解質材料、ドープされたジルコニア電解質材料、ランタンストロンチウムマグネシウムガリウムオキシド（ＬＳＧＭ）、別の酸素イオン伝導性セラミック電解質材料、またはこれらの組み合わせであってもよい。ドープされたセリア電解質材料は、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリア、ジルコニウムドープされたセリア、スカンジウムドープされたセリア、イットリウムドープされたセリア、カルシウムドープされたセリア、ストロンチウムドープされたセリア、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される少なくとも１つの元素でドープされた酸化セリウム（セリア）、またはこれらの組み合わせであってもよい。ドープされたジルコニア電解質材料は、イットリウムドープされたジルコニア、スカンジウムドープされたジルコニア、カルシウムドープされたジルコニア、希土類元素およびアルカリ土類元素から選択される少なくとも１つの元素でドープされた酸化ジルコニウム（ジルコニア）、またはこれらの組み合わせであってもよい。混合導電性電解質材料は、それらが電解質機能を邪魔しない限り、他のドーパントを含んでいてもよいことが理解される。
【００２６】
実施形態の１つでは、サーメットは、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリア、またはこれらの組み合わせから選択されるセラミック電解質材料を２０〜８０重量％含んでいてもよい。特定の実施形態の１つでは、サーメットは、ガドリニウムドープされたセリア、サマリウムドープされたセリア、またはこれらの組み合わせから選択されるセラミック電解質材料を４０〜６０重量％含んでいてもよい。別の実施形態において、メッシュまたはフォームは、少なくとも５ｍｇ／ｃｍ２、少なくとも１０ｍｇ／ｃｍ２、少なくとも１５ｍｇ／ｃｍ２および少なくとも２０ｍｇ／ｃｍ２のサーメット材料を含んでいてもよい。しかし、理解されるように、セラミック電解質材料は、焼成および焼結中に変質されることができるので、上記で議論されたセラミック電解質材料の測定は、通常、いずれかの焼成および／または焼結の前に測定される。
【００２７】
理論に束縛されることを意図しないが、サーメット集電体アノードにおける混合導電性電解質材料は、向上した電気化学的性能を与えるだけでなく、燃料電池の硫黄耐性にとっても重要であると考えられる。さらに、いかなる理論にも束縛されることを意図しないが、混合導電性サーメットはまた、硫黄酸化と、より簡易な硫化ニッケル酸化とのために、より有効な部位を与えると考えられる。さらに、硫黄耐性は、酸素イオンの集電体への伝導を拡張することによって達成され、結果として水性ガスシフト反応は被毒されず、一酸化炭素は燃料として有効に利用されると考えられる。
【００２８】
本発明に記載されるアノード集電体材料の実用性は、以下の実施例に記載される試験結果から明らかである。
【実施例】
【００２９】
［実施例１］
固体酸化物燃料電池は、実施例２、４、６、１０、１１および１２において本明細書で記載されるような、新規なアノード集電体フォームを用いる燃料電池試験において後に使用するために調製した。１０×１０ｃｍのフレックスセル燃料電池基板は、ＳｃＳＺ−６（スカンジウムドープされたジルコニア、６ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３）電解質材料から、有効面積２８ｃｍ２で製造された。セルは、アノードおよびカソード面の両方において、コバルトドープされたＳＤＣ（スカンジウムドープされたセリア）界面層、アノード面上の２層アノード、およびカソード面上の２層カソードを有するように製造された。セルは、以下に記載されるように作製した。
【００３０】
界面層コーティングの堆積：
コバルトドープされたＳＤＣ界面層のコーティングは、既知のエアロゾルスプレー堆積方法に従って調製した。コバルトドープされたＳＤＣ界面層インクは、組成（Ｃｅ０．８０Ｓｍ０．２０）Ｏ１．９０（ＳＤＣ−２０）を有するサマリウムドープされたセリア粉末を用いて調製した。インクは、ＳＤＣ−２０粉末をテルピネオール系インクビヒクルに分散させることによって調製した。このインクにおけるＳＤＣ−２０粉末は、４つの異なる表面積を有していた：６．０ｍ２／グラムの表面積に関して３０％、９．３ｍ２／グラムの表面積に関して４０％、２７ｍ２／グラムの表面積に関して２０％、および４５ｍ２／グラムの表面積に関して１０％。コバルトの添加は、インク中のＳＤＣ−２０粉末の総量に対して約１％のコバルト金属に対応する量で、コバルト（ＩＩＩ）２，４−ペンタンジオナートを添加することによって行った。コバルトドープされたＳＤＣ界面層インクは、次いで２つの別個のスプレー溶液に製造した。第１の溶液は、ＳＤＣ／Ｃｏインクの一部をアセトンで希釈することによって調製し、第２の溶液は、ＳＤＣ／Ｃｏインクの一部をアセトンで希釈し、２．５重量％のグラファイト（固形分基準）を添加することによって調製した。これらの溶液を、フレックスセル基板の両側にスプレーした。第１のコバルトドープされたコーティング（グラファイトを含まない）を、フレックスセル基板の１つの面にスプレー堆積させ、乾燥させ、次いでＳＤＣ／Ｃｏ／Ｃコーティング（グラファイトを含む）を、同じ様式で第１のコーティング上にスプレー堆積させ、乾燥させた。手順を繰り返し、２層セリア界面層をフレックスセル基板の反対面上に堆積させた。次いで、界面層コーティングされたフレックスセル基板は、炉中で１３００℃まで１時間加熱され、界面層コーティングを焼結させ、それらをフレックスセル基板に接着させた。スプレー堆積パラメータは、総界面層厚さが約２〜３ミクロンであり、界面層の各コンポーネント層が約１〜２ミクロンの厚さであるように制御した。
【００３１】
電気化学的に活性なアノード前駆体粉末の調製：
少量のナノスケールのサマリウムドープされたセリア（ＳＤＣ−１５、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ１．９２５）を含有するＮｉＯ−ＣｏＯ固溶体粉末（Ｎｉ０．７６Ｃｏ０．２４Ｏ）を調製した。第１の工程は、１１２．５グラムの酸化ニッケル（ＮｉＯ）、３７．５０グラムの酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、および１９５ｍ２／グラムの表面積を有する３グラムのナノスケールＳＤＣ−１５粉末を含有した混合物の調製であった。この混合物を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させて粉末にした。乾燥したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を１０００℃で焼成し、次いで３５メッシュシーブを通して篩分し、粗いＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末は、同じ初期手順によって製造したが、焼成後にＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いて振動ミルにかけ、その粒径を低下させた。振動ミルにかけられたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣスラリーを、次いで乾燥させて微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。
【００３２】
電気化学的に活性なアノードインクの調製：
上記で記載されたように調製されたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード前駆体粉末を使用して、次のように電気化学的に活性なアノードインクを調製した。組成物のサマリウムドープされたセリア粉末（Ｃｅ０．９Ｓｍ０．１０）Ｏ１．９５（ＳＤＣ−１０）を異なる表面積を有するように調製した。混合物を、３０グラムの粗いＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末、３０グラムの微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体、３５グラムの６．０ｍ２／グラムの表面積を有するＳＤＣ−１０粉末、および５グラムの４５ｍ２／グラムの表面積を有するＳＤＣ−１０粉末を含有するように調製した。この粉末混合物を、次いでアセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、乾燥させた。この粉末の一部をテルピネオール系インクビヒクルに分散させ、電気化学的に活性なアノードインクを調製した。
【００３３】
通電アノードインクの調製：
微細なＮｉＯアノード前駆体粉末は、酸化ニッケル（ＮｉＯ，Ｎｏｖａｍｅｔ標準タイプ）をアセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いて振動ミルにかけることによって製造し、その後乾燥させた。混合物を、５０グラムのミルにかけていない酸化ニッケル粉末（ＮｉＯ，Ｎｏｖａｍｅｔ標準タイプ）、５０グラムの微細なＮｉＯ前駆体、および２５グラムのスカンジウム安定化ジルコニア粉末（ＳｃＳＺ，１０モル％のＳｃ２Ｏ３、３〜５ミクロン粒径）を含有するように調製した。この混合物を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させて粉末にした。この粉末の一部を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ／ＳｃＳＺ通電アノードインクを調製した。
【００３４】
アノードコーティングの堆積：
２層アノードを、上記で調製された界面層コーティングされたフレックスセル燃料電池のアノード面に適用した。第１の電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層は、フォームブラシを用いて焼結された界面層上に塗ることによって適用し、その後乾燥した。第２の通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層は、フォームブラシを用いて乾燥された電気化学的に活性なアノードコーティング上に塗ることによって適用し、その後乾燥した。次いでアノードコーティングされたフレックスセル基板を、１３００℃まで炉中で加熱し、アノード層を焼結させ、それらをセリア界面層に接着させた。堆積されたアノードコーティングの量は、総アノード厚さが約３０ミクロンであり、二層アノードの各構成成分層の厚さが約１５ミクロンであるように制御した。
【００３５】
電気化学的に活性なカソードインクの調製：
組成（Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１０）Ｏ１．９５（ＧＤＣ−１０）を有するガドリニウムドープされたセリア粉末を、異なる表面積を有するように調製した。組成（Ｌａ０．６０Ｓｒ０．４０）（Ｚｎ０．１０Ｆｅ０．９０）Ｏ３−ｘ（ＬＳＺＦ）を有する亜鉛ドープされたランタンストロンチウムフェライト粉末を、異なる表面積を有するように調製した。混合物は、１２５グラムの１．６ｍ２／グラムの表面積を有するＬＳＺＦ粉末、１２５グラムの４．２ｍ２／グラムの表面積を有するＬＳＺＦ粉末、５０グラムの２．９ｍ２／グラムの表面積を有するＧＤＣ−１０粉末、および２００グラムの８．３ｍ２／グラムの表面積を有するＧＤＣ−１０粉末を含有するように調製した。この粉末混合物を、次いでアセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させて粉末にした。この粉末の一部分を、０．３５重量％のパラジウム（インクの総固形分に対して）となるのに十分な量のパラジウム２／４ペンタンジオナートと共にインクビヒクルに分散させ、電気化学的に活性なカソードインクの調製を完了した。
【００３６】
通電カソードインクの調製：
組成（Ｌａ０．６０Ｓｒ０．４０）（Ｚｎ０．１０Ｆｅ０．９０）Ｏ３−Ｘ（ＬＳＺＦ）を有する亜鉛ドープされたランタンストロンチウムフェライト粉末を、２つの異なる表面積を有するように調製した。混合物は、３７５グラムの２．２ｍ２／グラムの表面積を有するＬＳＺＦ粉末および１２５グラムの４．８ｍ２／グラムの表面積を有するＬＳＺＦ粉末を含有するように調製した。この粉末混合物を、次いでアセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させ粉末にした。この粉末の一部分を、０．７０重量％のパラジウム（インクの総固形分に対して）となるのに十分な量のパラジウム２／４ペンタンジオナートと共にインクビヒクルに分散させ、電気化学的に活性なカソードインクの調製を完了した。
【００３７】
カソードコーティングの堆積：
２層のカソードを、上記で調製された界面層コーティングされたフレックスセルのカソード面に適用した（アノード堆積および焼結の後）。第１の電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層は、フォームブラシを用いて焼結された界面層上に塗ることによって適用し、乾燥した。第２の通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層は、フォームブラシを用いて乾燥された電気化学的に活性なカソードコーティング上に塗ることにより適用し、次いで乾燥した。カソードコーティングされたフレックスセル基板を次いで、１１２５℃まで炉中で加熱し、カソード層を焼結させ、それらをセリア界面層に接着させた。堆積されたカソードコーティングの量は、総カソード厚さが約３０ミクロンであり、二層カソードの各構成成分層の厚さが約１５ミクロンであるように制御した。
【００３８】
［実施例２］
固体酸化物燃料電池は、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製された。こうした大面積セルのためのアノード集電体は、未処理の純粋なニッケルフォームであった。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、次のように調製されたＮｉ／ＮｉＯインクであった。
【００３９】
ＮｉＯ前駆体インクの調製：
ＮｉＯ前駆体粉末を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、乾燥させた。この粉末の一部をテルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ前駆体インクを調製した。
【００４０】
ＮｉＯ前駆体インクの調製：
Ｎｉ金属前駆体粉末を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、Ｎｉ金属前駆体インクを調製した。
【００４１】
アノード・コンタクト・ペーストの調製：
上記で記載されるように調製された５０グラムのＮｉＯインクおよび５０グラムのＮｉ金属インクを合わせてアノード・コンタクト・ペーストを調製した。
【００４２】
この大面積セルのＳＯＦＣ性能は、模擬炭化水素リフォーメート（２０％Ｈ２、１３％ＣＯ、２９％Ｎ２、１０％ＣＯ２、５％ＣＨ４、および２３％Ｈ２Ｏ）を燃料としておよび空気を酸化体として用いて試験した。アノードは、この組成を有する燃料を用いて試験された場合に２００ｐｐｍのＨ２Ｓの存在下で安定ではなかった（観測された劣化の例については図４を参照のこと）。質量分析を使用して、アノード排出物組成を分析し、水性ガスシフト反応が、Ｈ２Ｓの存在によって抑制されたことを確認した（本明細書に示される表１を参照のこと）。
【００４３】
［実施例３］
高い硫黄耐性特性を示す硫黄耐性サーメット・フォーム・アノード集電体は、ポリマーフォームのテンプレートをアノード材料を用いて溶浸し、続いてポリマーテンプレートを焼失させて製造した（図５および図６を参照のこと）。得られたフォームは、硫黄耐性アノード材料１００％で構成されていた。このフォームは、実施例４において後に使用されるために調製した。硫黄耐性アノード集電体は次のように作製した。
【００４４】
アノード集電体前駆体粉末の調製：
ナノスケールのサマリウムドープされたセリア（ＳＤＣ−１５、Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ１．９２５）を少量含有するＮｉＯ−ＣｏＯ固溶体粉末（Ｎｉ０．７５Ｃｏ０．２５Ｏ）を、以下に記載されるように集電体フォーム作製において後に使用するために調製した。第１の工程は、３１２．５グラムの酸化ニッケル（ＮｉＯ）、１８７．５０グラムの酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、および１９５ｍ２／グラムの表面積を有する１０グラムのナノスケールＳＤＣ−１５粉末を含有した混合物の調製であった。この混合物を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させて粉末にした。乾燥したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を１０００℃で焼成し、次いで３５メッシュシーブを通して篩分し、粗いＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末は、同じ初期手順によって製造したが、焼成後にＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いて振動ミルにかけ、その粒径を低下させた。振動ミルにかけられたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣスラリーを、次いで乾燥させて微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。
【００４５】
アノードスラリーの調製：
上記で記載されたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード前駆体粉末を使用して、次のように集電体フォームのために電気化学的に活性なアノードスラリーを調製した。組成（Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５）Ｏ１．９５（ＳＤＣ−１５）を有するサマリウムドープされたセリア粉末を、８ｍ２／グラムの表面積を有するように調製した。混合物は、４５０グラムの上記の微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末、および３００グラムの８．０ｍ２／グラムの表面積を有するＳＤＣ−１５粉末を含有するように調製した。次いでこの粉末混合物を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、乾燥させた。上記に記載されたように製造された粉末（約８〜１５ｍ２／ｇの表面積）７０．５グラムを、２７．０グラムの水に分散させ、スラリーを製造し、ＤｕｒａｍａｘＤ−３０２１分散剤（０．４１ｇ）、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ  ＳＥ−Ｆ界面活性剤（０．３０ｇ）、およびバインダーとしてメチルセルロース（１．２９ｇ）と合わせた。このスラリーをＧＤＣ媒質を用いて徐々にボールミルに１６時間かけ、構成成分の混合を確実にした。得られたスラリーは、６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成を有していた。
【００４６】
サーメット・フォーム・アノード集電体の作製：
上記で調製されたスラリーを、洗浄コート技術を用いてポリマーフォームに溶浸させ、過剰のスラリーを高密度フォームローラを用いて除去した。溶浸されたポリマーテンプレートのフォームを空気中１３００℃で２時間焼結させ、ポリマーテンプレートを焼失させ、焼結された酸化物サンプルが残った。得られたフォームピースは、５％水素形成ガス中、１３００℃までの熱処理により還元された。
【００４７】
［実施例４］
固体酸化物燃料電池は、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製された。こうした大面積セルのＳＯＦＣ性能を、実施例３に記載されるように作製されたサーメット・フォーム・アノード集電体を用いて試験した。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、実施例３に記載されるように調製された前駆体粉末の一部分を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード・コンタクト・ペーストを調製することによって調製したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣインクであった。模擬炭化水素リフォーメートＪＰ−８（２０％Ｈ２、１３％ＣＯ、２９％Ｎ２、１０％ＣＯ２、５％ＣＨ４、および２３％Ｈ２Ｏ）について、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを含むものと含まないものを燃料として使用し、酸化体として空気を使用した。図７に示されるこれらのデータから、開示されたアノードフォーム集電体が、向上した硫黄耐性特性を有することが認められた。Ｎｉ−Ｃｏセリア・サーメット・フォーム集電体の使用は、燃料として模擬リフォーメートに関してＨ２Ｓによる劣化を抑制するのに有効であり、この試験中のアノード排出物の質量分析から、水性ガスシフト反応が、Ｈ２Ｓが導入された場合にも抑制されなかったことが確認された（これらのデータも本明細書に示される表１に与えられる）。
【００４８】
［実施例５］
高い硫黄耐性特性を示す硫黄耐性サーメット・フォーム・アノード集電体は、ポリマーフォームテンプレートをアノード材料を用いて溶浸させ、続いてポリマーテンプレートを焼失させて製造した。得られたフォームは、硫黄耐性アノード材料１００％で構成されていた。このフォームは、実施例６において後に使用されるために調製した。硫黄耐性アノード集電体は次のように作製した。
【００４９】
アノード集電体前駆体粉末の調製：
ナノスケールのサマリウムドープされたセリア（ＳＤＣ−１５，Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５Ｏ１．９２５）を少量含有するＮｉＯ−ＣｏＯ固溶体粉末（Ｎｉ０．６２５Ｃｏ０．３７５Ｏ）を、以下に記載されるように集電体フォーム作製において後に使用するために調製した。第１の工程は、３１２．５グラムの酸化ニッケル（ＮｉＯ）、１８７．５０グラムの酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、および１９５ｍ２／グラムの表面積を有する１０グラムのナノスケールＳＤＣ−１５粉末を含有した混合物の調製であった。この混合物を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いてボールミルにかけ、得られたスラリーを乾燥させて粉末にした。乾燥したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を１０００℃で焼成し、次いで３５メッシュシーブを通して篩分し、粗いＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末は、同じ初期手順によって製造したが、焼成後にＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ粉末を、アセトン中でジルコニア粉砕媒質を用いて振動ミルにかけ、その粒径を低下させた。振動ミルにかけられたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣスラリーを、次いで乾燥させて微細なＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ前駆体粉末の調製を完了した。
【００５０】
アノードスラリーの調製：
上記で調製されたＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード前駆体粉末を使用して、実施例３に記載されるように集電体フォームのためにアノードスラリーを製造した。組成（Ｃｅ０．８５Ｓｍ０．１５）Ｏ１．９５（ＳＤＣ−１５）を有するサマリウムドープされたセリア粉末を、前駆体粉末に添加し、実施例３に記載されるように水性スラリーを調製した。こうして得られたスラリーは、６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成を有していた。
【００５１】
サーメット・フォーム・アノード集電体の作製：
上記で調製されたスラリーを、実施例３に記載されるのと同じ方法および熱処理を用いてポリマーフォームに溶浸させた。
【００５２】
［実施例６］
固体酸化物燃料電池は、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製された。こうした大面積セルのＳＯＦＣ性能を、実施例５に記載されるように作製されたサーメット・フォーム・アノード集電体を用いて試験した。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、実施例５に記載されるように調製された前駆体粉末の一部分を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード・コンタクト・ペーストを調製することによって調製したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣインクであった。模擬炭化水素リフォーメートＪＰ−８（２０％Ｈ２、１３％ＣＯ、２９％Ｎ２、１０％ＣＯ２、５％ＣＨ４、および２３％Ｈ２Ｏ）について、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを含むものと含まないものを燃料として使用し、酸化体として空気を使用した。図８に示されるこれらのデータから、開示されたアノードフォーム集電体が、実施例４に記載されるものと同様の向上した硫黄耐性特性を有することが確認された。Ｎｉ−Ｃｏ／セリア・サーメット・フォーム集電体の使用は、燃料として模擬リフォーメートに関してＨ２Ｓによる劣化を抑制するのに有効であり、この試験中のアノード排出物の質量分析から、水性ガスシフト反応が、Ｈ２Ｓが導入された場合にも抑制されなかったことを確認した（これらのデータも本明細書に示される表１に与えられる）。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
［実施例７］
硫黄耐性アノード集電体を、ディップ・コーティング・プロセスにより、未処理のニッケル金属フォームをＮｉ−Ｃｏ／ＳＤＣアノード材料を用いて溶浸させることによって製造した。得られたフォームを、ニッケルフォーム基板の上で硫黄耐性アノード材料を用いてコーティングしたが、それは実施例３および実施例５に記載されるように調製されたサーメットフォームに比べてより高い機械的一体性および延性を与える。このフォームは、コーティングのモルホロジーにおける固形分充填（solids loading）の作用を決定するために、実施例１０にて後に使用されるために調製した。６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成を有する硫黄耐性アノード集電体材料のスラリーを、実施例５に記載されるような前駆体アノード集電体粉末および方法を用いて調製した。ニッケルフォームは、ディップコート技術を用いてスラリー中でコーティングし、過剰分は、フォームをわずかに振とうさせることによって除去し、フォームを乾燥させた。溶浸されたフォームピースを、５％水素フォーミングガス中、１０５０℃までの加熱処理にて１時間還元した。得られたディップコーティングされたフォームは、フォーム面積５．６ｍｇ／ｃｍ２の溶浸充填を有していた。Ｎｉ−Ｃｏ／セリアディップコーティングされたフォーム集電体のＳＥＭ顕微鏡写真を図９に示し、それは、この充填に関して、ニッケルフォーム基板の不完全な被覆が認められたことを示している。実施例１０に議論される単一セル試験は、リフォーメート燃料を用いてこのコーティングの硫黄耐性における影響を探索するために行った。
【００５５】
［実施例８］
硫黄耐性アノード集電体を、ディップ・コーティング・プロセスにより、未処理のニッケル金属フォームをアノード材料を用いて溶浸させることによって製造した。得られたフォームは、ニッケルフォーム基板の上で硫黄耐性アノード材料でコーティングした。このフォームは、コーティングのモルホロジーにおいて固形分充填の作用を決定するために、実施例１２にて後に使用されるために調製した。６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成を有する硫黄耐性アノード集電体材料のスラリーを、実施例５に記載されるような前駆体アノード集電体粉末および方法を用いて調製した。ニッケルフォームは、ディップコート技術を用いてスラリー中でコーティングし、過剰分は、フォームをわずかに振とうさせることによって除去し、フォームを乾燥させた。溶浸されたフォームピースを、５％水素フォーミングガス中、１０５０℃までの熱処理において１時間還元した。ディップコーティング、乾燥および１０５０℃までの熱処理のプロセスをさらに２回繰り返した。得られたディップコーティングされたフォームは、フォーム面積１２．２ｍｇ／ｃｍ２の溶浸充填を有していた。３重ディップコーティングされたＮｉ−Ｃｏ／セリアフォーム集電体のＳＥＭ顕微鏡写真を図１０に示し、それは、この充填に関して、ニッケルフォーム基板の不完全な被覆が得られたことを示しているが、実施例７で調製されたフォームよりも改善された。実施例１２で議論される単一セル試験は、リフォーメート燃料を用いてこのコーティングの硫黄耐性における影響を探索するために行った。
【００５６】
［実施例９］
硫黄耐性アノード集電体を、ディップ・コーティング・プロセスにより、未処理のニッケル金属フォームをアノード材料を用いて溶浸させることによって製造した。得られたフォームは、ニッケルフォーム基板の上で硫黄耐性アノード材料でコーティングした。このフォームは、コーティングのモルホロジーにおける固形分充填の作用を決定するために、実施例１１および実施例１２にて後に使用されるために調製した。６０重量％の（ＮｉＯ０．７５ＣｏＯ０．２５）および４０重量％のＳＤＣ−１５からなる組成を有する硫黄耐性アノード集電体材料のスラリーを、実施例５に記載されるような前駆体アノード集電体粉末および方法を用いて調製した。ニッケルフォームは、ディップコート技術を用いてスラリー中でコーティングし、過剰分は、フォームをわずかに振とうさせることによって除去し、フォームを乾燥させた。乾燥されたフォームを、次いで２回目のディップコーティングを行い、乾燥させた。溶浸されたフォームピースを、５％水素フォーミングガス中、１０５０℃までの熱処理において１時間還元した。ディップコーティング、乾燥および１０５０℃までの熱処理のプロセスをさらに１回繰り返した。得られたディップコーティングされたフォームは、フォーム面積１９．１ｍｇ／ｃｍ２の溶浸充填を有していた。Ｎｉ−Ｃｏ／セリアディップコーティングされたフォーム集電体のＳＥＭ顕微鏡写真を図１１に示す。これらの画像は、この高い充填に関して、ニッケルフォーム基板の完全な被覆が得られたことを示しており、実施例７および実施例８で調製されたフォームよりも大きく改善された。実施例１１および実施例１２で議論される単一セル試験は、リフォーメート燃料を用いてこのコーティングの硫黄耐性における影響を探索するために行った。
【００５７】
［実施例１０］
固体酸化物燃料電池は、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製された。こうした大面積セルのＳＯＦＣ性能を、実施例７に記載されるように作製されたＮｉ−Ｃｏ／ＳＤＣアノード集電体でディップコーティングされたニッケルフォームを用いて試験した。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、実施例５に記載されるように調製された前駆体粉末の一部分を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード・コンタクト・ペーストを調製することによって調製したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣインクであった。模擬炭化水素リフォーメート（２０％Ｈ２、１３％ＣＯ、２９％Ｎ２、１０％ＣＯ２、５％ＣＨ４、および２３％Ｈ２Ｏ）について、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを含むものと含まないものを燃料として使用し、酸化体として空気を使用した。ポリマーの前形成されたサーメットフォーム（実施例４および実施例６）を用いたセルの安定な性能と比較して、顕著な定常状態の劣化が、フォーム面積５．６ｍｇ／ｃｍ２の低固形分充填でディップコーティングされたニッケルフォームを用いた場合にＨ２Ｓの導入時に確認された（図１２を参照のこと）。この結果は、不十分なＮｉ−Ｃｏ／ＳＤＣアノード材料がニッケルフォーム上に堆積したことを示している。
【００５８】
［実施例１１］
固体酸化物燃料電池を、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製された。こうした大面積セルのＳＯＦＣ性能を、実施例９に記載されるように作製されたＮｉ−Ｃｏ／ＳＤＣアノード集電体でディップコーティングされたニッケルフォームを用いて試験した。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、実施例５に記載されるように調製された前駆体粉末の一部分を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード・コンタクト・ペーストを調製することによって調製したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣインクであった。模擬炭化水素リフォーメート（２２．２％Ｈ２、２１．５％ＣＯ、５．６％ＣＯ、０．２％ＣＨ４、４５．９％Ｎ２、および４．４％Ｈ２Ｏ）について、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを含むものと含まないものを燃料として使用し、酸化体として空気を使用した。セルを初期において０．２７Ａ／ｃｍ２で操作し、図１２のセルの性能と比較した。このセルは、硫黄上での２５０時間の操作の後、良好な安定性を示した；故に、電流密度は、０．４１Ａ／ｃｍ２まで上昇し、図７に示されるサーメットフォーム実験の電流密度に合った。この高い電流密度において、セルは、２００ｐｐｍのＨ２Ｓにおけるいかなる劣化もなく操作を継続した（図１３を参照のこと）。
【００５９】
［実施例１２］
固体酸化物燃料電池は、有効面積２８ｃｍ２を有するＳｃＳＺ−６電解質材料から製造された１０×１０ｃｍのフレックスセル基板から調製した。このセルは、実施例１に記載されるものと同一の、コバルトドープされたＳＤＣ界面層、電気化学的に活性な（ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣ）アノード層および通電（ＮｉＯ／ＳｃＳＺ）アノード層、並びに電気化学的に活性な（ＬＳＺＦ／ＧＤＣ／Ｐｄ）カソード層および通電（ＬＳＺＦ／Ｐｄ）カソード層を用いて作製した。大面積セルのＳＯＦＣ性能を、実施例８および実施例９に記載されるように作製されたＮｉ−Ｃｏ／ＳＤＣアノード集電体でディップコーティングされたニッケルフォームを用いて試験した。アノードと集電体フォームとの間に使用されるコンタクトペーストは、実施例５に記載されるように調製された前駆体粉末の一部分を、テルピネオール系インクビヒクルに分散させ、ＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣアノード・コンタクト・ペーストを調製することによって調製したＮｉＯ−ＣｏＯ／ＳＤＣインクであった。模擬炭化水素リフォーメート（２２．４％Ｈ２、２１．５％ＣＯ、５．６％ＣＯ、０．２％ＣＨ４、４５．９％Ｎ２、および４．４％Ｈ２Ｏ）について、２００ｐｐｍのＨ２Ｓを含むものと含まないものを燃料として使用し、酸化体として空気を使用した。図１４は、（それぞれ実施例８および実施例９におけるように調製された）Ｎｉ−Ｃｏ／セリア材料のそれぞれのフォーム面積１２．２および１９．１ｍｇ／ｃｍ２で溶浸されたニッケルフォーム集電体を用いて５００時間の期間にわたって得られた長期間の安定な性能を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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