(57)【要約】本発明は、一般に、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料などの伝導性材料に関する。様々な材料、材料組成物、イオン伝導性と電気伝導性の有利な割合を有する材料、それらの材料を含む構造等が本発明によって提供される。一態様において、本発明は、電気化学システムのための伝導性セラミックに関し、詳細には、例えば、電気化学システムのために用いることのできるイオン伝導性と電気伝導性の混合セラミック、詳細には、例えば、ガス化炭化水素流から水素ガス発生を発生させるのに用いることのできるイオン伝導性と電気伝導性の混合セラミックに関する。本発明の一態様は、セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相を含む材料を提供する。それらの材料の例は、Ｓｃ２Ｏ３でドープしたＺｒＯ２、およびＹ２Ｏ３でドープしたＳｒＴｉＯ３を含む材料である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料を反応させて反応器の第１部分中に電気および水を生成させる工程と、
該水を反応させて該反応器の第２部分中に水素を発生させる工程と、
該反応器の第２部分中に発生させた水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する工程と、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記反応器の第２部分に発生した水素の少なくとも一部を、反応器の前記第１部分の燃料として反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水を反応させて水素を発生させる工程が、該水と、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む材料によって提供される電子とを反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記水素を含む燃料を反応させて電気と水を発生させる工程が、燃料電池中で該水素を含む燃料を反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料が炭素質燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料電池がガス化石炭を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
燃料および水を、混合したイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って反応させる工程であって、ここで該水は、イオン伝導性と電気伝導性を除いては該燃料から隔離されており、水素を発生させる工程と、
該水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程と、
を包含する、方法。
【請求項９】
燃料および水を反応させる前記工程が反応器の第１部分で行われ、前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる前記工程が反応器の第２部分で行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１部分と第２部分とが、流体連絡している物理的に分離した区画にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程が、前記水素の少なくとも一部を反応させて電気および水を生成させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する前記工程で生成された前記水の少なくとも一部を、燃料および水を、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って反応させる前記工程に用いられる該水として使用することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が、セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体において相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する工程が、該水素の少なくとも一部を反応させて燃料電池中に電気を生成することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料が炭素質燃料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料がガス化石炭を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１９】
セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相とを含む材料によって提供される電子を使用して水を反応させて、少なくとも約９０％の純度を有するＨ２を生成させる工程を含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、方法。
【請求項２０】
水を反応させて前記材料内に酸素イオンを生成させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記酸素イオンを酸化可能な化学種と反応させることをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記酸化可能な化学種がガス化石炭を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記Ｈ２を燃料電池中に導入することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
燃料電池中で前記Ｈ２を反応させて水を生成させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料電池によって生成された水を再循環してＨ２を生成させることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記材料が実質的にガス不透過性である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１相がジルコニアを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
前記ジルコニアが１種以上のドーパントを使用して立方体構造において安定化される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ジルコニアがＹを使用して安定化される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ジルコニアがＳｃを使用して安定化される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１相が酸化セリウムおよび酸化ガドリニウムの少なくとも１つを含む酸化物を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１相がＬａ−フェライト材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１相がＣｅでドープされたＧｄ２Ｏ３を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１相がドープされたＬａＦｅＯ３を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３７】
前記ドープされたＬａＦｅＯ３が、Ｓｒ、Ｃａ、Ｇａ、またはＦｅの１種以上でドープされる、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記第２相がＬＳＴ材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２相がＹＳＴ材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２相がＬＣＣ材料を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項４１】
前記材料と物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項４２】
前記多孔質基板が実質的に管状である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記多孔質基板が実質的に平面状である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記材料が実質的にガス不透過性である、請求項１９に記載の方法。
【請求項４５】
前記多孔質基板上の材料が２００マイクロメートルを超えない厚さを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
炭素質燃料を反応させて材料内に電子を生成させる工程であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、工程と、
該電子を水と反応させて、該材料内に酸素イオンを生成させる工程であって、該酸素イオンは該炭素質燃料と反応することができる、工程と、
を含む、方法。
【請求項４７】
前記酸化可能な化学種と前記水とが物理的に接触しない、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記電子を水と反応させてＨ２を生成させることを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記Ｈ２の隔離をさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させることをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させる工程が、前記電子を水と反応させてＨ２を生成する工程と同時に行われる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記炭素質燃料がガス化石炭を含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項５４】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項５５】
酸化可能な化学種を反応させて材料内に電子を生成させる工程であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、工程と、
該電子を該酸化可能な化学種と物理的に接触していない還元可能な化学種と反応させて、Ｈ２を生成する工程と、
を含む、方法。
【請求項５６】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５９】
前記酸化可能な化学種がガス化石炭を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６０】
前記還元可能な化学種が水を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６１】
前記Ｈ２を燃料電池中で反応させて水を生成させることをさらに含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
前記燃料電池によって生成された水を、前記還元可能な化学種の少なくとも一部分として再循環させることをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離させる材料であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、材料と、
該第１区画の入口に流体連絡している炭素質燃料源と、
該第２区画の入口に流体連絡している水源と、
を備える、反応器。
【請求項６４】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項６３に記載の反応器。
【請求項６５】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項６３に記載の反応器。
【請求項６６】
前記材料に流体接触している第１ガスと、該第１ガスから流体的に分離され、該材料に流体接触している第２ガスと、をさらに含む、請求項６３に記載の反応器。
【請求項６７】
前記第１ガスを収容する第１区画と、前記第２ガスを収容する第２区画とを備え、前記材料が該第２区画から該第１区画を分離する壁を規定する、請求項６６に記載の反応器。
【請求項６８】
前記第１ガスが、前記第２ガスよりも高い酸素分圧を有する、請求項６７に記載の反応器。
【請求項６９】
前記反応器が前記第２区画の出口と流体連絡している燃料電池をさらに備える、請求項６３に記載の反応器。
【請求項７０】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項６９に記載の反応器。
【請求項７１】
前記炭素質燃料源がガス化石炭を含む、請求項６３に記載の反応器。
【請求項７２】
ガス化チャンバーと、
該ガス化チャンバーに流体連絡している燃料源と、
該ガス化チャンバー内に収容され、該ガス化チャンバーから少なくとも部分的にセラミックを含む材料によって流体的に分離され、該材料がイオン伝導性である分離チャンバーと、
該第２区画に流体連絡している水源と、
を備える、システム。
【請求項７３】
前記材料が電気伝導性である、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７４】
前記材料が、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７５】
前記材料がセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は前記材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は前記材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７６】
前記材料がＹＳＺを含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７７】
前記材料がＹＳＴを含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７８】
セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む実質的に非多孔質材料であって、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、非多孔質材料と、
該材料に物理的に接触している多孔質基板と、
を含む、物品。
【請求項７９】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項７８に記載の物品。
【請求項８０】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項７８に記載の物品。
【請求項８１】
前記多孔質基板が実質的に管状である、請求項７８に記載の物品。
【請求項８２】
前記多孔質基板が実質的に平面状である、請求項７８に記載の物品。
【請求項８３】
第１の混合されたイオン伝導性多孔質材料および電気伝導性多孔質材料と、
物理的に該第１の伝導性の混合多孔質材料に接触している、混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料と、
を含む、物品。
【請求項８４】
前記第１材料に物理的に接触している、第２の混合されたイオン伝導性多孔質材料および電気伝導性多孔質材料をさらに含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８５】
前記第１材料に物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８６】
前記非多孔質材料に物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８７】
前記混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料がセラミックを含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８８】
前記混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８９】
第１の側と第２の側とを有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を提供する工程と、
酸化可能な化学種を該材料の第１の側に流す工程と、
還元可能な化学種を該酸化可能な化学種の流れに対して実質的に向流方向に該材料の第２の側に流す工程と、
を含む、方法。
【請求項９０】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記還元可能な化学種が水を含む、請求項８９に記載の方法。
【請求項９２】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項８９に記載の方法。
【請求項９３】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項８９に記載の方法。
【請求項９４】
第１の側と第２の側とを有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料と、
該材料の第１の側を横切る流れに向けられる酸化可能な化学種源と、
該酸化可能な化学種の流れに対して実質的に向流方向に該材料の第２の側を横切る流れに向けられる還元可能な化学種源と、
を備える、反応器。
【請求項９５】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項９４に記載の反応器。
【請求項９６】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が、セラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項９４に記載の反応器。
【請求項９７】
約１開放孔／ｍｍ２未満の有孔性を有し、チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を備える、反応器。
【請求項９８】
前記材料がセラミックを含む、請求項９７に記載の反応器。
【請求項９９】
前記材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項９７に記載の反応器。
【請求項１００】
前記材料が、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項９７に記載の反応器。
【請求項１０１】
前記材料がＹＳＺを含む、請求項９７に記載の反応器。
【請求項１０２】
前記材料がＹＳＴを含む、請求項９７に記載の反応器。
【請求項１０３】
前記材料が約１開放孔／ｃｍ２未満の有孔性を有する、請求項９７に記載の反応器。
【請求項１０４】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する材料を備える反応器であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該セラミック電気導体が、式、Ａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３を有するセラミックを含み、式中、ｘは約０．１〜約０．５であり、Ａは１個以上の原子を表し、各々独立にＹ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ、およびＰｒからなる群から選択される、反応器。
【請求項１０５】
ＡがＬａを含む、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１０６】
Ａが本質的にＬａからなる、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１０７】
ＡがＹを含む、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１０８】
Ａが本質的にＹからなる、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１０９】
ｘが約０．２〜約０．４である、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１１０】
前記材料の約５重量％〜約９５重量％がセラミック電気導体である、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１１１】
前記材料の約２０重量％〜約８０重量％がセラミック電気導体である、請求項１０４に記載の反応器。
【請求項１１２】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を備える反応器であって、該材料はＹＳＺを含む第１相とＹＳＴを含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、反応器。
【請求項１１３】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する材料を備える反応器であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該材料は約２００Ωｃｍ未満の抵抗を有する、反応器。
【請求項１１４】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項１１３に記載の反応器。
【請求項１１５】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項１１３に記載の反応器。
【請求項１１６】
前記抵抗が約１００Ωｃｍ未満である、請求項１１３に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、Ｒａｃｋｅｙらによる、「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ」という表題の、２００４年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６０／６１６，４７５号；およびＲａｃｋｅｙらによる、「Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」という表題の、２００５年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６０／６６２，３２１号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は全体的に電気化学システム用の伝導性セラミックに関し、詳細にはイオン伝導性と電気伝導性の混合セラミックに関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、燃料源として水素を使用することに大きな関心が寄せられている。水素は、例えば、炭素質燃料から製造することができる。炭素質燃料から水素を分離する従来の方法は、典型的に図１に示すステップが必要である。要約すれば、これらは、（１）シンガス（水（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および他の化合物の混合物）を生成するための炭素質燃料のガス化反応、（２）シンガス流から粒子が除去される清浄化ステップ、（３）水と一酸化炭素が反応して水素ガス（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）を生成する水−ガスシフト反応、（４）水素ガスの分離を含む。
【０００４】
シンガスは炭素質燃料と蒸気、空気、または純粋酸素を反応させて、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、および低級炭化水素の混合物を生成することによって得ることができる。この反応によって生成された粒子および汚染物質は後続のステップによって除去される。次いで、シンガス流はシンガス流を適切な触媒上に通過させることによる水−ガスシフト反応を経由して反応させて、水素ガスを形成する。水−ガスシフト反応は以下の通りである。
【０００５】
【数１】
2008516399.tif 000003
さらに進歩した「シフト」反応器は、全体の水−ガスシフト反応を単一反応器中で行いながら、化学平衡を低い温度で達成することを試みる。したがって、後続の分離ステップはこの反応中に生成したＣＯ２を除去する必要があり、この工程において、典型的に圧力変動吸着技術によって行われる。しかし、圧力変動吸着技術はエネルギー集約的であり、連続的に行うことができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス分離の他の例は、ガス分離を行う材料を通過するガス分子間の拡散係数の差を用いる拡散法を含む。これらの方法に用いられる材料は、典型的に大きな分子よりも小さな分子が高速で拡散する微小多孔質であるか、および／または或る原子または分子を優先的に溶解し、材料を通って輸送される能力に差を生じさせる。しかし、これらの材料の汚染、ならびにコストとエネルギー集約性は、進歩した水素ガス分離方法がなお必要とされる理由である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
一態様において、本発明は全体的に様々な用途のためにイオン伝導性と電気伝導性が様々な構成で混合された材料に関する。実施形態の一組において、本発明は電気化学システムのための伝導性セラミックに関し、詳細には、イオン伝導性と電気伝導性の混合セラミックに関する。本発明の様々な実施形態は、比較的非多孔質の、または高密度の混合伝導性材料、比較的低い抵抗の混合伝導性材料、特定の相粒子または粒子サイズまたは大きさを有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料として使用するための特定の材料、および多孔質と非多孔質を多層構造で含む混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含んでその構造のいくつかが構成中で他を支持することができる構造を含む。
【０００８】
また他の態様において、本発明は、反応器が不純物または燃料の他の成分によって障害を受けまたは汚染されることのある燃料電池または関連する電気化学的エネルギー変換装置から燃料（および存在する場合には関連の不純物）を物理的に分離する、燃料からエネルギーを発生させるシステムに関する。また、本発明は、いくつかの実施形態において、水素を反応させて電気的エネルギーと水を生成させ、水から水素を発生させ、エネルギーを発生する電気化学的反応の燃料として水素を用いることのできる電気化学的エネルギー変換システムに関する。
【０００９】
さらに他の態様において、本明細書に記述される個別の発明のいくつかを組み合わせたシステムが提供される。このシステムにおいて、水素を含む、または完全な水素系燃料は、反応器の第１部分で反応して（例えば燃料電池または他の電気化学装置）電気的エネルギーを生成する。水を含む廃棄物が反応中に生成され、これは反応器の第２部分で第２の異なる燃料の消費によって駆動される電気化学的反応中に再び水素へ変換される。第１部分および第２部分は同じチャンバーまたは容器内に収容することができ、または第１と第２部分は、例えばパイプ、配管等を使用して流体的に連絡している、異なる容器中に存在することができる。
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態において、このようにして発生した水素は第１部分で電気の発生に使用して再び水を生成し、これを循環して第２部分で再び水素に変換することができる。他の実施形態において、第１部分で生成した水から第２部分で生成した水素は、例えば、第１または第２部分を含まない電気化学的装置のための燃料としてなど、他の目的のために用いることもできる。
【００１１】
いくつかの実施形態において、第２部分は混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含み、第１部分で生成した水を、混合伝導性材料のイオン伝導性および／または電気伝導性以外、第２部分で提供される第２燃料から物理的に隔離する。このようにして、存在する場合にはあらゆる不純物を含んで、第２燃料は第１部分から物理的に隔離することができ、それらの汚染が第１部分に悪影響を与える場合には、それによって第１部分の汚染を防止する。
【００１２】
本発明の主題は、場合によって、相互関係のある生成物、特定の問題に対する代替の解決、および／または１つ以上のシステムおよび／または物品の異なる複数の用途を含む。
【００１３】
一態様において、本発明は方法である。一組の実施形態において、方法は、水素を含む燃料を反応器の第１部分で反応させて電気と水を発生させ、反応器の第２部分で水を反応させて水素を発生させ、反応器の第２部分で発生した水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程を含む。他の組の実施形態によれば、方法は、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って燃料および水を反応させる工程を含み、材料を横切るイオン伝導性と電気伝導性以外、水が燃料から隔離されて水素を発生し、少なくとも水素の一部が反応して電気を生成する。
【００１４】
一組の実施形態において、方法は、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む材料によって提供される電子を使用して水を反応させて、少なくとも約９０％の純度（存在するであろうあらゆる残渣、未反応の水を含まない）のＨ２を生成する工程を含む。他の組の実施形態において、方法は、炭素質燃料を反応させて材料内に電気を生成させ、電子を水と反応させて、材料内に炭素質燃料と反応することの可能な酸素イオンを生成させる工程を含む。さらに他の組の実施形態において、方法は、酸化可能な化学種を反応させて材料内に電子を生成させ、電子を酸化可能な化学種に物理的に接触していない還元可能な化学種と反応させてＨ２を生成させる工程を含む。これらの実施形態のいくつかにおいて、第１相は材料がイオン伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続しており、第２相は材料が電気伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続している。
【００１５】
一組の実施形態において、方法は第１側部と第２側部を有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を提供し、酸化可能な化学種を材料の第１側部に流し、材料の第２側部に、還元可能な化学種を酸化可能な化学種に対して実質的に向流方向に流す工程を含む。
【００１６】
本発明は他の態様における反応器を含む。一組の実施形態において、反応器は、チャンバーを第１区画と第２区画に分離して、第１区画の入口に流体連絡する炭素質燃料源と第２区画の入口に流体連絡する水源とを分離する材料を含む。いくつかの実施形態において、材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む。場合によって、第１相は材料がイオン伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続し、第２相は材料が電気伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続している。
【００１７】
他の組の実施形態において、反応器は第１側部と第２側部を有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含み、酸化可能な化学種源は材料の第１側部に流れるように導かれ、還元可能な化学種源は、材料の第２側部に酸化可能な化学種の流れに対して実質的に向流方向に流れるように導かれる。さらに他の組の実施形態において、反応器は、約１開放孔／ｍｍ２未満の多孔性を有してチャンバーを第１区画と第２区画に分離する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含む。
【００１８】
さらに他の組の実施形態において、反応器は、チャンバーを第１区画と第２区画に分離する材料を含み、材料は、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む。場合によって、第１相は材料がイオン伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続し、第２相は材料が電気伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続している。いくつかの実施形態において、セラミック電気導体は式Ａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３を有するセラミックを含み、式中、ｘは約０．１〜約０．５であり、Ａは１個以上の原子を表し、各々独立にＹ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群から選択される。
【００１９】
他の組の実施形態において、反応器はチャンバーを第１区画と第２区画に分離する、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含む。いくつかの実施形態において、材料はＹＳＺ（「イットリアで安定化したジルコニア」）材料を含む第１相とＹＳＴ（「イットリウムをドープしたＳｒＴｉＯ３」）材料を含む第２相を含む。場合によって、第１相は材料がイオン伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続し、第２相は材料が電気伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続している。さらに他の組の実施形態において、反応器は、チャンバーを第１区画と第２区画に分離する材料を含み、材料は、約１０００オームｃｍ未満の抵抗を有する。いくつかの実施形態において、材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む。さらに他の組の実施形態において、反応器はチャンバーを第１区画と第２区画に分離する材料を含む。
【００２０】
本発明の他の態様はシステムに関する。一組の実施形態において、システムは、ガス化チャンバーと、ガス化チャンバーに流体接続している燃料源と、イオン伝導性のあるセラミックを含む材料によってガス化チャンバーから少なくとも部分的に流体的に分離された、ガス化チャンバー内に収容された分離チャンバーと、第２区画に流体連絡している水源とを含む。
【００２１】
本発明のさらに他の態様は物品に関する。一組の実施形態において、物品は、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む実質的に非多孔質材料と、物理的に材料に接触している多孔質基板とを含む。場合によって、第１相は材料がイオン伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続し、第２相は材料が電気伝導性であるように材料全体に実質的に相互接続している。他の組の実施形態において、物品は、第１の混合されたイオン伝導性多孔質材料および電気伝導性多孔質材料と、第１の混合伝導性多孔質材料に物理的に接触している、第２の混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料とを含む。
【００２２】
他の態様において、本発明は本明細書に記述される１つ以上の実施形態、例えば、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む材料を製造する方法に関する。さらに他の態様において、本発明は本明細書に記述される１つ以上の実施形態、例えば、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む材料を使用する方法に関する。
【００２３】
尺度で描画されない概要の添付図面を参照して、本発明の非制限的な実施形態を実施例として説明する。図面において、各々同一またはほぼ同一の図示された成分は典型的に１つの数字で表される。簡明さのために、各成分の符号は図面ごとに付けられず、また、当業者に本発明を理解させるために図示を必要としない本発明の各実施形態の各成分は図示されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（詳細な説明）
本発明は、いくつかの態様において、全体的に混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料などの伝導性材料に関する。様々な材料、材料組成物、イオン伝導性と電気伝導性成分の有利な割合を有する材料、それらの材料を含む構造等が本発明によって提供される。
【００２５】
一組の実施形態において、本発明は、全体的に電気化学システムのための伝導性セラミックに関し、詳細には、例えば、ガス化された炭化水素流から水素ガスを発生させるのに用いることのできる、イオン伝導性と電気伝導性の混合セラミックに関する。混合されたセラミック導体は当技術分野に既知であるが、様々な実施形態において、本発明は、有利な伝導特性を達成するために、場合によって多層構成等に支持された薄い伝導性材料を特定の方法で組み合わせた選択材料の多重相システムを提供する。
【００２６】
本発明の一態様は、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相を含む材料を提供する。それらの材料の実施例は、Ｓｃ２Ｏ３をドープしたＺｒＯ２およびイットリウムをドープしたＳｒＴｉＯ３を含む材料である。本発明の他の態様は、例えば、反応器の膜内に存在するものなどの上述の材料を使用して、炭素質燃料などの燃料から水素ガスを発生させるシステムと方法を提供する。いくつかの実施形態において、実質的に純粋な水素流を電気分解によってインシトゥーに発生させることができる。場合によって、上述のものなどの材料を使用して、炭素質燃料などの燃料を含む第１反応と水−水素変換反応（すなわち、水が還元されて水素ガスを生成する）を含む第２反応の間のイオンおよび／または電子交換を促進することができる。他の態様において、本発明は炭素質燃料源などの燃料源からエネルギーを生成するシステムおよび方法を提供する。
【００２７】
本発明の様々な実施形態は、水素の生成など様々な化学反応の消費および／または駆動のために炭素質燃料などの燃料を用いる。炭素質燃料の例は、伝導性炭素、グラファイト、擬似グラファイト、石炭、コークス、木炭、フラーレン、バックミンスターフラーレン、カーボンブラック、活性炭、脱色炭素、炭化水素燃料、酸素含有炭化水素、一酸化炭素、脂肪、油、木材製品、バイオマスおよびその組み合わせを含むが制限されない。炭化水素燃料は式ＣｘＨｙを使用して任意に表すことができるが、実際には炭化水素燃料は炭素と水素以外に追加の不純物、例えば、硫黄（Ｓ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）等を含むこともできる。したがって、本明細書に用いられる「炭化水素燃料」または「ＣｘＨｙ」の参照は、純粋な炭化水素以外に硫黄、酸素、窒素などを含むことができることを理解すべきである。したがって、炭化水素燃料の非制限的な例は、飽和および不飽和炭化水素、脂肪族、脂環式化合物、芳香族、およびその混合物を含む。炭化水素燃料の他の非制限的な例は、ガソリン、ジーゼル、ケロセン、メタン、プロパン、ブタン、天然ガス、およびその混合物を含む。酸素含有炭化水素燃料の例はアルコールを含み、さらにＣ１〜Ｃ２０アルコールおよびその組み合わせを含む。特定の例はメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、およびその混合物を含む。
【００２８】
本発明の一実施形態は燃料として瀝青炭などの石炭を用いる。天然石炭はかなりの量の結合水素および水を含有する。例えば、瀝青ケンタッキー炭中には、原子組成が概略ＣＨ０．８１Ｏ０．０８、であり、これはガス化すると８００℃で酸素分圧約１０−２０気圧のガス混合物を生成する。適切な燃料の追加の例は、ガス化石炭、ガス化石油コークス、ガス化油、ガス化ワックス、ガス化プラスチックス、ガス化廃棄流、木材、農業廃棄物、下水汚泥などのガス化生物誘導燃料、またはごみ埋め立てガス、下水処理場消化ガス、天然ガス、メタン、プロパン、ブタン、ジーゼル、ガソリン、原油、バンカー（石油化学工業からの副生成物）等を含むが制限されない。
【００２９】
上述のように、本発明の一態様はイオンと電子の両方を伝導することのできる材料に関し、すなわち、材料はイオン的および電気的の両方で伝導性であるので、材料は「混合伝導性」を示す。この材料は、本明細書において「混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料」、「混合伝導性材料」、または「ＭＩＥＣ」材料と称することができる。例えば、材料はイオン伝導性および電気伝導性である単一材料を含むことができ、または材料は２つ以上の個別の相（すなわち、実質的に同じ組成物を有する材料内の個別の領域）を含むことができる。例えば、図２Ａに示したように、本発明の材料１０は、低い酸素分圧環境１４から高い酸素分圧環境１２を分離する反応器中に使用することができる。この例において、材料１０は酸素イオンを伝導することの可能なイオン伝導相１１と、電子を輸送することの可能な電気伝導相１３を含む。適切な反応物を用いるそれらの反応器において、最終的な結果は、高い酸素分圧を有する領域１２から低い酸素分圧を有する領域１４へ材料を横断で酸素を輸送することができる。例えば、区画１２において、還元工程を行うことができる（例えば、水素ガスへの水の変換）が、区画１４において、酸化工程を行うことができる（例えば、酸化された燃料、例えば、水、二酸化炭素、ＳＯ２等への燃料の変換であり、部分的または完全な酸化とすることができる。）。いくつかの実施形態において、酸素のイオン化によって、材料に電場を生成することもでき、これはセラミックを横切って輸送する駆動力の少なくとも一部を形成することができる。この例で酸素が用いられるが、他の実施形態において、材料１０を横切って輸送されたイオン同様、酸素の替わりに、または追加で、他の化学種、例えば水素を材料１０を横切って輸送することもできることに留意すべきである。
【００３０】
混合伝導性材料中の異なる相は、例えば、イオン伝導性または電気伝導性部分を規定する個々の材料部分の識別によって識別することができる。例えば、混合伝導性材料がセラミックである場合、以下にさらに詳細に述べるように、異なる相は材料内の個々のセラミック粒子の識別によって識別することができ、材料の各相は一般に異なる化学組成物および／または格子構造を有する粒子を含む。材料内の個別の相は、当業者であれば、例えば、電子顕微鏡等を使用して容易に識別することができる。
【００３１】
場合によって、本発明の材料、または材料の少なくとも一部（例えば、材料の１つ以上の個別の相）はセラミックを含む。例えば、いくつかの実施形態において、イオン導体を含む第１相と、電気導体を含む第２相を含んで、材料は少なくとも２つの相を含み、第１および／または第２相はセラミックである。それらの材料の非制限的な例は、以下に詳細を述べるように、ＹＳＴ−ＹＳＺ化合物、ＹＳＴ−ＳｃＳＺ化合物、ＹＳＴ−ＣＧＯ化合物等を含む。
【００３２】
いくつかの実施形態において、２つ以上の相が存在する場合、それらは、第１相は材料がイオン伝導性であるように実質的に材料塊全体に相互接続され、および／または第２相は材料が電気伝導性であるように実質的に材料塊全体に相互接続されるように、互いに配置される。本明細書に用いられる「実質的に相互接続される」は、材料の第１表面から第２表面へ展延する通路を指し、材料の１つの相内にのみ存在する。したがって、例えば、イオン的伝導路は、酸素などのイオンを材料の１つの相内に留まりながら材料の第１相から材料の第２相へ輸送することを可能にし、電気伝導路は、材料の１つの相内で電子を材料の第１相から材料の第２相へ輸送することを可能にするであろう。いくつかの実施形態において、材料の第１表面から第２表面へ、以下に述べる伝導特性および／または抵抗特性を達成するのに十分な複数のイオン伝導路と複数の電気伝導路があるように、複数の相互接続された通路が材料中に存在することが好ましい。当業者であれば、本明細書の開示を用いた材料を容易に処方して、これらの結果を達成することができる。例として、材料は、第１イオン的な伝導相と、第１相と絡み合った（例えば、３次元的に）第２の電気伝導相を含むことができ、あるいは、材料は、そこを通って第１のイオン伝導相と第２電気伝導相が通過する第３の相を含むことができる。
【００３３】
２つの相が材料中に存在する場合、相は任意の割合で存在することができ、例えば、イオン伝導相は材料中に約５重量％〜９８重量％、約１０重量％〜９５重量％、約３０重量％〜９２重量％、約４０重量％〜９０重量％等のパーセントで存在し、残りは電気伝導相とすることができる。いくつかの実施形態において、例えば、イオン伝導性および電気伝導性セラミック材料の場合、１つの相（例えば、大部分のセラミック材料の場合、イオン伝導相）は電気伝導相よりもはるかに抵抗が大きい。本発明はこの特性を認識し、したがって、２つの材料の互いの割合（ならびに密度などの他の特性）を調整して、材料全体の各相に良好な伝導性を維持しながら、釣り合いの取れた伝導性を付与する可能性を提供する。すなわち、その状況において、材料全体に電気伝導性の相互接続通路を十分提供して十分な電気伝導性を提供するための電気伝導性材料の量が十分存在しないように、電気伝導性材料よりも多くのイオン伝導性材料を提供して、電気伝導性材料に対するイオン伝導性材料の割合を大きく変更することなく、増加したイオン伝導相の抵抗を相殺することができる。例えば、イオン伝導相は上述のパーセント存在することができ、あるいは、約５０重量％〜約９０重量％、約６０重量％〜約８８重量％存在することができ、残りは電気伝導相である。他の実施形態において、これらの割合は互いにイオン伝導相と電気伝導相の間に存在するが、材料中には、電気伝導性およびイオン伝導性材料両方の総量をその互いのパーセント存在量以下に減少させる他の成分も存在することができる。
【００３４】
本明細書に用いられる「イオン伝導性材料」は、１種以上のイオン、例えば、酸素イオンまたは水素イオンを輸送することのできる材料である。一組の実施形態において、イオン導体は、セラミックイオン導体であり、またはそれを含む。場合によって、セラミックイオン導体は、１つ以上のＬａ−フェライト材料、セリア、およびジルコニアを含むことができ、その各々は以下に詳細に述べるように、ドープすることができ、またはドープしないでもよい。セラミックイオン導体の非制限的な例は、Ｌａ−フェライト材料、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｒ、Ｆｅ、およびＯを含む材料（例えば、Ｌａ０．２Ｓｒ０．８Ｃｒ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３などの「ＬＳＣｒＦ」材料）である。
【００３５】
場合によって、セラミックイオン導体はペロブスカイト構造または立方体構造を有する。セラミックイオン導体は、比較的低い酸素分圧（例えば、約１０−１５気圧以下のｐＯ２で）、約８００℃〜約１０００℃の温度で、約０．２Ｓ／ｃｍ〜約０．８Ｓ／ｃｍのイオン伝導度を有することができる。他の場合、イオン伝導度は、それらの温度で、少なくとも約０．２Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．３Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．４Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．５Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．６Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．７Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．８Ｓ／ｃｍ、少なくとも約０．９Ｓ／ｃｍ、または少なくとも約１．０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。
【００３６】
一実施形態において、イオン導体はセリウム酸化物（すなわち酸化セリウム）例えば、セリアまたはＣｅＯ２を含む。セリア含有材料の例は、Ｃｅ０．９Ｇｄ０．１Ｏ２、またはＣｅ１−ｘＧｄｘＯ２（ｘは約０．５を超えない）などのＣｅ−Ｏ２系ペロブスカイト、または（ＣｅＯ）１−ｎ（ＬａＯ５）ｎ（ｎは約０．０１〜約０．２である）などのランタンをドープしたセリアを含むが制限されない。場合よって、セリアはガドリニウムでドープすることができる。例えば、製造中に、酸化ガドリニウムおよび酸化セリウムを互いに混合して、「ＣＧＯ」（ガドリニウムをドープした酸化セリウム）を製造することができる。ＣＧＯ材料はペロブスカイト構造を有することができる。ＣＧＯ材料は約１０％〜約２０％のガドリニウム、または約１２％〜約１８％のガドリニウムを含むことができる。場合によって、ＣＧＯ材料は約７００℃〜約９００℃の温度で、比較的低い酸素分圧（例えば約１０−１５以下）および／または酸化雰囲気で、約０．０６Ｓ／ｃｍ〜約０．２４Ｓ／ｃｍの伝導度を有することができる。ＣＧＯ材料は、約１０−１５以下の分圧でより高いイオン伝導性を示すことができる。例えば、約１０−１８の分圧、および９００℃の温度で、ＣＧＯ材料は約０．４Ｓ／ｃｍを超えるイオン伝導度および約１．６Ｓ／ｃｍの電気伝導度を有することができる。また、ＣＧＯは還元触媒として働く追加の利点も有する。それらの還元は材料の界面面積を効率的に増加させることができる。
【００３７】
さらに他の実施形態において、イオン導体はジルコニア（すなわち、酸化ジルコニウム材料）を含む。ジルコニア材料の例は、（ＺｒＯ２）（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８、（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８、（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０５、（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＴｉＯ２）０．１０、（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）０．０２（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ａｌ２Ｏ３）０．１０、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（Ｆｅ２Ｏ３）０．０５、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｏＯ）０．０５、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＺｎＯ）０．０５、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＮｉＯ）０．０５、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＣｕＯ）０．０５、（ＺｒＯ２）（Ｙ２Ｏ３）０．０８（ＭｎＯ）０．０５、およびＺｒＯ２ＣａＯを含むが制限されない。いくつかの実施形態において、ジルコニアは、１種以上のドーパント、例えば、ニッケルなどの金属、またはＹもしくはＳｃなどの遷移金属を使用して、立方体構造によって安定化することができ、これらは、ドープされるジルコニアに立方体構造を与えるのに十分な量加えることができる。例えば、ジルコニアの製造中に、ドーパント材料としてイットリア（Ｙ２Ｏ３）および／またはスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）を加えて、イットリア安定化ジルコニア材料（「ＹＳＺ」）、スカンジア安定化ジルコニア材料（「ＳｃＳＺ」）、またはイットリアとスカンジアの両方で安定化されたジルコニアを製造することができる。本明細書に用いられるジルコニアを「安定化する」材料は、ジルコニアに立方体構造を形成させるために十分な量ジルコニアに加えられた（ドープした）材料である。イットリアおよび／またはスカンジアは任意の濃度、例えば、モル比で、約２モル％、約４モル％、約６モル％、約８モル％、約１０モル％等で加えることができる。非制限的な例として、「８ＹＳＺ」材料（すなわち、８モル％のイットリアでドープされたＹＳＺ材料）を調製することができ、これは約８００℃〜約１０００℃の温度で約０．０２Ｓ／ｃｍ〜約０．１Ｓ／ｃｍのイオン伝導度を有し、または「１０ＳｃＳＺ」材料（すなわち、１０モル％のスカンジアでドープされたＳｃＳｚ）を調製することができ、これは約８００℃〜約１０００℃の温度で約０．１Ｓ／ｃｍ〜約０．３Ｓ／ｃｍのイオン伝導度を有することができる。また、イオン伝導性材料で混合されないＹＳＺもいくつかの実施形態において有用である。
【００３８】
さらに他の実施形態において、イオン導体は、式（ＺｒＯ２）（ＨｆＯ２）ａ（ＴｉＯ２）ｂ（Ａｌ２Ｏ３）ｃ（Ｙ２Ｏ３）ｄ（ＭｘＯｙ）ｅを有する材料を含むことができ、式中、ａは０〜約０．２であり、ｂは０〜約０．５であり、ｃは０〜約０．５であり、ｄは０〜約０．５であり、ｘは０より大きく２以下であり、ｙは０より大きく３以下であり、ｅは０〜約０．５であり、Ｍはカルシウム、マグネシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛からなる群から選択される。非制限的な例はＬａ１−ｘＡｘＧａ１−ｙＢｙＯ３（式中、ＡはＳｒまたはＣａとすることができ、ＢはＭｇ、Ｆｅ、Ｃｏとすることができ、ｘは約０．１〜約０．５であり、ｙは約０．１〜約０．５である）などのＬａＧａＯ３系酸化ペロブスカイト（例えば、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３）、Ｐｒ０．９３Ｓｒ０．０７Ｇａ０．８５Ｍｇ０．１５Ｏ３またはＰｒ０．９３Ｃａ０．０７Ｇａ０．８５Ｍｇ０．１５Ｏ３などのＰｒＧａＯ３系酸化ペロブスカイト電解質、Ｂａ２（Ｉｎ１−ｘＧａｘ）２Ｏ５または（Ｂａ１−ｘＬａｘ）Ｉｎ２Ｏ５（式中、ｘは約０．２〜約０．５である）などのＢａ２Ｉｎ２Ｏ５系酸化ペロブスカイト電解質を含む。
【００３９】
本明細書に用いられる「電気伝導性材料」は、それを通して電子を容易に輸送することのできる材料である。電気導体は、例えば、伝導性材料または半伝導性材料とすることができる。一組の実施形態において、電気導体はセラミック電気導体とすることができ、またはそれを含むことができる。例えば、セラミック電気導体は、ＬＳＴ材料、ＹＳＴ材料、ＹＬＳＴ材料、およびＬＣＣ材料を１種以上含むことができる。本明細書に用いられる「ＬＣＣ」は、任意のランタン−カルシウム−クロム酸化物を指し、すなわち、ＬＣＣ材料はＬａ、Ｃａ、Ｃｒ、およびＯを含み、例えば、Ｌａ０．８Ｃａ０．２ＣｒＯ３である。いくつかの実施形態において、Ｌａ０．８Ｃａ０．２ＣｒＯ３は約４０Ｓ／ｃｍ（例えば還元雰囲気中で）〜約８０Ｓ／ｃｍ（例えば酸化雰囲気中で）の範囲の電気伝導度を有することができる。場合によって、ＬＣＣの完全密度まで１４００℃の無圧力焼結を用いることができる。
【００４０】
一実施形態において、セラミック電気導体はＹＳＴ（Ｙ−Ｓｒ−Ｔｉ）材料、すなわち、Ｙ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｏを含むセラミック材料、例えば、Ｓｒ０．８８Ｙ０．０８ＴｉＯ３を含む。場合によって、ＹＳＴ材料は式Ｙ１−ｘＬａｘＴｉＯ３を有することができ、式中、ｘは約０．１〜約０．５、または場合によって約０．２〜約０．４である。また、ＹＳＴ材料は、場合によって低い電極分極を有することができる。いくつかの実施形態において、ＹＳＴ材料はＳｒＴｉＯ３をイットリウムでドープすることによって調製することができる。それらのＹＳＴ材料は高い温度で比較的高い電気伝導度を有することができ、例えば、８００℃の温度、約１０−１４〜約１０−１９気圧の酸素分圧で約５０Ｓ／ｃｍ〜約８０Ｓ／ｃｍの電気伝導度を有することができる。特定の非制限的な例として、ＹＳＴ材料は１４０℃で調製され焼結された。この材料のＸ線回折（「ＸＲＤ」）分析は、反応の証拠を示さず（図３）、ＳＥＭによる分析は優れた高密度化を示した。図３において、上部のグラフは、１４００℃で５時間焼結された５０／５０重量％ＹＳＴ−８ＹＳＺ材料のＸＲＤパターンを示す。２つの小さなグラフ（下部）は、隔離されたＹＳＴと隔離されたＹＳＺの既知の標準に基づく２つの個別成分のＸＲＤパターンを示す。上部のグラフの各線は２つの小さなグラフのいずれかに見出され、したがって、この例にＸＲＤを使用して検出できる新たに形成された化合物はないことが結論付けられる。
【００４１】
他の実施形態において、セラミック電気導体はＬＳＴ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｔｉ）材料を含む材料、すなわち、Ｌａ、Ｓｒ、Ｔｉ、およびＯを含むセラミック材料を含むことができる。それらの材料は、例えば、ＳｒＴｉＯ３を酸化ランタンでドープすることによって製造することができる。いくつかの実施形態において、ＬＳＴ材料は式Ｓｒ１−ｘＬａｘＴｉＯ３を有することができ、式中、ｘは約０．１〜約０．５、または場合によって約０．２〜約０．４とすることができる。例えば、酸化ランタンは約２０モル％〜約４０モル％の濃度でドーパントとして加えることができる。
【００４２】
さらに他の実施形態において、セラミック電気導体はＬＳＴおよびＹＳＴ材料の両方（「ＹＬＳＴ」材料）とすることができ、すなわち、セラミック材料はＹ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｔｉ、およびＯを含む。ＹＬＳＴ材料は式（ＹｚＳｒ１−ｚ）１−ｘＬａｘＴｉＯ３を有することができ、式中、ｘは約０．１〜約０．５、または場合によって約０．２〜約０．４とすることができ、ｚは０〜１の間の任意の数、例えば、０．２５、０．５、０．７５等とすることができる。さらに他の実施形態において、材料はＹ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒの１種以上でドープされたチタン酸ストロンチウムを含むことができる。例えば、一実施形態において、材料は式Ａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３を有し、式中、ＡはＹ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ、またはＰｒからなる群から独立に選択される１種以上の原子を表し、ｘは約０．１〜約０．５、または場合によって約０．２〜約０．４とすることができる。例えば、この構造中のＡ１−ｘはＡ１ａ１（すなわち、Ａ１１−ｘＬａｘＴｉＯ３）、Ａ１ａ１Ａ２ａ２（すなわち、Ａ１ａ１Ａ２ａ２ＬａｘＴｉＯ３）、Ａ１ａ１Ａ２ａ２Ａ３ａ３（すなわち、Ａ１ａ１Ａ２ａ２Ａ３ａ３ＬａｘＴｉＯ３）・・・等を表すことができ、式中、Ａ１、Ａ２、Ａ３・・・等の各々は、Ｙ、Ｌａ、Ｎｂ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群から独立に選択され、ａ１、ａ２、ａ３・・・等の各々の和は１−ｘになる。
【００４３】
上述のように、本発明は、電気伝導相およびイオン伝導相の両方が良好に機能する材料を提供し、これは一般に良好に相互接続されたネットワーク、それぞれ材料全体に連続的なイオン伝導性および電気伝導性通路の提供を意味する。これに関する互いの相の割合（２つの相材料が提供される場合）は上で述べている。当業者であれば本開示に基づいて良好な伝導度を達成するために調節することのできる他の要因は、材料の密度および／または多孔質である。一般に、より高い密度の材料は、個々の材料相の部分（例えば、セラミック粒子）間により多くの接触を含み、各々の連続的な伝導路の存在を最大にする。例えば、場合によって、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料は少なくとも８０％の密度を有することができる。例えば、材料の密度は容量基準で測定して少なくとも約８５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％とすることができる。当業者であれば、容量に基づく材料の相対密度の適切な測定技術は既知であろう。
【００４４】
いくつかの実施形態において、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料は実質的に非多孔質であり、すなわち、材料の有孔性は約１開放孔／ｍｍ２未満であり、これはイオンおよび／または電気伝導度を向上させることができる。例えば、材料は約１開放孔／ｍｍ２未満、１開放孔／ｃｍ２未満等の有孔性を有することができる。「開放孔」は、材料の一方の側から他の側へ少なくとも５ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）の圧力差を作り、低圧側の表面にアルコールなどの液体の薄いフィルムをコーティングし、圧力差によって生成される気泡の数を求めることによって材料中で測定することができ、気泡の流れの存在は開放孔の存在を示す。有孔性を求める他の例示的方法はヘリウム漏洩試験であり、セル面積ｃｍ２あたりおよび圧力ｐｓｉあたり最大０．０１ｃｍ３／分のヘリウムの漏洩速度程度が必要であろう（１ｐｓｉは約６．９キロパスカル（ｋＰａ）である）。
【００４５】
この開示に基づいて、密度、非多孔質性、イオン伝導相と電気伝導相の比の組み合わせ、および／または他の調節を行い、材料の組み合わされた伝導度、すなわち、組み合わされた（イオン的および電気的）抵抗を微調整することができる。例えば、材料は約１０００オームｃｍ（Ωｃｍ）未満、約７５０オームｃｍ未満、約５００オームｃｍ未満、約２５０オームｃｍ未満、約２００オームｃｍ未満、約１５０オームｃｍ未満、約１００オームｃｍ未満等の抵抗を有することができる。
【００４６】
また、場合によって、材料は実質的にはガス不透過性とすることができ、すなわち、材料は材料の一方の側で第１区画中の第１ガスと材料の他の側で第２区画中の第２ガスの分離を維持するのに用いることができ（例えば、図２Ａに図示したように、区画は材料の両側にある）、両方のガスは環境圧力（約１気圧）である。例えば、イオン伝導および電気伝導材料は十分ガス不透過性とすることができ、二つのガスは、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料のいずれかの側に配置される場合、ガスの約５％未満、約３％未満、約１％未満が少なくとも１日の期間の後に混じり合うことができる。場合によって、１日後にガスの混合を検出することができない。
【００４７】
しかし、他の実施形態において、材料は多孔質性であり、そこを通って少なくともいくらかのガスを輸送することが可能である。場合によって、材料は選択的に透過性とすることができ、すなわち、いくつかのガスを透過し他は透過しない。例えば、材料は水素ガスに透過性であるが、他のガスには不透過性とすることができる。一実施形態において、材料は十分多孔質性であり、材料の第１側と第２側の間の圧力差を使用して、例えば、高圧から低圧へ材料を横切ってガスの輸送を導くことができる。他の実施形態において、材料は環境圧力でガス不透過性であるが、高い圧力で、材料はガスに対して透過性または選択的に透過性とすることができる。
【００４８】
一組の実施形態において、本発明は混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を用いる構造を提供する。例えば、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料は多孔質基板などの基板に接触させて配置することができる。多孔質基板は、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が薄い層、例えば、厚さ約５０マイクロメートル未満、例えば約１０〜２０マイクロメートル、または約１０〜約４０マイクロメートルの層として存在する場合、例えば、材料の少なくともある程度の機械的安定性を提供しながら、少なくとも酸素、水素、および／または水蒸気などのガスが材料に接近することを可能にするための十分な有孔性を有することができる。また、これらの厚さまたは他の厚さで、材料は特に高い全体的なアスペクト比を有することができ、すなわち、その厚さは厚さに垂直の他の寸法、または各々厚さに垂直な２つの他の寸法に対して非常に薄くすることができる。アスペクト比が厚さに垂直な少なくとも１つの寸法の厚さ自体に対する比として定義される場合、少なくとも５：１、１０：１、２０：１、５０：１、１００：１のアスペクト比を有する本発明の材料の混合伝導性材料には、場合によって多孔質とすることのできる隣接の支持基板を（例えば、層構成で）設けることができる。基板は任意の形状を有することができる。例えば、一実施形態において、材料は多孔質管の基板の外側に堆積される。他の実施形態において、材料は平面状多孔質基板の表面上に堆積される。多孔質基板は任意の適切な多孔質材料、例えば、セラミック、ポリマー、または金属とすることができる。
【００４９】
したがって、一組の実施形態において、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料は、セラミックとすることができ、第１の側と第２の対向側を有し、多孔質支持層によってアドレスされた１方または両方の側を有して提供される。１層以上の多孔質支持層は、それ自体、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料とすることができ、または単純にイオン伝導性または電気伝導性とすることができ、場合によって、各々、付属の多孔質内部層によって支持することができる。それらの構成の１つにおいて、第１の多孔質層と第２の高密度のセラミック混合伝導性材料を含む多層構造が存在する。他の構成において、多層構造は第１の多孔質層、第２の高密度のセラミック混合伝導性材料、第３の多孔質層を含む。さらに他の構成において、多層構造は、第１の多孔質層、第２の混合伝導性多孔質材料、第３の高密度のセラミック混合伝導性材料、第４の混合多孔質材料を含む。他の構成において、多層構造は、第１の多孔質層、第２の混合伝導性多孔質材料、第３の高密度のセラミック混合伝導性材料、第４の混合伝導性多孔質材料、第５の多孔質層を含んで存在する。
【００５０】
場合によって、例えば、堆積された材料の表面があまりにも「滑らか」である場合、多孔質基板上に堆積された混合伝導性材料の表面に、追加の粉体層を加えることができる。例えば、粉体は混合伝導性材料の粉体とすることができ、これは混合伝導性材料、または他の種類の粉体の表面に堆積することができる。一実施形態において、追加の粉体層は真空含浸を使用して堆積され、場合によって粉体の分極の低減を助けることができる。
【００５１】
本発明の他の態様において、例えば、本明細書に述べるような混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を含む反応器を使用して、実質的に純粋な水素ガスが生成される。例えば、図２Ｂを参照すれば、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料１０を使用して第１区画２１と第２区画２２を分離することができる。区画２１において、例えば、燃料は、部分的または完全な酸化とすることのできる酸化によって、酸化された燃料、例えば、水、二酸化炭素、ＳＯ２等を生成し、区画２２において、還元反応が起こり、例えば、水が還元されて、すなわちインシトゥーの電気分解で、水素ガスを生成する。
【００５２】
水素ガスへの水の還元（または他の還元反応）から生成される酸素は、区画２２から区画２１へ材料１０を横切って輸送され、そこで燃料と反応することができ、燃料の酸化から発生する電子は材料１０を横切って戻り、水素ガスへの水の還元に関与する。この反応中に生成される水素ガスは分離および隔離され、および／または水素を消費することのできる装置、例えば、以下で詳細に論じる燃料電池へ循環される。したがって、いくつかの実施形態において、本発明の反応器は燃料を酸化し同時に同じ反応器内に水素ガスを生成することができる。
【００５３】
いくつかの実施形態において、燃料の酸化に用いられる酸素は定常的に混合伝導性材料からのみ由来するが、開始時に必要な熱平衡のために追加の酸素を加えることができる。しかし、他の実施形態において、追加の酸素は、例えば、燃料のより完全な酸化が望ましい場合、より高い反応温度が必要であるなどの場合、定常状態中にも供給することができる。
【００５４】
反応器によって生成された水素ガスは反応器を第１流中で流出することができ、燃料の酸化から生成される廃棄ガスは反応器を第２流中で流出することができ、および／または反応器内の他の作業に用いることができる。水素ガスは燃料が酸化された区画ではなく、物理的に分離された区画中で生成されるので、したがって、反応器によって生成される水素ガスは、実質的に純粋であり不純物（例えば、燃料中に存在することのできるガス状、粒子状など）を含まない。それらの物理的に分離された構成は、例えば、燃料の不純物または他の成分が水素ガスへの水の還元に有害でありまたは汚染する実施形態において有利である。したがって、いくつかの実施形態において、実質的に純粋な水素流を生成することができる。例えば、実質的に純粋な水素流は、容量基準で、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％の純粋さとすることができる。しかし、他の実施形態において、反応器を流出する水素流内にいくらかの水が存在する（すなわち、「湿った水素」流）ことができる。無論、その場合、それらの湿った水素流は、続いて、例えば凝縮作業を使用して、反応器を流出する前および／または後に、任意選択的に水と水素ガスに分離することができる。
【００５５】
場合によって、廃棄ガスは、例えば、燃料、例えば、石炭などの炭素質燃料のガス化を促進するために反応器内を再循環させることができる。再循環工程の例は図４および５に図示されている。一実施形態において、反応器を流出する部分的に酸化された燃料を再循環してさらに酸化することができる。他の実施形態において、水および二酸化炭素などの廃棄ガスは、以下の吸熱反応に従う石炭のガス化の反応物として用いられる。
【００５６】
【数２】
2008516399.tif 000004
本発明のいくつかの実施形態において、混合伝導性材料の両側に同じ圧力が用いられる。しかし、本発明の他の実施形態において、材料上の圧力は必ずしも同じである必要はない。例えば、場合によって、水−水素反応区画内の圧力はより大きく、他の実施形態において、この区画中の反応は燃料酸化区画の圧力よりも小さくすることができる。場合によって、材料上の１つまたは両方の圧力は環境圧力とすることができる。材料が多孔質および／または少なくとも部分的に選択的に透過性である場合でさえ、例えば、燃料酸化区画からのガスが圧力差のため材料を横断できないほど水−水素反応区画中の圧力が燃料酸化区画の圧力よりも大きい場合でさえ、やはり実質的に純粋な水素ガスを生成することができる。
【００５７】
上述のように、反応器はシンガスから直接水素ガスを生成する水−ガスシフト反応を必ずしも必要とせず、したがって、燃料またはシンガス流が、従来技術のシステムにおいて触媒毒となり得るＨ２Ｓなどの汚染物質がないように追加で処理する必要のある従来技術のシステムとは対照的に、原料ガス化炭素質燃料流を酸化して水素ガスを生成することができる。いくつかの実施形態において、例えば、図５に示した例で図示し、以下に詳細を論じるように、反応器はガス化区画自体内（すなわち、炭素質燃料が反応してシンガスなどのガス化された炭化水素を生成する区画）に配置することができる。
【００５８】
上述のシステムは例示するためであって制限するものではなく、他の反応も本発明の範囲内であると考えられることに留意すべきである。例えば、還元区画内で、水素ガスへの水の還元以外にも、混合伝導性材料を横切って輸送することのできるイオンを生成することができる任意の還元反応、例えば、酸素イオン、水素イオン等を生成する還元反応を用いることができる。同様に、酸化チャンバー内で炭素質燃料以外に他の燃料を用いることもでき、その燃料は、酸化されると（部分的または完全に）混合伝導性材料を横切って輸送することのできる電子を生成することができる。
【００５９】
当業者であれば、上述のシステムが、本明細書に開示される混合伝導性材料の一方の側に酸化可能な化学種があり、他の側に還元可能な化学種がある任意の工程で機能することを理解するであろう。したがって、他の例として、混合伝導性材料の一方の側でＣＯ２をＣＯに還元することができ、メタン（例えば、天然ガスからの）を混合伝導性材料の他の側で、例えば、以下のように酸化することができる。
【００６０】
４ＣＯ２＋８ｅ−→４ＣＯ＋４Ｏ２−        カソード
ＣＨ４＋４Ｏ２−→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋８ｅ−  アノード
一組の実施形態において、酸化可能な化学種（例えば、燃料）の反応器内の流れと還元可能な化学種（例えば、水）の流れは、例えば、混合伝導性材料を横切る両方の化学種の流れが実質的に同じ方向に起きる共流とすることができる。しかし、他の実施形態において、流れは向流（例えば、両方の化学種の流れが実質的に反対方向である）または交差流（たとえば、両方の化学主の流れが共流でも向流でもない）とすることができる。向流の流れはいくつかの利点、例えば、共流または交差流よりも高い効率、または反応後に得られるより純度の高い流れを与える。例えば、向流の流れにおいて、反応器に入る酸化可能な化学種は、反応器を流出する際に（例えば、酸化可能な化学種用の出口近傍で、実質的に未還元の還元可能な化学種と電気的／イオン的に連絡することによって）実質的に酸化することができ、反応器に入る還元可能な化学種は、反応器を流出する際に（例えば、還元可能な化学種用の出口近傍で、実質的に未酸化の酸化可能な化学種と電気的／イオン的に連絡することによって）実質的に還元することができる。
【００６１】
それらの反応器の比制限的な一例は図４に示され、反応器５０はいくつかの異なるユニットまたは容器をその中に含む。この図に概要を示した構成において、水および石炭などの燃料源は反応器５０に供給され、反応して水素ガスとＣＯ２などの廃棄ガスを生成する。石炭は石炭供給５２からガス化装置５３へ供給される。無論、他の実施形態において、石炭の替わりまたは追加で他の燃料、例えば、前述したものなどの炭素質燃料を用いることができる。ガス化装置内で、石炭（または他の燃料）は分解され、液化されて炭化水素流、例えば、水、ＣＯ、ＣＯ２、低級炭化水素（例えば、最初にガス化装置へ供給したよりも数の小さな炭素を含む有機分子）、未反応炭化水素、および／または不純物、無機含有物など、他の成分の混合物を含む流れを生成する。いくつかの実施形態において、ガス化はシンガスが形成されるように行われる。
【００６２】
典型的に、炭化水素流は不純物、未反応燃料等を含むであろう。場合によって、これらは流れの中に粒子として存在することがある。場合によって、これらは当業者であれば既知の分離技術、例えば、フィルター、サイクロン、遠心分離器、衝突分離器等を使用して、炭化水素流から除去することができる。例えば、図４に示したように、ガス化された５３で生成した炭化水素流５７を様々な不純物、未反応燃料等から分離するためにサイクロン５５が用いられる。任意選択的に、未反応燃料等は流れ５９中のガス化装置５３へ戻すことができる。
【００６３】
サイクロン５５を流出すると、炭化水素流は流れ６１を経由して反応チャンバー６０へ流れる。流れ６２も反応チャンバー６０へ流入する。流れ６２は、例えば蒸気として存在できる水を含む。反応チャンバー６０は反応チャンバーを２つ（またはそれ以上の区画）に分離する混合伝導性材料を含み、その少なくとも１つには流れ６１が供給され、その少なくとも１つは流れ６２が分離して供給される。反応チャンバー６０内で、例えば、図２Ｂに概要を示した反応を使用して、炭化水素流は酸化され、例えば、完全に酸化されてＣＯ２を生成し、水はＨ２に還元される。Ｈ２（水を含むことができ、または含まなくてもよい）は流れ６４を経由して反応器を流出して（および収集および／または精製することができる）、酸化された燃料は流れ６３を経由して反応器を流出する。場合によって、例えば、熱の流れ６８で示される熱交換器を使用して、流れ６２と６４の間で熱を交換することができ、これは全体の効率を高めることができる。
【００６４】
いくつかの実施形態において、反応チャンバー６０の効率に応じて、スクラバーおよび／または吸収床（図示されない）を流れ６３に加えることができる。流れ６３は、反応チャンバー６０を流出すると、ガス化装置５３に戻される。これはシステムの全体の効率を向上させることのできる再循環運転を形成する。図４に示した例において、流れ６３は流れ６６と６７に分かれる。流れ６６は次のサイクルのためのガス化剤である石炭床に供給され、流れ６７はバーナーへ供給されて残りのＣＯが流れ６９を経由して導入される酸素または空気で燃焼する。これはガス化装置５３内の点線で示され、例えば、反応器中の管状束を表し、これを通って燃焼生成物が流れることができる。これらはガス化装置に熱を与え、吸熱ガス化工程を助けることができる。次いで、ガスはＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の廃棄ガスを含むことのできる流れ７０を経由してガス化装置５３を流出する。場合によって、ＣＯ２をさらに処理し、および／または隔離することができる。
【００６５】
本発明の実施例の他の例は、図５に示される。この図において、構成は図４に示したものと同様であるが、反応チャンバー６０はガス化装置５３の内部に配置される。前述のように、水（蒸気）は反応チャンバー６０に供給され、これは混合伝導性材料を使用することによってガス化装置５３から隔離される。しかし、図４に示したように、図５に示した実施形態において、分離した炭化水素流の替わりに、ガス化装置５３内の燃料は混合伝導性材料に直接露出される。それらの構成は反応チャンバーから失われた熱がガス化装置５３内で用いられるので、追加の効率を生むことができる。
【００６６】
上述の技術などを使用して生成された水素ガスは、例えば、反応中の使用またはエネルギー発生のために反応器から分離することができ、または、本発明のいくつかの態様において、水素ガスは、例えば、燃料電池中で酸化して電気エネルギーを生成することができる。場合によって、エネルギー発生の工程は水素ガス生成と同時に行うことができる。水素ガスを反応させて水とエネルギーを生成することのできる任意の適切なシステムは、例えば燃料電池に用いることができる。燃料電池の非制限的な例は、固体酸化燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、燐酸燃料電池、ポリマー電解質燃料電池（例えば、プロトン交換膜を用いる）、アルカリ燃料電池等を含む。したがって、一実施形態において、水素は反応器中に提供され（例えば、燃料として外部的に供給され、および／または反応器によって生成される）、これは反応器の第１部分中で反応して水を生成し、次いで、反応器の第２部分で水素に再変換される。水素は、例えば、図６Ａ〜６Ｄに示したように反応器の第１部分へ再循環して戻すことができ、および／または水素は上述のように分離することができ、または、第１または第２部分を含まない電気化学装置のための燃料、化学工程のための反応物等として用いることができる。第１部分および第２部分は同じチャンバーまたは容器内に収容することができ、または第１および第２部分は、例えば、パイプ、配管等を使用して流体的に連絡している分離した容器とすることができ、例えば、第１容器は混合伝導性材料（例えば、本明細書に述べるような）を含み、第２容器は燃料電池を含むことができ、容器はその中に混合伝導性材料と燃料電池の両方を（例えば、容器内の水素および／または水の混合伝導性材料と燃料電池の両方に流体連絡しているように）含むことができる。当業者であれば、本明細書に述べた開示を備える１つ以上の通常の技術を使用して、例えば、適切な反応容器、パイプ、配管、熱交換器、ガス収集システム等を加えることによって、適切なシステムを設計し作製することができるであろう。
【００６７】
図６Ａ〜６Ｃは、本発明の混合伝導性材料３０を燃料電池と一緒に用いるいくつかの一般的な反応式を示す。これらの図において、電子（ｅ−）および酸素の両方は、酸化区画３１を還元区画３２から分離する混合伝導性材料３０を横切って輸送することができる。材料３０の一方の側で、炭素質燃料、場合によって硫黄または他の不純物を含む燃料（ＣｘＨｙ＋Ｓｚと表される）を完全に酸化してＨ２Ｏ、ＣＯ２、ＳＯ２等を生成することができる。しかし、他の実施形態において、燃料は部分的に酸化することができる。また、酸化反応は、電子も生成し、これは混合伝導性材料３０を横切って輸送される。電子は還元反応に用いられ、例えば、水（Ｈ２Ｏ）と反応して水素ガス（Ｈ２）と酸素イオンを生成する。イオンは混合伝導性材料３０を横切って輸送することができる。
【００６８】
水素ガスは、燃料電池中に水を発生させるために用いることができ、任意選択的に工程中に電流を生成し、これを配線することができる。燃料電池は水から水素を生成する反応器から分離し、例えば、物理的に分離しているが水素が水から生成される区画に流体的に連絡している区画または容器内に収容することができ、または、場合によって、燃料電池は反応器に一体化された部分とすることができ、すなわち、反応器の区画中で水素と水（蒸気として存在することができる）の混合物は水素を水から生成する反応（例えば、前述のように、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を使用して）および水を水素から生成する反応（例えば燃料電池中）に同時に曝される。燃料電池は工程において電子を放出することのできる水酸化イオン（ＯＨ−）、酸素イオン（Ｏ２−）、炭酸イオン（ＣＯ３２−）等の反応によってＨ２と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生成することができ、これはエネルギー３５として配線することができる。
【００６９】
それらの反応システムの最終結果は、図６Ａ〜６Ｄに示されるように、酸素が燃料電池に入り、一連の反応によって燃料と反応し酸化することであることに留意すべきである。したがって、矢３７で示すように、この反応システムによって、最終的に酸素が輸送される。
【００７０】
図６Ａにおいて、一例としてアルカリ燃料電池が示され、ＯＨ−が燃料電池を通して輸送されて水素ガスを水に還元し（Ｈ２＋２ＯＨ−→２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−）、工程中電子を発生し配線される。ＯＨ−は純粋酸素源から由来することがで
き、または空気（図６Ａに示されるように）または、例えば、反応中（Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−）に水を使用して生成される酸素を含む他の源から由来することができる。場合によって、アルカリ燃料電池は水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの水性アルカリ溶液で飽和したマトリックス３４を用い、ＯＨ−は輸送される。
【００７１】
図６Ｂにおいて、プロトン交換膜を用いる燃料電池が示される。この燃料電池において、プロトンはプロトン交換膜を通して輸送することができるが、電子はできない。したがって、プロトン（Ｈ＋）は膜を通過するが、電子はエネルギー３５のために配線することのできる外部回路を通らなければならない。このシステムにおいて、区画３２内の水素ガスのいくらかは分解されてＨ＋を生成し、これはプロトン交換膜を通して輸送される。したがって、区画３２に、例えば、水素ガスおよび／または水として補充水素を加えることができる。プロトン交換膜を流出すると、Ｈ＋は、例えば、酸素（例えば、空気中の）と反応して水を生成する。プロトン交換膜は当技術分野において既知であり、例えば、いくつかのポリマーから電解質／膜３６として作ることができる。
【００７２】
図６Ｃはさらに他の例として溶融炭酸塩燃料電池を示す。溶融炭酸塩燃料電池において、電解質３４は多孔質セラミックマトリックス３９、例えば、リチウムアルミニウム酸化物（ＬｉＡｌＯ２）マトリックス中に懸濁することのできる溶融炭酸塩混合物を含む。燃料は例えば空気中で燃焼４１し、燃焼生成物は溶融炭酸塩燃料電池に曝される。任意選択的に、燃焼工程は矢４２で示したように、区画３１から再循環される。炭酸塩はマトリックス中で生成され、次いでこれは区画３２に輸送される。区画３２内のＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２は前述のように、例えば、それぞれＨ２および／またはＣＯに還元される。次いで、Ｈ２および／またはＣＯはマトリックス３９からの炭酸塩と反応してＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２をそれぞれ発生することができる。いくつかの実施形態において、Ｈ２／Ｈ２Ｏは必要ではなく、区画３２内ではＣＯ／ＣＯ２が還元剤として用いられることを強調すべきである。
【００７３】
他の非制限的な例は図６Ｄに示される。この図において、反応器１００は混合伝導性材料１０２と、アノード１０４と、電解質１０６と、カソード１０８とを含む。アノード１０４と、電解質１０６と、カソード１０８とは一緒に、燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池を形成する。反応器１００内で、酸素（たとえば空気からの）は電解質１０６を経由してアノード１０４へ輸送される。場合によってアノード１０４は液体アノードである。酸素イオンはアノード１０４内で水素と反応して水を生成する。水素は反応器１００内から由来することができ、および／または外部から供給することができる。この反応で生成された水は、次いで混合伝導性材料１０２で還元され、酸素を生成して混合伝導性材料１０２を通って輸送されて、燃料、例えば、炭素質燃料（図６ＤにＣｘＨｙおよびＳｚで表される）を酸化する。
【００７４】
これらの図面は一般的に有用な反応式を図示するものであり、明快さのために単純化したことを留意すべきである。図６Ａ〜６Ｄに示した反応は１個以上の容器中で行うことができ、例えば、混合伝導性材料および燃料電池は単一の容器内に収容することができ、または混合伝導性材料を第１容器内に収容し、燃料電池は、物理的に分離しているが第１容器と例えばパイプ、配管等を使用して第１容器と流体的に連絡している第２容器内に収容することができる。
【００７５】
以下の実施例は本発明のいくつかの実施形態を例示することを意図するものであり、本発明の全体の範囲を例示するものではない。
【実施例】
【００７６】
（実施例１）
この実施例において、一方の側の酸化可能な化学種と他の側の還元可能な化学種を分離するために用いられる（図２参照）セラミックから生成する水素収量が計算される。セラミックは電子の流れによって回路が短絡される。
【００７７】
この場合、オームの法則によって電流Ｉを求めることができる。
【００７８】
Ｉ＝Ｖ／Ｒ
電圧Ｖはネルンストの式を使用して、膜のいずれかの側の酸素分圧の比から計算することができる。抵抗Ｒは、少なくとも次の成分に分割することができる。（１）電荷移動によるカソードの分極抵抗Ｒｃ、（２）膜を通るイオン移動からもたらされるオーム性抵抗Ｒｊ、（３）電荷移動によるアノードの分極抵抗Ｒａ、（４）電池回路を短絡する電子抵抗Ｒｅ。
【００７９】
Ｒ＝Ｒｃ＋Ｒｊ＋Ｒａ＋Ｒｅ
いくつかの実施形態において、電子抵抗Ｒｅは、適切なイオン性および／または電気的材料の選択によって、Ｒに対して無視することができる。イオン性抵抗は用いられる材料に依存し、Ｒのかなりの割合を占める。それは、例えば、厚さを、セラミック加工の見地から実際に高い信頼性で達成可能な最小厚さまで薄くすることによって、最小にすることができる。分極抵抗は表面特性に依存することができる。これらを最小化する手段は、例えば、触媒特性を有する微細粉体を用いることによって、反応接触面積を増加することを含む。場合によって、特定の例として、面積比総抵抗４００ｍΩｃｍ２（ミリオーム−ｃｍ２）を得ることができる。これらの計算に基づき、２００ｍＶのネルンスト電圧で、この抵抗は０．５Ａ／ｃｍ２の電流になり、これは３．５ｍｌＨ２／ｃｍ２／分の収量（１０１３ミリバールおよび２７３．１５Ｋで測定された容積）に書き換えられる。
【００８０】
特定の非制限的例として、特定の膜の厚さの推定は以下のようにして求めることができる。イオン伝導性については、８モル％のＹ２Ｏ３（８ＹＳＺ）で安定化されたＺｒＯ２の伝導度は８００℃で０．０２４Ｓ／ｃｍである。電気相の存在は、場合によってイオン相を希釈することができ、これは有効伝導度に大きな影響を与えることができる。例えば、場合によって、電気相は容積の５０％を構成することができ、これは希釈されない材料のイオン伝導度の３０％まで有効イオン伝導度を低下させることができる。その場合、膜厚さの３０％×４００ｍΩｃｍ２×０．０２４Ｓ／ｃｍ＝３２ミクロンが必要であろう。この厚さおよびそれ以下のセラミック膜は許容可能な低い漏洩割合で信頼性高く作製することができる。
【００８１】
分極抵抗は総抵抗の残りを含むことができる。高い温度（例えば、約１０００℃）で、反応界面の動力学は大きな分極なく十分高速とすることができるので、場合によって、追加の触媒は必要ない。しかし、場合によって、例えば、より低い温度（７５０℃〜８００℃）で、ベース膜上の大きな表面積の材料コーティングも有用であろう。
【００８２】
（実施例２）
この実施例は、本発明の一実施形態による反応器を示す。この実施例に用いられる反応器は図４に図示される。表２は１ＭＷの水素生成システムの質量とエネルギーの収支を示す。表３におけるＨ２線６４と蒸気線６２間のエンタルピー流れの差が生成された水素の潜熱値（１ＭＷ）である。この実施例において、表における蒸気線６２には水素の画分が存在することが推測された。完全なシステムにおいて、これは生成物の流れから誘導することができる。流れａにおいて、ＣＯ２に対するＣＯの割合は８に設定される。これは、Ｃ、ＣＯ、およびＣＯ２の存在下、８００℃で運転するガス化装置に得られるであろう平衡値である。
【００８３】
流れ５７から流れ６３へ行くと、ガスは分離器を通過し、ＣＯの流量はＣＯ２流が増加すると同程度に減少する。ＣＯ２の形成は分離器に入る総流れに対してやや少なく見えるかもしれない。しかし、これは、連続的な流れ５７、流れ６３、および流れ６６がループを形成し、ここから各通路ごとに少量しか取り出されないことによる結果である。したがって、ループ中の反応器はより大きな流れに曝される。利点のいくつかは、反応器を横切る濃度勾配が小さくなり、質量移動が向上することである。燃料電池システム中のアノードガスの再循環もこれが起きる例である。
【００８４】
この実施例における分離器の反応式は、変換される各ＣＯ分子についてＨ２分子が生成されることを示す。したがって、Ｈ２線と蒸気線間の水素流の差はＣＯの変換と等しく、この場合４．１モル／ｓである。
【００８５】
生成される最終的な水素の潜熱に関して、消費された炭素に対する工程の効率は（表２参照）、
【００８６】
【数３】
2008516399.tif 000005
であり、
式中、ΔＨｃ＝−４００ｋＪ／モルは炭素の燃焼熱であり、ΔＨＨ２＝−２４２ｋＪ／モルは水素の燃焼熱である（２０℃での蒸発潜熱値）。最終的に生成された水素流と流入する炭素流の自由エンタルピーフラックス比は（表３参照）、
【００８７】
【数４】
2008516399.tif 000006
であり、
式中、ΔＧｃ＝−３９５ｋＪ／モルは炭素の酸化の自由エンタルピー変化であり、ΔＧＨ２＝−２２８ｋJ/モルは水素の酸化の自由エンタルピー変化である（両方とも２０℃で）。
【００８８】
この実施例によれば、自由エンタルピー変化は、反応から得ることのできる仕事の理論的最大量（機械的、電気的）である。したがって、上の比率は、ガスがシステムに入る前の仕事ポテンシャルに対して、得られる仕事ポテンシャルがどれだけの大きさで入手可能であるかを明らかにする。
【００８９】
【表２】
2008516399.tif 000007
表３は分離器へおよび分離器からの流れ中の酸素分圧、およびこの実施例の膜を通して酸素イオンを駆動する、得られる電圧を示す。カソード側、すなわち、水素側に、入口から出口へ４．３×１０−１５バール〜４．０×１０−１８バールの範囲のｐＯ２勾配がある。これは水素含有量が１％から２５％へ上昇することを表す。表４の電圧から見ることができるように、ｐＯ２＝４×１０−１８バールの低さまで強い駆動力が入手可能である。水素含有量の増加はｐＯ２を８．９×１０−２０まで低下させ、実質的に小さな駆動力（わずか６５ｍＶ）を残す。これは膜反応器の収量を減少させるであろうが、生成される水素の単位容積あたりの必要な蒸気生成も少なくする。
【００９０】
【表３】
2008516399.tif 000008
（実施例３）
以下の実施例は、本発明の一実施形態による、反応器に用いるためのイオン伝導性と電気伝導性の混合セラミックの製造を示す。
【００９１】
最初に、支持管を押し出して乾燥した。支持管はＮｉ−ＹＳＺから形成されるが、押し出し生地はＮｉ−ＹＳＺ前躯体以外に結合剤、発泡剤等を含むことができる。Ｎｉ−ＹＳＺ管は当業者に既知の標準的な押し出し技術を使用して押し出した。管は１ｍｍの壁厚さと９ｍｍの直径を有した（未焼成）。管を乾燥し、次のステップの前に硬化した。
【００９２】
次に、キャップを管に加えた。キャップは未焼成Ｎｉ−ＹＺＹシートから切り出された円であり、溶媒中でＮｉ−ＹＳＺスラリーを使用して管の端部に接着してキャップを形成した。次いで、キャップは空気中１１００℃で２時間素焼きを行った。管が冷却した後、内部の機能性層を塗工した。機能性層はＮｉ−ＣＧＯを含む溶液中のセラミック浸漬コーティングによって調製した。内部機能性層は任意選択的に焼結することができよう。この焼結工程中、管は空気中１１００℃で２時間焼成した。
【００９３】
ＹＳＺ／ＹＳＴを以下のようにして管に塗工した。管を焼結容積で５０％のＹＳＺと５０％のＹＳＴを含む溶液中に浸漬コーティングした。次いで、ＹＳＺ／ＹＳＴは空気中１３５０℃で５時間焼成した。
【００９４】
次いで、管を再び冷却した後、外部機能性層を塗工した。機能性層はＮｉ−ＣＧＯを含む溶液中のセラミック浸漬コーティングによって調製した。外部機能性層は任意選択的に焼結することができよう。この焼結工程中、管は空気中１０００℃〜１１００℃で２時間焼成した。
【００９５】
次いで、ＹＳＴを高温で還元した。これは管を水素中１１００℃で２時間焼成することによって行った。
【００９６】
以下の文献が参照により本明細書に組み込まれている。「水素発生のための伝導性セラミック」の名称で２００４年１０月５日に出願された、Ｒａｃｋｅｙらの米国特許仮出願第６０／６１６，４７５号、「電気化学システムのための伝導性セラミック」の名称で２００５年３月１６日に出願された、Ｒａｃｋｅｙらの米国特許仮出願第６０／６６２，３２１号。
【００９７】
本明細書に、本発明のいくつかの実施形態を説明し図示してきたが、当業者であれば、機能を実施し、および／または本明細書に説明した結果および／または１つ以上の利点を得るための様々な他の手段および／または構造を容易に想起するであろう。それらの変形および／または修正は本発明の範囲内であると考えられる。さらに一般的に、当業者であれば、本明細書に説明される全てのパラメーター、寸法、材料、および構造が例示を意味しており、実際のパラメーター、寸法、材料、および／または構造は、本発明の教示が用いられる特定の用途または複数の用途によるものであることを容易に理解するであろう。当業者であれば、定例の実験を行うことなく、本明細書に説明された本発明の特定の実施形態に等しい多くのことを認識し、または確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は例示としてのみ提示され、添付の請求項およびその等価の範囲内で、本発明は特別に記述され特許請求されたもの以外も実施できることを理解すべきである。本発明は、本明細書に述べた個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の各々に関する。さらに、それらの特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が互いに矛盾しなければ、それらの特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の２つ以上の組み合わせは本発明の範囲内に含まれる。
【００９８】
本明細書において定義され用いられる全ての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれた文献中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を支配することを理解すべきである。
【００９９】
本明細書および請求項に用いられる不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、対照的に、明示されない限り、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つ）」を意味することを理解すべきである。
【０１００】
本明細書および請求項に用いられる句「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」は、そのように結合された要素、すなわち、ある場合には結合して存在し、および他の場合に結合しないで存在する要素の「ｅｉｔｈｅｒ  ｏｒ  ｂｏｔｈ（いずれも、または両方）」を意味することを理解すべきである。「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」で列挙される複数の要素は、すなわち、そのように結合された「ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ（１つ以上）」の要素であると同じように解釈すべきである。「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」の節で特別に識別される要素以外の他の要素は、特別に識別されたこれらの要素に関連し、または関連しないにかかわらず、任意選択的に存在することができる。したがって、非制限的な例として、「Ａ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｂ（Ａおよび／またはＢ）」の参照は、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含んで）」などのオープンエンド言語と一緒に用いられるとき、一実施形態において、Ａだけ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）を指すことができ、他の実施形態において、Ｂだけ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）を指すことができ、さらに他の実施形態において、ＡおよびＢの両方（任意選択的に他の要素）を指すことができる。
【０１０１】
本明細書および請求項に用いられる「ｏｒ（または）」は、上で定義した「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」と同じ意味に理解すべきである。例えば、リスト中の項目を分離するとき、「ｏｒ（または）」または「ａｎｄ／ｏｒ（および／または）」は包含的である、すなわち、少なくとも１つを包含するが、要素の数またはリストの１つ以上、および任意選択的に追加のリストされない項目も含むものと解釈すべきである。対照的に、「ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（１つだけの）」または「ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（正確に１つの）」、または請求項に用いられるとき、「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（からなる）」などの明示された用語だけが、多数の要素または要素のリストの正確に１つの包含を指す。一般に、本明細書に用いられる用語「ｏｒ（または）」は、排他的に「ｅｉｔｈｅｒ（いずれか）」、「ｏｎｅ  ｏｆ（１つの）」、「ｏｎｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（１つだけの）」、または「ｅｘａｃｔｌｙ  ｏｎｅ  ｏｆ（正確に１つの）」などの用語で始まるとき、排他的な代替（すなわち、「ｏｎｅ  ｏｒ  ｔｈｅ  ｏｔｈｅｒ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｂｏｔｈ（１つまたは他であるが、両方ではない）」）を示すものとだけ解釈すべきである。「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ（本質的に〜からなる）」は、請求項中で用いられるとき、特許法の分野で用いられる通常の意味を有するものである。
【０１０２】
１つ以上の要素を参照して、本明細書および請求項に用いられる句「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つ）」は、要素のリスト中の任意の１つ以上の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するが、要素のリスト内に特別に列挙された要素の各々の少なくとも１つまたは各要素を必ずしも含まず、要素のリストの任意の組み合わせを除外しないことを理解すべきである。また、この定義は、句「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ（少なくとも１つ）」が指している要素のリスト内に特別に識別された要素以外の要素が、特別に識別されたこれらの要素に関連し、または関連しないにかかわらず、任意選択的に存在できることも許容する。したがって、非制限的な例として、「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ａｎｄ  Ｂ（ＡおよびＢの少なくとも１つ）」（または等価で「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ｏｒ  Ｂ（ＡまたはＢの少なくとも１つ）」または等価で「ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｂ（Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ）」は、一実施形態において、任意選択的に１つ以上を含んで、少なくとも１つ、Ａを指し、Ｂは存在せず（任意選択的にＢ以外の要素を含んで）、他の実施形態において、任意選択的に１つ以上を含んで、少なくとも１つ、Ｂを指し、Ａは存在せず（任意選択的にＡ以外の要素を含んで）、さらに他の実施形態において、任意選択的に１つ以上を含んで、少なくとも１つ、Ａ、および任意選択的に１つ以上を含んで、少なくとも１つ、Ｂ（任意選択的に他の要素を含んで）を指すことができる。
【０１０３】
また、対照的に明示されない限り、本明細書に特許請求される１つ以上のステップまたは工程を含む任意の方法において、方法のステップまたは工程の順序は、方法のステップまたは工程が列挙された順序に必ずしも制限されないことを理解すべきである。
【０１０４】
請求項において、ならびに上記明細書において、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、「ｃａｒｒｙｉｎｇ（支持する）」「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」、「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ（関与する）」、「ｈｏｌｄｉｎｇ（保持する）」、「ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ（から構成される）」等の、全ての遷移句は、オープンエンド、すなわち、包含するが制限されないことを意味することを理解すべきである。遷移句「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ（からなる）」、および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ（本質的に〜からなる）」は、特許審査手順の米国特許庁マニュアル、第２１１１．０３節に記載されたように、それぞれ制限、または半制限遷移句である。
【０１０５】
本発明の他の利点および新規な特徴は、添付図面とともに考察するとき、以下の本発明の様々な非制限的実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書および参照により組み込まれる文献が矛盾および／または相反する開示を含む場合は、本明細書が支配する。２つ以上の参照により組み込まれる文献が、互いに対して矛盾および／または相反する開示を含むならば、最新の有効日付を有する文献が支配する。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は炭素質燃料源から水素ガスを生成する工程を表す概要図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、本発明の材料が電気化学装置に用いられる本発明の様々な実施形態を表す概要図である。
【図３】図３は、隔離されたＹＳＴと隔離された８ＹＳＺのＸＲＤパターンと比較した、本発明の一実施形態によって調製されたＹＳＴ−８ＹＳＺ材料のＸＲＤパターンである。
【図４】図４は、石炭などの燃料を酸化して水素ガスを生成する反応器に用いられる本発明の実施形態を示す概要図である。
【図５】図５は、石炭などの燃料を酸化して水素ガスを生成する反応器に用いられる本発明の他の実施形態を表す概要図である。
【図６Ａ】図６Ａ〜６Ｄは、本発明の様々な実施形態において使用することのできる様々な燃料電池および使用中に起こり得る化学反応の概要図である。
【図６Ｂ】図６Ａ〜６Ｄは、本発明の様々な実施形態において使用することのできる様々な燃料電池および使用中に起こり得る化学反応の概要図である。
【図６Ｃ】図６Ａ〜６Ｄは、本発明の様々な実施形態において使用することのできる様々な燃料電池および使用中に起こり得る化学反応の概要図である。
【図６Ｄ】図６Ａ〜６Ｄは、本発明の様々な実施形態において使用することのできる様々な燃料電池および使用中に起こり得る化学反応の概要図である。
【図１】
2008516399.tif 000009
【図２】
2008516399.tif 000010
【図３】
2008516399.tif 000011
【図４】
2008516399.tif 000012
【図５】
2008516399.tif 000013
【図６Ａ】
2008516399.tif 000014
【図６Ｂ】
2008516399.tif 000015
【図６Ｃ】
2008516399.tif 000016
【図６Ｄ】
2008516399.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月8日(2007.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料を反応させて反応器の第１部分中に電気および水を生成させる工程と、
該水と、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む材料によって提供される電子とを反応させ、該反応器の第２部分において水素を生成する工程と、
該反応器の第２部分中に発生させた水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する工程と、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記反応器の第２部分に発生した水素の少なくとも一部を、反応器の前記第１部分の燃料として反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水素を含む燃料を反応させて電気と水を発生させる工程が、燃料電池中で該水素を含む燃料を反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃料が炭素質燃料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記燃料電池がガス化石炭を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２相が、ＹＳＴ材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
燃料および水を、反応器の第１部分における混合したイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って反応させる工程であって、ここで該水は、イオン伝導性と電気伝導性を除いては該燃料から隔離されており、水素を発生させる工程と、
該反応器の第２部分において、該水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程と、
を包含する、方法。
【請求項９】
前記第１部分と第２部分とが、流体連絡している物理的に分離した区画にある、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程が、前記水素の少なくとも一部を反応させて電気および水を生成させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する前記工程で生成された前記水の少なくとも一部を、燃料および水を、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って反応させる前記工程に用いられる該水として使用することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が、セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体において相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する工程が、該水素の少なくとも一部を反応させて燃料電池中に電気を生成することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃料が炭素質燃料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料がガス化石炭を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１８】
燃料および水を、混合したイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って反応させる工程であって、ここで該水は、イオン伝導性と電気伝導性を除いては該燃料から隔離されており、水素を発生させる工程と、
該水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程と、
電気を生成するために該水素の少なくとも一部を反応させる工程において生成された水の少なくとも一部を、混合したイオン伝導性材料および電気伝導性材料を横切って燃料および水を反応させる工程において使用される水として使用する工程と、
を包含する、方法。
【請求項１９】
燃料および水を反応させる前記工程が反応器の第１部分で行われ、前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる前記工程が反応器の第２部分で行われる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１部分と第２部分とが、流体連絡している物理的に分離した区画にある、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成させる工程が、前記水素の少なくとも一部を反応させて電気および水を生成させることを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が、セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記水素の少なくとも一部を反応させて電気を生成する工程が、該水素の少なくとも一部を反応させて燃料電池中に電気を生成することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料が炭素質燃料を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料がガス化石炭を含む、請求項１８に記載の方法。
水を反応させて前記材料内に酸素イオンを生成させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
セラミックイオン導体を含む第１相と、セラミック電気導体を含む第２相とを含む材料によって提供される電子を使用して水を反応させて、少なくとも約９０％の純度を有するＨ２を生成させる工程と、
該反応から、少なくとも約９０％の純度を有するＨ２を回収する工程と、
を含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、方法。
【請求項２９】
水を反応させて前記材料内に酸素イオンを生成させることを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記酸素イオンを酸化可能な化学種と反応させることをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸化可能な化学種がガス化石炭を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記Ｈ２を燃料電池中に導入することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
燃料電池中で前記Ｈ２を反応させて水を生成させることをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記燃料電池によって生成された水を再循環してＨ２を生成させることをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記材料が実質的にガス不透過性である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１相がジルコニアを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
前記ジルコニアが１種以上のドーパントを使用して立方体構造において安定化される、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記ジルコニアがＹを使用して安定化される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記ジルコニアがＳｃを使用して安定化される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１相が酸化セリウムおよび酸化ガドリニウムの少なくとも１つを含む酸化物を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１相がＬａ−フェライト材料を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１相がＣｅでドープされたＧｄ２Ｏ３を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１相がドープされたＬａＦｅＯ３を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４６】
前記ドープされたＬａＦｅＯ３が、Ｓｒ、Ｃａ、Ｇａ、またはＦｅの１種以上でドープされる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記第２相がＬＳＴ材料を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４８】
前記第２相がＹＳＴ材料を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４９】
前記第２相がＬＣＣ材料を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項５０】
前記材料と物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項５１】
前記多孔質基板が実質的に管状である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記多孔質基板が実質的に平面状である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記材料が実質的にガス不透過性である、請求項２８に記載の方法。
【請求項５４】
前記多孔質基板上の材料が２００マイクロメートルを超えない厚さを有する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
炭素質燃料を反応させて材料内に電子を生成させる工程であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、工程と、
該電子を水と反応させて、該材料内に酸素イオンを生成させる工程であって、該酸素イオンは該炭素質燃料と反応することができる、工程と、
を含む、方法。
【請求項５６】
前記酸化可能な化学種と前記水とが物理的に接触しない、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記電子を水と反応させてＨ２を生成させることを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５８】
前記Ｈ２の隔離をさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させることをさらに含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記Ｈ２を酸化して電気を生成させる工程が、前記電子を水と反応させてＨ２を生成する工程と同時に行われる、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記炭素質燃料がガス化石炭を含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項６３】
酸化可能な化学種を反応させて材料内に電子を生成させる工程であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、工程と、
該電子を該酸化可能な化学種と物理的に接触していない還元可能な化学種と反応させて、Ｈ２を生成する工程と、
を含む、方法。
【請求項６４】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記酸化可能な化学種がガス化石炭を含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記還元可能な化学種が水を含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
前記Ｈ２を燃料電池中で反応させて水を生成させることをさらに含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
前記燃料電池によって生成された水を、前記還元可能な化学種の少なくとも一部分として再循環させることをさらに含む、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離させる材料であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、材料と、
該第１区画の入口に流体連絡している炭素質燃料源と、
該第２区画の入口に流体連絡している水源と、
該第２区画の出口と流体連絡している、固体酸化物燃料電池と、
を備える、反応器。
【請求項７１】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項７０に記載の反応器。
【請求項７２】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項７０に記載の反応器。
【請求項７３】
前記材料に流体接触している第１ガスと、該第１ガスから流体的に分離され、該材料に流体接触している第２ガスと、をさらに含む、請求項７０に記載の反応器。
【請求項７４】
前記第１ガスを収容する第１区画と、前記第２ガスを収容する第２区画とを備え、前記材料が該第２区画から該第１区画を分離する壁を規定する、請求項７３に記載の反応器。
【請求項７５】
前記第１ガスが、前記第２ガスよりも高い酸素分圧を有する、請求項７４に記載の反応器。
【請求項７６】
前記炭素質燃料源がガス化石炭を含む、請求項７０に記載の反応器。
【請求項７７】
ガス化チャンバーと、
該ガス化チャンバーに流体連絡している燃料源と、
該ガス化チャンバー内に収容され、該ガス化チャンバーから少なくとも部分的にセラミックを含む材料によって流体的に分離され、該材料がイオン伝導性である分離チャンバーと、
該第２区画に流体連絡している水源と、
を備える、システム。
【請求項７８】
前記材料が電気伝導性である、請求項７７に記載のシステム。
【請求項７９】
前記材料が、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８０】
前記材料がセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は前記材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は前記材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８１】
前記材料がＹＳＺを含む、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８２】
前記材料がＹＳＴを含む、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８３】
セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含む実質的に非多孔質材料であって、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、非多孔質材料と、
該材料に物理的に接触している多孔質基板と、
を含む、物品。
【請求項８４】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項８３に記載の物品。
【請求項８５】
前記多孔質基板が実質的に管状である、請求項８３に記載の物品。
【請求項８６】
前記多孔質基板が実質的に平面状である、請求項８３に記載の物品。
【請求項８７】
第１の混合されたイオン伝導性多孔質材料および電気伝導性多孔質材料と、
物理的に該第１の伝導性の混合多孔質材料に接触している、混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料であって、該非多孔質材料はＹＳＴを含む、混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料と、
を含む、物品。
【請求項８８】
前記第１材料に物理的に接触している、第２の混合されたイオン伝導性多孔質材料および電気伝導性多孔質材料をさらに含む、請求項８７に記載の物品。
【請求項８９】
前記第１材料に物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項８７に記載の物品。
【請求項９０】
前記非多孔質材料に物理的に接触している多孔質基板をさらに含む、請求項８７に記載の物品。
【請求項９１】
前記混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料がセラミックを含む、請求項８７に記載の物品。
【請求項９２】
前記混合されたイオン伝導性非多孔質材料および電気伝導性非多孔質材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項８７に記載の物品。
【請求項９３】
第１の側と第２の側とを有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を提供する工程と、
酸化可能な化学種を該材料の第１の側に流す工程と、
還元可能な化学種を該酸化可能な化学種の流れに対して実質的に向流方向に該材料の第２の側に流す工程と、
を含む、方法。
【請求項９４】
前記酸化可能な化学種が炭素質燃料を含む、請求項９３に記載の方法。
【請求項９５】
前記還元可能な化学種が水を含む、請求項９３に記載の方法。
【請求項９６】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項９３に記載の方法。
【請求項９７】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項９３に記載の方法。
【請求項９８】
第１の側と第２の側とを有する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料と、
該材料の第１の側を横切る流れに向けられる酸化可能な化学種源と、
該酸化可能な化学種の流れに対して実質的に向流方向に該材料の第２の側を横切る流れに向けられる還元可能な化学種源と、
を備える、反応器。
【請求項９９】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料がセラミックを含む、請求項９８に記載の反応器。
【請求項１００】
前記混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料が、セラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項９８に記載の反応器。
【請求項１０１】
約１開放孔／ｍｍ２未満の有孔性を有し、チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する、混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を備え、ここで該電気伝導性材料はＹＳＴを含む、反応器。
【請求項１０２】
前記材料がセラミックを含む、請求項１０１に記載の反応器。
【請求項１０３】
前記材料がセラミックイオン導体とセラミック電気導体とを含む、請求項１０１に記載の反応器。
【請求項１０４】
前記材料が、セラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、請求項１０１に記載の反応器。
【請求項１０５】
前記材料がＹＳＺを含む、請求項１０１に記載の反応器。
【請求項１０６】
前記材料が約１開放孔／ｃｍ２未満の有孔性を有する、請求項１０１に記載の反応器。
【請求項１０７】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する材料を備える反応器であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該セラミック電気導体が、式、Ａ１−ｘＳｒｘＴｉＯ３を有するセラミックを含み、式中、ｘは約０．１〜約０．５である、反応器。
【請求項１０８】
ｘが約０．２〜約０．４である、請求項１０７に記載の反応器。
【請求項１０９】
前記材料の約５重量％〜約９５重量％がセラミック電気導体である、請求項１０７に記載の反応器。
【請求項１１０】
前記材料の約２０重量％〜約８０重量％がセラミック電気導体である、請求項１０７に記載の反応器。
【請求項１１１】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する混合されたイオン伝導性材料および電気伝導性材料を備える反応器であって、該材料はＹＳＺを含む第１相とＹＳＴを含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続される、反応器。
【請求項１１２】
チャンバーを第１区画と第２区画とに分離する材料を備える反応器であって、該材料はセラミックイオン導体を含む第１相とセラミック電気導体を含む第２相とを含み、該第１相は該材料がイオン伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該第２相は該材料が電気伝導性であるように実質的に材料全体に相互接続され、該材料は約２００Ωｃｍ未満の抵抗を有する、反応器。
【請求項１１３】
前記第１相がＹＳＺを含む、請求項１１２に記載の反応器。
【請求項１１４】
前記第２相がＹＳＴを含む、請求項１１２に記載の反応器。
【請求項１１５】
前記抵抗が約１００Ωｃｍ未満である、請求項１１２に記載の反応器。
【国際調査報告】
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