(57)【要約】固体電気化学装置のための低コストで機械的に堅牢で電気伝導性が高い集電部および関連する構造、これらの構造を形成する技術、およびこの構造を備える装置を提供する。本発明は、電流インターコネクトとして保護用酸化膜でコーティングされたフェライト鋼フェルトまたはスクリーンを持つ集電装置固体電気化学装置を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セル中の電流を集めることができる集電装置であって、ペロブスカイトを含む化合物でコーティングされた金属スクリーン、メッシュまたはフェルトを備える集電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の集電装置であって、
前記金属スクリーン、メッシュまたはフェルトは、鉄および／またはクロムを含む集電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の集電装置であって、
前記金属スクリーン、メッシュまたはフェルトは、鉄ベースのフェライト鋼である集電装置。
【請求項４】
請求項１に記載の集電装置であって、
前記ペロブスカイトは、ＬａＣｒＯ３である集電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の集電装置であって、
前記ＬａＣｒＯ３はドープされている集電装置。
【請求項６】
請求項１に記載の集電装置であって、
前記ペロブスカイトでコーティングされた金属スクリーン、メッシュまたはフェルトは、電気化学装置の少なくとも１つのセルを少なくとも１つの他のセルと接続する集電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の集電装置であって、
前記セル群は、同じ電気化学装置内にある集電装置。
【請求項８】
請求項１に記載の前記集電装置を備える電気化学セル。
【請求項９】
請求項１に記載の集電装置によって接続される電気化学セル群のアレイ。
【請求項１０】
電気化学装置のインターコネクトであって、
金属スクリーン、メッシュまたはフェルト、および
その上にコーティングされた酸化物薄膜
を備えるインターコネクト。
【請求項１１】
請求項１０に記載のインターコネクトであって、
前記金属スクリーン、メッシュまたはフェルトはクロムを含むインターコネクト。
【請求項１２】
請求項１０に記載のインターコネクトであって、
前記酸化物薄膜は、実質的にＬａＣｒＯ３からなるインターコネクト。
【請求項１３】
請求項１２に記載のインターコネクトであって、
前記ＬａＣｒＯ３はドープされたインターコネクト。
【請求項１４】
請求項１０に記載のインターコネクトであって、
前記酸化物は、式
Ａ１−ｘＡ’ｘＢ１−ｙＢ’ｙＯ３の酸化物であり、
ここでＡはランタノイド元素、Ａ’はＢａ、ＣａまたはＳｒであり、ＢはＣｒであり、Ｂ’は以下の元素Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｉｎ、およびＡｌから選ばれ、ここで０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１であるインターコネクト。
【請求項１５】
請求項１４に記載のインターコネクトであって、
０．１≦ｘ≦０．５および０．１≦ｙ≦０．５であるインターコネクト。
【請求項１６】
固体電気化学装置であって、
請求項１に記載の集電装置を備える固体電気化学装置。
【請求項１７】
固体酸化物燃料電池であって、
請求項１に記載の集電装置を備える固体酸化物燃料電池。
【請求項１８】
ガス分離装置であって、
請求項１に記載の集電装置を備えるガス分離装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の集電装置であって、
前記ペロブスカイトは、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３であって、ここで０．１≦ｘ≦０．５である集電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に固体電気化学装置の分野に関し、特にそのような装置で使用されるセル・ツー・セルのインターコネクトに関する。
【０００２】
本発明は、合衆国エネルギー省によって認められたグラント（契約）番号ＤＥ−ＡＣ０３−７６Ｆ０００９８によって政府の援助でなされた。政府は本発明についてある種の権利を持つ。
【０００３】
本発明は、２００１年１２月１８日に出願された米国特許出願第６０／３４３，３３０号の優先権を主張し、その内容は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【背景技術】
【０００４】
従来技術のインターコネクトは典型的には、金属または金属合金から、またはドーピングされたランタンクロマイトのような酸化物から作られ、典型的には約０．２ｍｍの厚さである。インターコネクトはまた、固体電気化学装置の集電体としても機能しえる。
【０００５】
固体電気化学装置の集電体は、従来技術において記述されてきており、例えばＨａｔｃｈｗｅｌｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，７０（１９９８）８５−９０であり、その内容全体がここで参照によって援用される。
【０００６】
固体電気化学装置はしばしばセルとして用いられ、陽極および陰極の２つの多孔質電極、およびそれら電極を分離する濃い固体電解質および／または隔膜を含む。この応用例については、明示的、またはそれが使用される背景から明らかでない限り、「電解質」という語は、装置の動作中にそれらの間に電界がかけられたり、電界が発生したりするかどうかにかかわらず、電気化学装置において用いられる固体酸化隔膜を含むと理解されるべきである。燃料電池および酸素および合成ガス発生器のような多くの実現例において、固体隔膜は、酸素イオンまたは水素イオンのようなイオン種を伝導できる材料からなる電解質であり、それでいて低い導電性を持つ。ガス分離装置のような他の実現例においては、固体隔膜は、イオン性および電子性混合伝導体材料（「ＭＩＥＣ」）からなる。いずれの場合も、電解質／隔膜は、電気化学反応物の混合を避けるために、密度が高くピンホールがない（「気密性がある」）ことが必要である。これらの装置の全てにおいて、セルのより低い全体内部抵抗がパフォーマンスを改善する。
【０００７】
従来の固体電気化学装置の実現例において用いられるセラミック材料は製造が高価で、維持するのが困難で（そのもろさのため）、もともと高い電気抵抗を持つ。この抵抗は、典型的には９００℃を超える高温で装置を動作させることによって低下させられえる。しかしこのような高温動作は、装置メンテナンス、および特に、例えば酸素電極の酸化環境において装置に使用可能な材料の点で大きな欠点を持つ。
【０００８】
固体電気化学セルの準備はよく知られている。例えば典型的な固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、セラミック酸素イオン伝導体の高密度電界質隔膜、電池の燃料側の電解質隔膜と接触するセラミック、金属、または最も普通にはセラミック金属化合物（「ｃｅｒｍｅｔ」）の多孔質陽極層、および電池の酸化剤側のイオン性および電子性混合伝導体（ＭＩＥＣ）の金属酸化物の多孔質陰極層を有する。電気は、電気化学反応を通して、燃料（典型的には改質メタンから作られた水素）および酸化剤（典型的には空気）の間に発生される。この実質的に電気化学的な反応は、イオン伝導性電解質隔膜、電導性電極および気相（燃料または酸素）の間の境界において起こる電荷転送ステップを伴う。電荷転送ステップ、質量転送（多孔質電極内での気体拡散）、および固体酸化物燃料電池の総内部抵抗に対する電子およびイオンの流れによるオーム損失の寄与は多大になりえる。さらに典型的な装置設計においては、複数のセルが積層され、１つ以上のインターコネクトによって接続される。これらインターコネクトに帰する抵抗性損失も多大なものになりえる。
【０００９】
ｄｅ  Ｓｏｕｚａ，  Ｖｉｓｃｏ，  ａｎｄ  Ｄｅ  Ｊｏｎｇｈｅによって報告された研究（ｄｅ  Ｓｏｕｚａ，Ｓ．；Ｖｉｓｃｏ，Ｓ．Ｊ．；Ｄｅ  Ｊｏｎｇｈｅ，Ｌ．Ｃ．、Ｒｅｄｕｃｅｄ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ＹＳＺ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  ｖｏｌ．１４４，（ｎｏ．３），Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ、１９９７年３月、ｐ．Ｌ３５−７．７）（その内容が全ての目的のためにここで参照によって援用される）において、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の薄膜が多孔質サーメット電極上に堆積され、緻密なＹＳＺフィルムを多孔質サーメット電極上に作るために未焼結アセンブリが同時焼成される。薄い陰極がそれから２層の上に堆積され、焼成され、アセンブリはよい成績を持つＳＯＦＣとして試験される。Ｍｉｎｈによって報告された研究（Ｍｉｎｈ，Ｎ．Ｑ．（Ｄｏｋｉｙａ，Ｍ．；Ｙａｍａｍｏｔｏ，Ｏ．；Ｔａｇａｗａ，Ｈ．；Ｓｉｎｇｈａｌ，Ｓ．Ｃ．によって編集）、Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ  ｓｏｌｉｄ  ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌｓ  ｆｏｒ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｏｕｒｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ（ＳＯＦＣ−ＩＶ）、（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｏｕｒｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ（ＳＯＦＣ−ＩＶ）、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｆｏｕｒｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ、Ｙｏｋｏｈａｍａ，Ｊａｐａｎ，１８−２３  Ｊｕｎｅ  １９９５．）Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ，ＮＪ，ＵＳＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ，１９９５．ｐ．１３８−４５）においては、パフォーマンスのよい装置を作るために同様のＳＯＦＣがテープカレンダリング技術によって製造される。
【００１０】
固体電気化学装置は、エネルギー発生、酸素分離、水素分離、石炭ガス化、および炭化水素の選択的酸化を含むさまざまな応用例についてますます重要になってきている。これらの装置は典型的には、セラミック電極および電解質を持つ電気化学セルに基づき、２つの基本設計を有する。すなわち円筒形および平面形である。円筒形は伝統的に平面形よりもより簡単に実現されてきており、よって商用応用例には好まれている。しかし円筒形の設計は、実質的な抵抗性電力損失につながる本質的に比較的長い電流パスのために平面形よりも電力密度が小さい。平面形設計は、理論的には円筒形設計よりもより効率的であるが、封止すること、および平面スタックを多層にすることの複雑さのために、安全性および信頼性の大きな問題が一般には認識されている。
【００１１】
従来技術の電流集電体（米国特許第６，２１４，０６１号参照、その内容が全ての目的のためにここで参照によって援用される）は、物理的に堅い材料の層を形成する。米国特許第３，３７７，２０３号は、電極層を電解質に焼結させることによって固体電解質およびセラミック酸化物電極層を製造する方法を開示する。米国特許第４，７６７，５１８号は、プラセオジム（Ｐｒ）も含む安定化ジルコニアによって固定化された金属粉末からなる固体酸化物電極（陽極）を開示する。プラセオジムは、溶液の形でも添加されえる。米国特許第４，８８５，０７８号は、加熱とともに金属酸化物の形成が可能な金属酸化物または金属塩の堆積物を含む多孔質電極を備える固体酸化物セルでありえる電気化学装置を開示し、ここで金属はプラセオジムでありえる。米国特許第５，０２１，３０４号は、硝酸を含む金属塩の混合物を電極に界面活性剤と塗布するステップ、および酸化物を形成するために加熱するステップを有する、多孔質電極上の分離した電導性層をコーティングする方法を開示する。プラセオジム酸化物は、用いられえるドーパント酸化物のリストに含まれる。米国特許第６，４１６，８９７号は、多孔質で中空の電導性金属メッシュ伝導体を、ニッケルでできた燃料電池間に備える固体酸化物燃料電池のための円筒形スクリーン電気接続サポートを開示する。米国特許第５，２５８，２４０号は、フェルトまたはフォイルを備える燃料電池のための電気的コネクタを開示する。
【００１２】
固体燃料電池によって作られたエネルギーの総量は、セルを陽極から陰極へと積層することによって増加されえる。インターコネクト層は、隣接するセルの陽極および陰極層の間に配置され、セルからセルへの電気的接続を提供し、それらの間で燃料または酸化物の移動を阻止するためのセル間のバリアとして機能する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、新規で改良されたインターコネクトを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、高温、すなわち摂氏６００度よりも高い温度におけるセル・ツー・セルの相互接続に有用な新規なセル・ツー・セルのインターコネクトおよび集電部およびそのような装置を作るプロセスを想定する。本発明は、電気的に接続される板の積層またはチューブの束を備える装置を想定する。典型的な従来技術の装置は、高価な金属酸化物によって、またはＰｔまたはＮｉのような高価な金属によって直列および／または並列に接続される（雰囲気を減圧する）。本発明のインターコネクトおよび集電部は、ペロブスカイトでコーティングされた金属スクリーンまたは金属フェルトを備える。
【００１５】
他の局面において、本発明は、特定の目的、例えば酸素発生器、ガス分離器、固体酸化物燃料電池および合成ガス発生器に適合された装置を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のこれらおよび他の特徴および効果は、以下の本発明の詳細な説明および添付の図面により詳細に示され、これらは本発明の原理を例示的に示す。
【００１７】
本発明は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明によって容易に理解されよう。
本発明を実施するための発明者によって考えられたベストモードを含む本発明のいくつかの特定の実施形態を詳細に参照する。これら具体的な実施形態の例は、添付の図面に示される。本発明はこれらの具体的な実施形態について説明されるが、本発明は説明された実施形態に限定されるよう意図されるものではないことが理解されよう。むしろ添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲に含まれえる改変、変更、および等価物をカバーするように意図される。以下の説明において、多くの具体的な詳細は、本発明の完全な理解を提供するために述べられる。本発明は、これら特定の詳細の一部または全てなしに実現されえる。あるいは、本発明の内容を不必要にぼかさないために、よく知られたプロセス操作は詳細に記載されていない。
【００１８】
この明細書および添付の特許請求の範囲においては、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうではないと示すとき以外、複数のものを参照する場合も含む。そうではないと規定される場合を除き、ここで用いられる全ての技術的および科学的な用語は、本発明が属する分野の当業者によって通常、理解されるのと同じ意味を持つ。
【００１９】
イントロダクション
固体装置要素および構成の概観、および２つの基本設計が述べられる。この記載は、本題への背景およびイントロダクションとして、また本発明による化合物、装置、および方法に適用されえる設計および製造の詳細を提供するために示される。
【００２０】
図１は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）のような固体電気化学装置のための基本平面設計を示す。セル１００は、陽極１０２（「燃料電極」）および陰極１０４（「空気電極」）および２つの電極を分離する固体電解質１０６を含む。従来のＳＯＦＣにおいて電極および電解質は、典型的にはセラミック材料から形成されるが、これはセラミックが装置の動作する高温に耐えられるからである。例えばＳＯＦＣは従来、約９５０℃において動作される。この動作温度は多くのファクタによって決定されるが、とりわけ水素を作るためのメタンの改質に必要な温度、および反応効率が考慮される。またＳＯＦＣのような典型的な固体イオン装置は、ＳＯＦＣがその上に構築される構造的な要素を持つ。従来の平面ＳＯＦＣにおいては、構造要素は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような厚い固体電解質板であり、多孔質電極がそれから電解質上にスクリーン印刷される。多孔質電極は、強度が弱く、それほど導電性ではない。あるいは、厚い多孔質電極および薄い電解質隔膜が、同時焼成され、電極／電解質の２層を生む。上述のように電極が数ｍｍの厚さのＮｉ−ＹＳＺ電極である場合は、電極強度は低く、原材料コストは高い。セル・ツー・セルのインターコネクトは１０８に示される。
【００２１】
メタン（天然ガス）は豊富に存在し、安価で、セルの実際の燃料である水素が多いので、ＳＯＦＣのための好ましい燃料源である。メタンは、約６５０〜９５０℃の温度において水素を作るために改質されえる。よって、少なくともこの温度範囲の下端においてＳＯＦＣを動作させることが望ましい。
【００２２】
ＳＯＦＣまたは任意の固体電気化学装置が動作される温度を支配する他の考慮すべき点は、電解質／隔膜導電性である。従来の装置は、エネルギー発生反応（ＳＯＦＣの場合、ガスセパレータまたは発生器については他の反応）のためにセラミック電解質が充分にイオン的に導電性を持つようにするため充分に高い温度で動作されなければならない。典型的には数百ミクロンの厚さである固体電解質の厚さは、許容できる導電性を達成するために９００℃より上の動作温度を好む。ＥＶＤ／ＣＶＤのような、セラミック基板上に薄い電解質を形成する方法が存在する。しかしＥＶＤ／ＣＶＤは、複雑で高価な手法であり、この手法が応用されてきたセラミックベースの装置は、効率的であるためには依然として高い動作温度を要求する。残念ながらたいていの金属は、酸化環境下のこの温度では不安定で、非常に速く脆性酸化物に変化してしまう。したがって固体電気化学装置は従来、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎｙＯ３−δ（１≧ｘ≧０．０５）（０．９５≦ｙ≦１．１５）（「ＬＳＭ」）のような耐熱セラミック材料、およびイットリア安定化ジルコニア（例えば、（ＺｒＯ２）０．９２（Ｙ２Ｏ３）０．０８）（「ＹＳＺ」）から構成されてきた。ＳＯＦＣにおいて、この制限は、酸化が起こる空気電極において最も問題になる。酸素発生器のような他の固体電気化学装置においては、両方の電極は装置の動作中、酸化環境にあり、よって両方の電極がこの問題に直面する。
【００２３】
再び図１を参照し、セル１００は、装置の容量を増すために典型的になされるように他の同様のセル１１０と積層されえるよう描かれる。積層されるためにセルは、それぞれの電極の近接する、電気的には伝導性を持つが、イオン的には伝導性を持たないバイポーラインターコネクト１０８を必要とする。
【００２４】
本発明は、電流集電の新規な方法、および高温、すなわち摂氏６００度より高い温度におけるセル・ツー・セルインターコネクトに有用な装置を想定する。本発明は、電気的に接続された板の積層体またはチューブの束を備える装置を想定する。典型的な従来技術は、高価な金属酸化物によって、またはＰｔまたはＮｉのような高価な金属によって直列および／または並列に接続される（雰囲気を減圧する）。本発明は、ペロブスカイト、ＬａＣｒＯ３またはＬａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３のような材料を含む薄い保護酸化膜を持つフェライト鋼を含む金属スクリーンまたは金属フェルトをコーティングすることによる上述の問題に対する解決策を想定する。この材料は、ＣＶＤまたはＰＶＤまたはゾル・ゲル法などのようなこの技術分野で知られる任意の手法によって適用される。本発明によって想定される「コーティングされたスクリーン」または「コーティングされたフェルト」は、集電に有用である。本発明は、金属で支持された装置において、またセラミックまたはサーメットで支持されたＳＯＦＣにおいて有用であるべき本発明のコーティングされた物品を想定する。電流パスが長い大きいセル（すなわち１ｍ×１ｍの板）について特に有用である。
【００２５】
平面ＳＯＦＣの積層物は、陽極側におけるＮｉフェルト集電部（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｓ）、および陰極側における金属フェルト（例えばＦｅＣｒ＋保護酸化物スケールまたはＦｅＣｒＮｉ＋保護酸化物スケール）集電部と圧着によって積層されえることが想定される。またＮｉメッキされたＦｅＣｒベースの合金が想定される。これは純粋のＮｉを消費することなく、燃料側における触媒として機能する。酸化セリウムもＮｉメッキ、または銅などのような他の触媒の表面に追加されえる。
【００２６】
金属スクリーンまたは金属フェルトは、実質的に安価なフェライト鋼を備え、薄い保護酸化膜でコーティングされる。金属酸化物が好ましい。金属スクリーンまたはフェルト上にコーティングされた薄い酸化物膜または酸化物前駆体は、摂氏４００度を超える温度において酸化雰囲気中で加熱される。この酸化は装置の加熱において起こりえる。コーティングされた金属は、電気化学装置の一つのセルおよび少なくとも１つの他のセルと接触する。この薄膜は、下にある金属の過剰な酸化を防ぐと共に、摂氏６００度を超える温度において電気化学装置の金属および電極の間で電気的接続を提供する。Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３は、２００１年９月１０〜１４日のＦｏｕｒｔｈ  Ｙｕｇｏｓｌａｖ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｈｅｒｃｅｇ−Ｎｏｖｉで発表されたＭ．Ｄ．Ｖｌａｊｉｃ，Ｖ．Ｄ．Ｋｒｓｔｉｃによる「Ｃｅｎｔｅｒ  ｆｏｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｑｕｅｅｎ’ｓ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｋｉｎｇｓｔｏｎ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ，ＳＩＮＴＥＲＩＮＧ  ＡＮＤ  ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ  ＯＦ  ＬａＳｒＣｒＯ３」において記載され、その内容がここで参照によって援用される。
【００２７】
ペロブスカイトは、ペロフスキー石として知られる特定の鉱物からその名を取られた結晶セラミックの大きな族である。強誘電体材料に見られる主要なペロブスカイト構造は、ＡＢＯ３またはＡ１−ｘＡ’ｘＢ１−ｙＢ’ｙＯ３の形の３つの異なるイオンを含む単純な立方体構造であり、ここでＡはランタノイド元素、Ａ’はＢａ、ＣａまたはＳｒであり、ＢはＣｒであり、Ｂ’は以下の元素Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｉｎ、およびＡｌから選ばれ、ここで０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。
【００２８】
本発明によって想定される金属メッシュまたはフェルトまたはスクリーンは、インターコネクトまたは集電装置として用いられるときのさまざまな構造を考慮する。金属メッシュは、展伸金属メッシュまたは金網メッシュでありえ、当業者が知る最終目的によって支配される任意の数の層を持ちえる。好ましくは層の数は６より小さい。メッシュ構造の形状は変更されえ、正方形、菱形、長方形または他の形でありえる。インターコネクトまたは集電装置はまた、フェルトまたはメッシュおよびフォイルの複合体を備えうる。集電装置は、鉄および／またはクロムを含む金属スクリーン、金属メッシュまたは金属フェルトを有することが想定される。好ましくは金属スクリーン、メッシュまたはフェルトは、鉄ベースのフェライト鋼である。
【００２９】
請求項１に記載されるように、コーティングは集電装置であって、ペロブスカイトは、ドープされた、またはドープされないＬａ１−ｘＳｒｘＣｒＯ３であって、ここで０．１≦ｘ≦０．５またはＬａＣｒＯ３であることが好ましい。好ましくはドープされた、またはドープされないＬａＣｒＯ３であり、より好ましくはＬａＣｒＯ３がドープされる。ドーパントは、ＬａＣｒＯ３の技術においてふつうに知られる任意のものでありえる。
【００３０】
本発明による金属スクリーン、メッシュまたはフェルト上のコーティングは、さまざまな形態を取りえる。コーティングは、金属メッシュを含浸させる、またはさせないコーティングでありえ、またさまざまな程度で含浸させえる。コーティングはメッシュの両面をコーティングし、メッシュを含浸させえる。コーティングは、メッシュを両面においてコーティングし、メッシュを含浸させないこともできる。ペロブスカイトコーティングが電気化学装置の少なくとも１つのセルを少なくとも１つの他のセルに接続するとき、これは他のセルが同じ電気化学装置中か、または異なる電気化学装置中にあることを意味する。インターコネクト１０８は、セルで発生された電流がセル間を流れ、用いるために集電されることを可能にする。これらインターコネクトは典型的には、それを通して燃料および空気がそれぞれの電極に供給される多岐管に形成される（チャネル内のガスの水平移動を可能にする。しかしガスの混合（鉛直移動）を許さない。）。水素および酸素の制御されない混合物から生じる非常に発熱の高い燃焼のために、インターコネクト多岐管は、平面セルの全てのエッジにおいてよく封止されていることが必要である。さらに、従来の装置のための９００℃を超える（例えば９５０℃）要求された動作温度のため、空気電極と接触するインターコネクトは、高温腐食のために金属では構成できない。
【００３１】
固体電気化学平面積層装置の従来の設計は、インターコネクトを形成するためランタンクロムのようなセラミック材料を用いてきた。しかしランタンクロムは非常に高価な材料で、装置のコストの９０％をも占める場合もある。さらに、比較的脆性な材料（金属と比較して）であり、絶対的な封止を必要とする応用例には理想的ではなく、金属よりも大きく伝導性に劣り、結果として装置の全体的な効率を下げる抵抗損失を生む。これらの問題が複合して、現行の平面積層の実現例を商用の応用例としては非現実的なものとしてきた。
【００３２】
安全上の問題がより低減され、より信頼性が増していると一般に考えられる代替の固体電気化学装置の設計は図２Ａ〜Ｃに描かれる。例えばＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅによって商用化されたこの設計は、円筒形状を持つ。図２Ａは、円筒形ＳＯＦＣ２００の軸断面図を示す。内側円筒は、空気電極２０２であり、ＬＳＭのような固体セラミック材料からやはり形成される。空気電極２０２は、そのほとんどの周囲について固体電解質２０４でコーティングされる。電解質は、燃料電極２０６でコーティングされる。動作中、空気はチューブ内部を通って流され、一方、燃料（セルの動作中に水素に改質されるメタンが一般的）がチューブの外に供給される。円筒形ＳＯＦＣの場合、主要な製造コストの一つは、従来の化学気相成長・電気化学気相成長（ＣＶＤ−ＥＶＤ）技法による電解質膜の堆積に関連する。
【００３３】
燃料電池によって発生された電流を取り出すために、電極に接触する電気伝導性材料が必要とされる。この材料はまた、チューブの外の水素燃料および内側の空気が互いに混ざることを阻止するための化学的バリアを提供する。インターコネクト２０８は、空気電極２０２上に、電解質２０４によってカバーされない周囲部分にわたって設けられる。インターコネクトは典型的には、それに取り付けられたインターコネクトコンタクト２１０を持つ。この構成はまた、図２Ｂに示されるようにチューブの積層を可能にし、図２Ｂには４つの円筒形セル２２２、２２４、２２６、２２８からなる積層されたセル装置２２０が描かれ、この場合、これらは酸素発生セルであり、上述のように他のセルでもよく、これらは陽極集電部２２９および陰極集電部２３０の間の、ここで想定されるインターコネクトを用いて積層され相互接続される。
【００３４】
図２Ｃは、図２Ａに示されるような円筒形固体電気化学装置の長手方向の断面図を示す。装置２５０は、装置のＳＯＦＣ応用例の場合、多孔質空気電極（陰極）２５２、および電解質２５４、および多孔質燃料電極（陽極）２５６によって形成される円筒形状を持つ。円筒形状の装置は、ＳＯＦＣ（図示される）の場合の空気のような反応ガスを提供したり、酸素発生器のガスにおける酸素のような生成ガスを排気したりするのに利用可能な開放端２５８、および内側のガスを外側のガスから分離して保持するための閉端２６０を持つ。ＳＯＦＣの場合、燃料ガス、例えば水素またはメタンは典型的にはチューブの外側において提供される。
【００３５】
この設計においては、ＳＯＦＣにおける水素燃料および空気のような反応ガス群の混合を阻止する封止は、より簡単に実現される。平面装置におけるような全てのエッジを囲む封止を必要とはせずに、この円筒形装置ではチューブの開放端２５８においてだけ封止されればよい（またはシールレスにしてリークを許すことさえできる）。さらにこの端部は、動作装置の熱い領域からはずれて配置されえる。これは、従来の平面設計によるものよりも、この封止をより簡単にメンテナンスされるようにし、装置をより安全で信頼性のあるものにする。
【００３６】
しかし円筒形設計は、チューブ全体の集電がチューブの周囲上のごく小さい領域においてだけしか起こらないという大きな欠点を持つ。図２Ａを参照すれば、チューブ全周からの全ての電流は、インターコネクト２０８において集電される。よって最大電流パス２１２は、チューブの周辺の約半分であり、これは平面の実現例についての場合の数ミクロンに対して数センチメートルになりえる。従来の実現例におけるこの設計につきものの抵抗損失は、図２Ｂを参照してより完全に理解されえ、ここでは円筒形装置の積層物が示される。積層物中のそれぞれのセルは、装置２２０の非常に大きな総内部抵抗に寄与する。その結果、円筒形実現例は、平面装置よりもより低い電力密度しか持たず、この設計を用いる高電力密度装置の開発を非現実的なものにする。さらにこの設計は、装置の内部抵抗損に大きく寄与する材料（セラミック電極およびインターコネクト）から構成される欠点を持ち、それによって電力密度を制限する。ここで想定されたインターコネクトを用いることで上述の問題が解決される。
【００３７】
図１および２Ａ〜Ｃに示され説明された設計は、ＳＯＦＣとして用いるよう意図されているが、同じまたは同様の装置設計は、電極およびセパレータとして用いられる材料の選択、装置が動作される環境（それぞれの電極に供給されるガス群）、与えられる圧力または電気的ポテンシャル、および装置の動作に依存して、ガス分離または発生にも用いることができる。例えば上述のように燃料電池については、水素ベースの燃料（典型的には装置の動作中に水素に改質されるメタン）が燃料電極において供給され、空気が空気電極において供給される。空気電極／電解質境界において形成される酸素イオン（Ｏ２−）は、電解質を通して移動し、燃料電極／電解質境界における水素と反応し、水を形成し、それによって電気的エネルギーを放出し、これがインターコネクト／集電部によって集電される。
【００３８】
燃料電池の場合、電解質は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような純粋にイオン性導電材料から構成されえる。もし同じ装置が電解装置として動作されるなら、すなわちエネルギーを装置から取り出すのではないなら、２つの電極間に与えられる電位差としてエネルギーが装置に供給され、陰極においてガスから形成されるイオン（例えば空気からの酸素イオン）が電解質（所望の純粋ガスのイオンの伝導性について選択される）を通って移動し純粋なガス（例えば酸素）を陽極において生成する。もし電解質が、酸素イオン伝導物質の代わりに陽子伝導性薄膜（例えばドープされたＢａＣｅＯ３、ドープされたＳｒＣｅＯ３、またはドープされたＳｒＺｒＯ３）であるなら、この装置は、例えばメタンの水蒸気改質（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝３Ｈ２＋ＣＯ）から生じる他の不純物と共に水素を含むフィードガスから、水素を分離するのに用いられえる。ある電極／薄膜境界においてＨ２／ＣＯ混合物から形成された陽子（水素イオン）は、電極間に印加されたポテンシャルによって駆動され薄膜を超えて移動し、高純度の水素を他の電極において作りだす。よって装置は、ガス発生器／清浄機としても機能しえる。
【００３９】
このような装置はまた、電気化学合成ガス発生器としても機能しえる。合成ガス（Ｈ２＋ＣＯ）は、より高価な有機物の合成に用いられる貴重な生成物である。典型的にはそれは、メタンを純粋酸素によって部分酸化させることによって生成される。純粋酸素は別個のプロセスで空気から分離されなければならないので、合成ガス生成は比較的高価である。この場合、燃料電池のように、燃料電極へのフィードはメタンであり、空気が陰極に供給される。しかし装置は、Ｈ２ＯおよびＣＯ２を生成するための典型的な燃料電池動作における深い酸化とは対照的に、メタンがＨ２およびＣＯに部分的に酸化されるような電流密度において動作される。
【００４０】
もし純粋にイオン伝導性電解質が、ＬＳＭＣＦのようなイオン性および電子性混合伝導体（ＭＩＥＣ）隔膜で置換され、電極間にポテンシャルを印加する代わりに隔膜の一方の側に高圧が供給されるなら、隔膜において空気から生成される酸素イオンは、隔膜を通して移動し、隔膜の他の側において純粋な酸素を生成する。よって装置は酸素ガス分離器としても動作しえる。
【００４１】
本発明によって提供される８００℃未満の温度で固体電気化学装置を動作させる能力は、従来技術に対する重要な優位性である。このような動作温度においては、金属は、上述のように基板および電極を含む装置の要素を製造し、また重要なことに相互接続するために使用されえる。インターコネクトのためにランタンクロムのようなセラミックではなく、ここで説明されたインターコネクトを用いることができる能力は、電気化学装置の封止をより簡単にする。ここで説明されたインターコネクトは、セラミックよりも機械加工するのがより簡単であり、溶接、ロウ付けなどによるような、よい封止および電気的接点を形成するための従来の方法で加工されえる。よって平面形電気化学装置設計は、その低い内部抵抗特性を持ちつつ、経済的に実現可能かつ信頼性が高く作りえる。
【００４２】
さらに金属の材料コストは、それが置換するセラミックおよびサーメット材料に添加される希土類元素よりもずっと低い。金属はまた、セラミックまたはサーメットよりもより高い熱伝導性を持ち、より低い熱に関連したストレスにつながり、余剰ガスで冷却する必要を減らす。また金属はより高い電気伝導性を持ち、その結果、内部抵抗を減らし、よって固体電気化学装置の改善されたパフォーマンスにつながる。金属はより脆性が少なく、よってセラミックよりも致命的な故障を受けにくく、より大きいセルおよび装置の製造を可能にする。
【００４３】
ここで説明された技術、およびそれらが作りだす構造は、上述のようにさまざまな電気化学装置の製造において用いられえて、コストを下げ、パフォーマンスおよび信頼性を向上させ、効率的な装置のための動作温度を下げる。ここで説明された製造技術および構造は、平面または円筒固体電気化学装置設計において実現されえることが理解されよう。
【００４４】
結論
上の本発明は、明瞭な理解の目的のためにある程度詳細に説明されてきたが、先に説明された好ましい実施形態のさまざまな応用および改変が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく構成されえることが当業者には理解されよう。さらに、本発明の説明された処理分布および分類エンジンの特徴は、併せて、または独立に実現されえる。よって説明された実施形態は、例示的であって限定的ではないようにとられるべきで、本発明はここに与えられた詳細に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲およびその等価物の全範囲によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】固体電気化学装置の平面設計を示す図である。
【図２Ａ】固体電気化学装置の円筒設計を示す図である。
【図２Ｂ】固体電気化学装置の円筒設計を示す図である。
【図２Ｃ】固体電気化学装置の円筒設計を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【国際調査報告】
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