(57)【要約】【課題】  本発明は、一般に、組み合わせ化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、液体スプレー技術を用いて固体酸化物型燃料電池成分を製造する高生産性システム及び方法に関する。【解決手段】  固体酸化物型燃料電池の電極及び電解質材料性能を製造し評価する高生産性のシステム及び方法。化学組成及び可変処理に基づいて燃料電池材料を最適化する小スケール技術。固体酸化物型燃料電池に用いる電極及び電解質材料を製造し評価する方法は、非焼結の又は部分的に焼結された基板（１０６）を準備し、複数の液体スプレー装置（１１０）を用いて、電極及び電解質材料を基板の複数の領域に送給することを含み、該複数の液体スプレー装置（１１０）は、該複数の液体スプレー装置（１１０）のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイが形成されるように、該基板（１０６）に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置される。システムは、複数の液体スプレー装置（１１０）と、成分を受け取る基板（１０６）の複数の領域を制御することができるマスク（１１２）とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池に用いる電極及び電解質材料を製造及び評価する方法であって、
非焼結の又は部分的に焼結された基板（１０６）を準備し、
複数の液体スプレー装置（１１０）を用いて、電極及び電解質材料を前記基板（１０６）の複数の領域に送給する、
ことを含み、
前記複数の液体スプレー装置（１１０）は、該液体スプレー装置（１１０）のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイ（１０２）が形成されるように、前記基板（１０６）に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置されている、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記複数の液体スプレー装置（１１０）は静止状態に保持され、前記基板（１０６）はｘ−ｙステージ（１１１）を用いてｘ−ｙ座標空間で移動することができる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板（１０６）は静止状態に保持され、前記複数の液体スプレー装置（１１０）はｘ−ｙステージ（１１１）を用いてｘ−ｙ座標空間で移動することができる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記勾配アレイ（１０２）が区分的又は連続的である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の液体スプレー装置（１１０）の供給速度を制御することができる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
マスク（１１２）を用いて、電気化学的な特徴付けのために２電極間の組成スポットを隔離することを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
カソード材料は、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板（１０６）に吹き付けることにより特徴付けられる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板（１０６）が多孔性基板（１０６）及び非多孔性基板（１０６）からなるグループから選択された請求項１に記載の方法。
【請求項９】
化学種を前記基板（１０６）の中に分配することを更に含み、焼結されたときに、前記化学種が複数の異なる化学組成領域の各々の物理的又は化学的特性を改変する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記化学種を前記基板（１０６）の中に分配することが、金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び金属陽イオンの組み合わせからなるグループから選択された化学種を前記基板（１０６）の中に分配することを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記勾配アレイ（１０２）が、カソード材料のアレイを含み、前記カソード材料のアレイが約７００ミクロンと２，０００ミクロンとの間の直径であり、約１，０００ミクロンの厚さである請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
導電性及び電気化学活性について前記複数の異なる化学組成領域の各々を試験することを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の異なる化学組成領域の各々の化学組成及び処理条件を、試験結果を用いて、固体酸化物型燃料電池における使用についての適性に関連して順位付けすることを更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の液体スプレー装置（１１０）が、簡易型スプレー器、プラズマ型スプレー器、及びネブライザのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極及び電解質材料を製造及び評価するシステムであって、
固体酸化物型燃料電池成分を複数の基板（１０６）領域に送給して、勾配アレイ（１０２）を生成することができる液体スプレー装置（１１０）と、
前記成分を受け取る前記複数の基板（１０６）領域を制御することができるマスク（１１２）と、
を備え、
前記液体スプレー装置（１１０）の出口が、該複数の液体スプレー装置（１１０）のスプレープルームが重なり合って、前記勾配アレイ（１０２）が形成されるように、前記基板（１０６）に対してかつ互いに対して適切な角度で配置されたシステム。
【請求項１６】
前記勾配アレイ（１０２）が、２つ又はそれ以上の成分から構成される３元、４元、又は他のアレイのいずれかを備える請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の液体スプレー装置（１１０）は静止状態に保持され、前記基板（１０６）はｘ−ｙ座標空間で移動することができる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記基板（１０６）は静止状態に保持され、前記複数の液体スプレー装置（１１０）はｘ−ｙ座標空間で移動することができる請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記勾配アレイ（１０２）が区分的又は連続的である請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記複数のスプレー装置（１１０）の供給速度を制御することができる請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
前記マスク（１１２）は、電気化学的な特徴付けのために、２電極間の組成スポットを隔離することができる請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
カソード材料が、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板（１０６）に吹き付けることにより特徴付けられた請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
前記基板（１０６）が多孔性基板（１０６）及び非多孔性基板（１０６）からなるグループから選択された基板（１０６）を含む請求項２３に記載のシステム。
【請求項２４】
前記基板（１０６）が、焼結されたときに、複数の異なる化学組成領域の各々の物理的又は化学的特性を改変する化学種を含む請求項１５に記載のシステム。
【請求項２５】
前記化学種が、基板（１０６）内に入った金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び金属陽イオンの組み合わせからなるグループから選択された請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記勾配アレイ（１０２）が、カソード材料のアレイを含み、前記カソード材料のアレイが約７００ミクロンと２，０００ミクロンとの間の直径であり、約１，０００ミクロンの厚さである請求項１５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記勾配アレイ（１０２）が、異なる導電性及び電気化学活性領域について試験された請求項１５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記複数の液体スプレー装置（１１０）が、簡易型スプレー器、プラズマ型スプレー器、及びネブライザのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、組み合わせ化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、液体スプレー技術を用いて固体酸化物型燃料電池成分を製造する高生産性システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、イオン伝導性電解質を介して、気体燃料と酸化ガスを電気化学的に結合することによって、電気と熱を生成することができるエネルギー変換装置である。燃料電池の定義上の特徴は、燃焼を必要とせずに、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する能力であり、従来方法に比べ極めて高い変換効率を与える。燃料電池は、主に１つの電解質と２つの電極であるアノード及びカソードから構成される。燃料電池の分類は、一般に電解質の種類によりなされる。
【０００３】
電解質は、２つの電極が電気的接触になるのを防止し、カソードで生成された帯電イオンの流れを電解質を通して、アノードで放電されるように作用する。電解質の種類が燃料電池の動作温度を決める。電極の機能は、電極自体が消費され腐食されることなく、反応型物質（燃料）と電極との間での反応を引き起こすことである。定義によると、電極はまた導電体である必要があり、かつ、その相を接触状態にする必要がある。
【０００４】
燃料電池には多くの異なる種類があり、幾つかのパラメータは、燃料電池の使用目的に応じて異なるものとすることができる。例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、完全に固体材料で構成された燃料電池である。ＳＯＦＣは、電解質としてイオン導電性酸化物セラミックを用いており、約９００°Ｃから約１０００°Ｃの範囲で作動される。ＳＯＦＣは、他の形式の燃料電池に比べて、電解質管理上では問題をほとんど生じず、すべての燃料電池中で最高効率（ほぼ５０％−６０％）を有するなどの幾つかの利点を提供する。ＳＯＦＣは、大規模発電所、分散型電力用途及び車両用途に用いることができる。
【０００５】
ＳＯＦＣの開発における主要な課題の１つは、ＳＯＦＣの性能及びコスト要件に合致する高性能電極及び電解質材料を開発することである。電極及び電解質とも有力候補の材料のリストはあるが、材料の組み合わせ、化学組成、処理条件及び同様のものを最適化するには、多大の労力が必要とされる。このことは、こうした有力候補材料の大部分が３元又は４元ベースのいずれかである場合に特に当てはまる。
【０００６】
ＳＯＦＣの電解質材料として、例えば、イットリウム安定化ジルコニウム（ＹＳＺ）が広く用いられる。しかしながら、電解質性能は、ジルコニウムに対するイットリウムの比率に比較的敏感であり、この成分比率は、慎重に最適化される必要がある。同じことが、ストロンチウムドープのＣｅＯ２、ＣＧＯなどを含む電解質のための他の有力候補材料についても言える。電極材料組成もまた、ＳＯＦＣの性能には極めて重要である。例えば、一般的なカソード材料であるＬａｘＳｒ１−ｘＭｎＯ（３−ｄ）（ＬＳＭ）の組成は、その導電性及び電気化学活性に大きく影響を与える場合がある。
【０００７】
一般的には、多様な化学組成を有する、元素又は成分の種々の化合物は、電極及び電解質材料の最適な性能を得るために、比較的に緩慢で労働集約的な、かつコストが高い方法で個別に処方され試験される。従って、必要とされることは、ＳＯＦＣ関連の材料開発をより効率的なものとする高生産性のシステム及び方法である。本発明のシステム及び方法は、組み合わせ手法又は小スケール手法を用いて、ＳＯＦＣに用いる電極及び電解質材料の高生産性製造、評価、及び最適化を達成するものである。
【０００８】
同様に、ＳＯＦＣは、比較的高い効率性と低排出物によって、燃料から電気エネルギーを生成する有望な技術であるが、ＳＯＦＣの広汎な商業的利用には、比較的割高な製造コストと高い作動温度が障壁となっている。製造コストは、主に、比較的高温（ほぼ１０００°Ｃ）で作動可能な最新式の電解質支持型燃料電池の必要性によって決まる。作動温度が、ステンレス鋼などのより安価な構造成分が使用可能となる８００°Ｃより低く抑えることができると、製造コストは大幅に削減することができる。より低い作動温度はまた、システム全体の効率を増大させ、活性セラミック構造における熱応力を低減することを保証し、余命をより長くする。
【０００９】
ＳＯＦＣにおける作動温度を低下させることへの障壁の１つは、コモンカソード材料であるＬＳＭの効率である。ＬＳＭのカソード分極化は、中間温度では比較的高く、大きな効率損失をもたらす。従って、より低活性分極を有する新たなカソード組成物が必要とされる。しかしながら、新たなカソード組成物を製造するための標準的セラミックの処理技術は、時間がかかり費用が嵩む。典型的には、新たな粉体組成物は、沈殿、濾過、及び焼成を含む複数の工程を経て合成される。カソード構造体の微細構造（即ち空隙率）が大幅にその性能に寄与することから、均質な微細構造を有するカソード構造体を製造するためには、慎重な粉体処理を行う必要がある。こうしたセラミック粉末を合成するのに関連する費用により、製造及び評価できるカソード組成物の数は制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、必要とされるのは、固体酸化物型燃料電池用の電解質及び電極材料の製造及び性能の評価のための高生産性システム及び方法である。更に、必要とされるのは、電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し、最適化するシステム及び方法である。又更に必要とされるのは、化学組成及び異なる処理に基づいてこれらの材料を最適化する小スケール技術である。構造的及び表面的方法と統合して高速装置を用いる方法により、ＳＯＦＣのための新材料の発見率向上が可能になるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
様々な実施の形態において、本発明は、固体酸化物型燃料電池（「ＳＯＦＣ」）に用いる電極及び電解質材料の製造及び評価のための高生産性システム及び方法を提供する。本発明は、こうした電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し、評価し、最適化するためのシステム及び方法を含み、小スケール技術を用いて、異なる化学組成及び処理に基づきこうした統合、評価、及び最適化を行う。構造的及び表面的方法と統合して高速装置を用いるシステム及び方法は、ＳＯＦＣにおける使用のための新材料及び新材料組み合わせの発見率向上を可能にするという利点をもたらす。
【００１２】
様々な実施の形態において、本発明は、更に、一般に多成分組成の無機材料を合成するために、使い易い高速技術を提供する。これらの技術は、蛍光体、シンチレータ、ＰＺＴ材料など、ＳＯＦＣにおいて（電極、電解質、インターコネクタ、シールなどに）使用するための新たな無機材料を発見するのに用いることができる。この技術は、非定常状態の使用を補正するのに用いることができる勾配組成又は空間的に分離された組成の合成及び分析を可能にする。これらの材料の合成は、液体スプレー／噴霧化技術を用いて材料を基板上に被着させることを含む。互いに、かつ基板に対して適切な角度に設置された複数の液体スプレー装置を用いることにより、勾配アレイが生成される。区分的又は連続的な勾配アレイは、液体の流量を制御することにより生成することができる。
【００１３】
本発明の１つの実施の形態において、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極又は電解質材料のアレイを製造する方法は、非焼結の又は部分的に焼結された基板を準備し、複数の液体スプレー装置を用いて、電極及び電解質材料を基板の複数の領域に送給することを含み、該複数の液体スプレー装置は、該液体スプレー装置（１１０）のスプレープルームが重なり合い、勾配アレイが形成されるように、該基板に対して、かつ互いに対して適切な角度で配置され、該基板を焼結する。１つの実施の形態においては、複数の液体スプレー装置は静止状態に保持され、基板は、ｘ−ｙステージを用いてｘ−ｙ座標空間で移動することができる。代替的な実施の形態においては、基板は静止状態に保持され、複数の液体スプレー装置は、ｘ−ｙステージを用いて、ｘ−ｙ座標空間で移動することができる。更に別の実施の形態においては、基板及び装置の両方を移動することができる。
【００１４】
本発明の更に別の実施の形態においては、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な電極又は電解質材料を製造し評価するシステムは、固体酸化物型燃料電池成分を複数の基板領域に送給して勾配アレイを生成する複数の液体スプレー装置と、該成分を受け取る該複数の基板領域を制御することができるマスクとを備え、該液体スプレー装置の出口が、該複数の液体スプレー装置のスプレープルームが重なり合って、勾配アレイが形成されるように、該基板に対してかつ互いに適切な角度で配置される。幾つかの実施例においては、本発明のシステムにより生成される勾配アレイは、２つ又はそれ以上の成分から構成される３元、４元、又は他のアレイのいずれかを含む。
【００１５】
本発明の更に別の実施の形態においては、高生産性システムは、固体酸化物型燃料電池に用いるのに好適な材料の勾配アレイを製造することができ、該材料のアレイの複数の部材の各々は、相対的性能を評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の種々の具体的な実施の形態が図面を参照して説明される。これらの図面において、同一要素には同一符号が付与される。
【００１７】
要求事項として、本発明の詳細な実施の形態が本明細書において開示されるが、開示された実施の形態は、様々な代替的形式で具体化することができる本発明の単なる例示に過ぎないことを理解すべきである。本明細書に開示された具体的な構造及び機能的詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に本発明を様々に用いることを当業者に教示するための代表的な根拠として、特許請求の範囲についての根拠として解釈すべきである。以下で説明される方法及びシステムは、固体酸化物型燃料電池成分に適用するものであるが、原理的にはまた、液体スプレー法を採用する高生産性技術のいずれにも適用されるものである。
【００１８】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に用いる電極及び電解質材料の勾配アレイの高生産性製造及び評価を達成する組み合わせ化学手法を用いるシステム及び方法を提供する。本発明は、電極及び電極−電解質の組み合わせの性能を合成し最適化するシステム及び方法を提供する。以下に説明されるスプレー技術を用いてＳＯＦＣに必要な電極及び電解質材料を調べることができる。
【００１９】
１つの実施の形態において、本発明のシステム及び方法は、推進力に依存して異なる化学組成の勾配アレイを生成する液体スプレー技術の使用に基づくものである。本技術は、金属塩混合物又は金属塩混合物の組み合わせを基板上に均等に分配することを可能にする。複数のスプレー器／ネブライザにより塗布されると、３元、４元、又は他の勾配アレイのいずれかが生成されることになる。本発明のシステム及び方法は、基板に塗布された場合には、材料が焼結されると、物理的又は化学的特性を向上させることができる化学種の添加を可能にする。影響を受ける可能性がある物理的特性には、例えば、電気又はイオン伝導率、孔径、及び孔密度がある。
【００２０】
ここで図１を参照すると、本発明の１つの実施の形態において、ＳＯＦＣに用いる電極又は電解質材料の勾配アレイ１０２を製造するための液体スプレー／噴霧システムは、基板１０６の表面への送給に好適な複数の材料１０４（材料Ａ、Ｂ、及びＣが示される）を含む。複数の材料１０４は、反応性又は非反応性の基板１０６上で、又は該基板と共に又は基板内で作用する材料の区分的又は連続的な勾配アレイのいずれかを形成することができる。基板１０６に対し、及び互いに対して適切な角度で、複数の該液体送給装置１１０のノズル１０８を載置することにより勾配アレイ１０２が生成され、その結果、液体送給装置１１０のスプレープルームが重なり合い、所望の勾配混合物が形成される。
【００２１】
基板１０６は、剛性又は半剛性の表面を有する材料とすることができる。幾つかの実施の形態において、基板１０６の少なくとも１つの表面は、実質的に平坦である。基板１０６は、例えば、多孔性又は高密度イットリウム安定化ジルコニウム（「ＹＳＺ」）、グリーン・セラミック、プラスチックコート・セラミック、プラチナ金属、又はその種の他のものを含むことができる。基板の表面積は、特定用途の要件を満たすように設計される。好ましくは、基板１０６の表面積は、１ｃｍ2から５０ｃｍ2までの範囲であり、より好ましくは、３０ｃｍ2から４０ｃｍ2までの範囲である。ＳＯＦＣに使用する電極材料の評価においては、鉄クロム合金又はＬａＣｒＯ３あるいはプラチナ金属などの導電性セラミックを、アレイ電極として用いることができる。ＳＯＦＣに使用する電解質材料の評価においては、ＬａｘＳｒ１ｘＭｎＯ（３−ｄ）（「ＬＳＭ」）被覆鉄クロム合金、プラチナ金属、又はＬａＣｒＯ３を、アレイ電極として用いることができる。
【００２２】
基板上の所定領域は、特定の固体酸化物型燃料電池成分の被着のために使われるか、使われたか又は使われるのを意図される局所化された範囲である。所定領域は、使いやすい形状であればいずれの形状、例えば直線、円形、矩形、楕円形又は楔形を有するようにすることができる。その領域は、どの成分が基板１０６上のどの所定領域上に被着されたかを特定するのに用いることができるタグ又はバーコードなどのマーカによって識別することができる。表面積、領域数、及び所定領域の位置は、特定の用途に応じて決まる。
【００２３】
液体の形態で１つ又はそれ以上の材料を基板１０６の表面に送給するように作動する送給装置１１０は、該基板１０６の表面の上方に、又はこれと隣接して配置される。複数の送給装置１１０の各々は、ネブライザ、スプレー器、簡易型、又はプラズマ型、或いは当技術分野において公知の他のどのような液体スプレー器を含むことができる。送給装置１１０は正圧により作動して、１つ又はそれ以上の材料が、ノズル１０８を介して基板１０６の表面の方向に吐出される。送給装置１１０は、例えば図１に示すように、３元、４元、又は他の勾配アレイ１０２が生成されるように配置される。好ましくは、送給装置１１０は、基板１０６の表面に対して移動可能とし、これにより、１つ又はそれ以上の材料を、基板１０６の表面の特定の所定領域に送給できるようにする。任意ではあるが、これらの所定領域は、マスク１１２の複数の孔又は複数の開口の位置に対応させることができる。基板１０６上に被着された1つ又はそれ以上の材料は、ＳＯＦＣ成分の勾配アレイ１０２を形成する。
【００２４】
基板１０６は、マスク１１２の上に又は該マスクに隣接して配置することができる。マスク１１２は、典型的には、そこを貫通して配置された複数の孔（図示せず）或いはそこに配置された開口（図示せず）を有する、プレート、シート、フィルム、コーティング、又は同様な他のものを含む。複数の孔又は開口の各々は、例えば、実質的に円形、長楕円形、正方形、矩形、三角形、又はより複雑な形状とすることができる。マスク１１２は、複数の孔の各々を通過する材料が、基板１０６の表面の所定領域に接触するのを選択的に防止されるか又は遮蔽されるように、基板１０６の表面に隣接して配置される。
【００２５】
複数の材料１０４の各々の流量を液体送給装置１１０及び／又はノズル１０８に対して選択的に制御することにより、該複数の材料１０４の所定の組み合わせを形成することができる。従って、複数の材料１０４の所定の組み合わせは、スプレー制御及び基板の位置の関数として、区分的に又は連続的に異なるものとすることができる。
【００２６】
複数の材料１０４は、基板１０６の所定の領域の上に吹き付けられることにより、電極又は電解質材料の勾配アレイ１０２を形成する。このようにして、複数の材料１０４は、例えば、電解質材料によって分離された電極材料の区分的アレイ、電極材料の連続的アレイ、電解質材料の区分的アレイ、電解質材料の連続的アレイ、又はそのいずれかの組み合わせを形成することができる。勾配アレイは、カソード材料のアレイを含み、該カソード材料のアレイは、約７００ミクロンと２，０００ミクロンの間の直径で、約１，０００ミクロンの厚さである。
【００２７】
１つの実施の形態において、１つのスプレーノズル１０８は静止状態に保持することができるが、目標基板１０６は、プログラム可能なｘ−ｙステージ１１１を用いて、ｘ−ｙ座標空間で移動する能力を有する。２つ又はそれ以上の金属含有溶液に異なる供給速度を適用し、同時に、目標をｘ又はｙ方向のいずれかに動かすことによって、連続的な組成勾配を生成することができる。本実施形態は、高真空装置を用いることなく、濃度及び組成が制御されかつ連続的な変化をもった薄膜合成を可能にする。
電極及び電極−電解質の組み合わせの性能に影響する特性のいずれかである。
【００２８】
電解質の調査については、マスクを使用しない手法を用いることができる。この実施の形態においては、分解可能な基板により勾配付き固体の形成を可能にする。セラミック基板の一方の面に金属をスパッタリングすることにより共通電極が生成され、マスク１１２を用いて、他方の面に区分的金属端子のアレイをスパッタリングすることにより、電気化学的な特徴付けのために２電極間の組成スポットが絶縁される。カソード材料については、区分的又は連続的勾配混合物のいずれかをアノード−電解質基板に吹き付けることによって、同様の手法を実行することができる。アノードが各セルに一般共用部を提供すると共に、金属端子は、マスク１１２を用いてカソード材料上にスパッタリングすることができる。こうした設計により、燃料含有条件下にある材料の電気化学的評価が可能になる。
【００２９】
複数の材料１０４は、ＳＯＦＣ成分すなわち基板１０６に被着された個々の物質を含む。この成分が、互いに作用して特定材料を生成することができる。成分は、熱輻射などの外部エネルギー源と相互に又は一緒に直接的に反応させることができる。基板１０６に存在するか又はその成分に添加された追加の材料あるいは化学物質もまた、その成分に作用することができる。成分は、層、配合物、混合物、又はそれらの組み合わせを形成する。複数の材料１０４は、例えば、金属酸化物、金属炭酸塩、金属塩及び同等のもののような基板１０６の表面に、所定の金属イオン、金属陽イオン、金属イオンの組み合わせ、及び／又は金属陽イオンの組み合わせを提供するのに好適な複数の材料を含むことができる。複数の材料１０４は、構造的多様性のための有機結合剤又はポリマーと共に、バルク目的及びドーパント目的のための金属を含む金属溶液を含むことができる。当業者に公知の他の適当な材料もまた、電極と電解質の両方に用いることができる。複数材料１０４は、コーティング及び／又は濾過処理を増強する結合剤及び／又はキャリア材料を更に含むことができる。
【００３０】
基板１０４の既定領域上に被着されてきた成分又は成分の組み合わせは、勾配アレイの形態の成分の層、配合物又は混合物を含む。混合物における成分の各々は、単独で変えることができる。混合物は２つ又はそれ以上の物質を含む。勾配アレイの生成された材料は、それらの相対的性能を求めるために、特定の特性又は特徴についてスクリーニングされる。
【００３１】
任意的ではあるが、基板１０６を部分的に焼結することができる。ＳＯＦＣに用いる電極又は電解質材料の勾配アレイ１０２を製造するためのシステムはまた、電極又は電解質材料のアレイを加熱する温度制御装置を含み、これにより該電極又は電解質材料のアレイを焼結して、ＳＯＦＣの評価前にどのような結合剤及び／又はキャリア材料をも除去できるようにする。金属塩混合物の焼結は、吹き付けと一緒にその場で行うことができるが、しかしながら、ほとんどの場合においては、吹き付け後の焼結が必要になる。
【００３２】
別の例示的な実施の形態においては、電気活性材料のアレイは上述のように形成することができる。しかしながら、焼結前でかつ組成のドーピング前後に、関心あるスポットの微細構造の変化に影響を与える試みとして、混和剤を、そのスポットに添加することができる。例えば、焼結後に気孔性又は充填密度の可変的制御を可能にする物質を添加することができる。このことは、小スケールでの組成制御及び微細構造制御の両方を可能にする。微細構造、組成、及び材料性能間の関係は、このようにして明らかにされ、迅速に最適化することができる。
【００３３】
ここで図２を参照すると、本発明のシステムは、提示された実施例において、総合的にＳＯＦＣ成分を基板１０６の表面に送給して区分的又は連続的な組成勾配アレイの材料を形成することができる複数の液体スプレー装置内に配置された複数の材料Ａ２０２、Ｂ２０４、Ｃ２０６を含む。図示されるように、個々の材料及び材料の組み合わせの領域が生成される。上述のように、複数の材料は、例えば、複数の不溶性金属酸化物、金属炭酸塩、アンモニウムスラリー、又は同様のものとすることができる。任意的ではるが、複数の材料は更に、複数の結合剤及び／又は分散剤を含むことができる。組成勾配アレイは、基板１０６又は液体スプレー装置のいずれかと連結して作用するプログラム可能なｘ−ｙステージ又は同様のものを用いて空間的に実現することができる。ｘ−ｙステージは更に、複数の材料の組み合わせ被着速度を基板１０６の移動速度と調和させることができる。区分的組成は、ｘ−ｙステージと流れの調和を中断することによって生成することができる。
【００３４】
本発明のシステム及び方法は多成分組成セルの生成を説明するものであり、これはＳＯＦＣに用いるのに好適なカソード及びアノード材料の迅速な検査を可能にする。均質材料のアノードを共通するカソード材料と共に吹き付けることによって、多成分組成セルの異なる領域が計測され、かつ領域を性能について評価することができる。組成に対する性能は、多チャンネル又は多電極分析器を用いて、迅速に求めることができる。
【００３５】
好ましくは、ＳＯＦＣに用いる電極又は電解質材料のアレイを評価するためのシステムはまた、本明細書では１つ又はそれ以上のサンプリング機構１１６と呼ばれる１つ又はそれ以上のリード線、プローブ、センサ、又は同様なものを介して、基板１０６の複数領域の各々に作動的に連結された試験装置１１４を含む。試験装置１１４は、１つ又はそれ以上のサンプリング機構１１６からデータを収集し、任意的にコンピュータ１１８と組み合わせて、勾配アレイ１０２の各部材の相対的性能を評価し比較する。試験装置１１４及びコンピュータ１１８は、アレイ部材１０２の各々から直列又は並列にサンプリングできる多チャネル型電気化学的ワークステーションを含むことができる。ＳＯＦＣに用いる電極材料の評価のために、電気抵抗、過電圧、分極電流、又は同様なものを測定、評価、及び比較することができる。同じ材料特性について、個々の材料の各々をスクリーニングし、又は問い合わせるすることができる。例えば、過電圧は、定電流法を用いて測定することができる。分極電流は、定電圧法を用いて測定することができる。ＳＯＦＣに用いる電解質材料の評価のためには、交流（「ＡＣ」）インピーダンス分析器、ポテンシオスタット、又は同様なものを用いて、イオン抵抗、開回路電圧、又は同様なものを測定し、評価し、比較することができる。好ましくは、イオン抵抗の測定に関して、これは、単一周波数での電気化学的インピーダンス分光法を用いて測定される。電極、電解質、及びＳＯＦＣの性能に関する他の測定、評価、及び比較手段及び技術は、当業者には公知であり、本発明のシステム及び方法と共に実施することができる。こうした手段及び技術はまた、電極、電解質、又はＳＯＦＣのアレイを周辺環境から隔離することができる環境制御装置と共に実施することができる。一旦スクリーニングされると、個々の材料は、調査中の材料特性に関して、順位付けされるか又は他の方法で互いに関連させて比較することができる。
【００３６】
本発明の更に別の実施の形態においては、ＳＯＦＣに用いる電極又は電解質アレイを製造し評価する方法は、基板の表面への送給に好適な複数の材料を準備することを含む。上述のように、複数の材料は、勾配アレイの形態で基板表面上に勾配コーティングを形成することができ、或いは、基板に浸透させて、評価に適う電極又は電解質材料のアレイを形成することもできる。複数の材料は、基板の複数領域の各々の化学組成及び／又は物理的微細構造を選択的に変えることによって、電極又は電解質材料のアレイを形成することができる。
【００３７】
複数の材料を基板の表面に送給するために、互いに及び該基板１０６に対して所定の角度に配置された複数の液体送給装置１１０を用いて、該材料が基板上に吹き付けられる。３元又は４元パターンのような所望の勾配アレイのパターンが得られるように、装置１１０を位置付けることができる。上述のように、送給装置１１０は、例えば、ネブライザ又は液体スプレー装置を含むことができる。好ましくは、送給装置１１０は、移動可能なステージなどの使用を通じて、送給装置を動かすか又は基板を動かすかのいずれかにより、基板１０６の表面に対して移動可能である。複数の材料の所定の組み合わせは、基板の位置の関数として区分的に又は連続的に異なるものとすることができる。
【００３８】
一般に、材料のアレイは、ＳＯＦＣ成分を基板１０６の所定の領域に送給することにより準備される。１つの実施の形態においては、例えば、第１の成分が基板上の第１の所定領域に送給され、第２の成分が同じ基板上の第２の所定領域に送給され、第３の成分が同じ基板の第３の所定領域に送給される。このプロセスは、アレイが完成するまで、追加成分（例えば、第４、第５などの成分）及び／又は他の材料（例えば、第４、第５などの材料）について継続する。更に別の実施の形態においては、アレイは、前述のようにして形成されるが、様々な成分が基板１０６に送給された後に、その成分を相互作用可能な状態にするか又は相互作用させる処理工程が実行されて、層、配合物、混合物、及び／又は成分間の反応で生じる材料を形成する。更なる実施の形態においては、２つ又はそれ以上の成分が、並列送給技術を用いて基板上の既定領域に送給され、その結果、その成分は、基板１０６に接触する前に、相互に作用することができる。成分の各々は、均一又は勾配形態のいずれかで送給され、単一化学量、又はその代わりに、単一の既定領域内に多くの化学量を生成することができる。
【００３９】
一般的に、組み合わせの形態で成分を基板１０６に塗布するために、物理的なマスキング・システムを様々な被着技術と組み合わせて用いて、基板１０６上の所定位置に結果として得られる材料のアレイを生成することができる。成分材料のアレイは、通常は、基板１０６を横切る厚さが異なるものである。成分は、例えば、気体、液体、又は粉体の形態で基板１０６に分配することができる。好適な被着技術は、限定するものではないが、スパッタリング、スプレーコーティング、及び区分的な液体分配技術（例えば、ピペット、注射器など）を含む。更に、こうした分配システムは、手動にすることも、或いは、代替的には、例えばロボット技術を用いて自動化することもできる。
【００４０】
ＳＯＦＣのための材料合成においては、化学組成及び微細構造の両方ともが重要な変数である。本発明の方法及びシステムを用いて勾配アレイ１０２を生成することは、組成ライブラリの複製を促進し、このようにして、多くの変数及び微細構造の制御による処理の機会が実現可能になる。アレイの複製は、多くの複合処理変数についての調査を可能にする。所与のアレイにおける個々の組成は、多プローブ機器を用いて様々な温度での過電圧を監視することによって、酸素存在中における導電性について、及び触媒作用について試験を行うことができる。これに続く結果は、性能測定値に基づく組成及び処理の順位付けを可能にする。有望な結果を持つ材料は、物理的な微細構造と性能とを関連付けるために、微細ＸＲＤ、ＸＲＦ、及びＴＯＦ−ＳＩＭＭＳを用いて、更に特徴付けることができる。
【００４１】
本発明のシステム及び方法によると、固体酸化物型燃料電池に用いる電極又は電解質材料のアレイの製造及び評価のための高生産性技術が提供されたことは、明らかである。本発明のシステム及び方法は、好ましい実施の形態及びその実施例を参照して説明されたが、他の実施の形態及び実施例も同様の機能を果たすことができ、及び／又は同様の結果を達成することができる。特許請求の範囲に示された参照番号は、本発明の範囲を狭めるものではなく、それらを容易に理解することを意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の例示的な実施の形態により、固体酸化物型燃料電池成分の性能を試験するための勾配アレイを生成するスプレー／噴霧システムの概略図。
【図２】本発明の例示的な実施の形態による勾配アレイを示す概略図。
【符号の説明】
【００４３】
１０２  勾配アレイ
１０４  材料
１０６  基板
１０８  ノズル
１１０  液体送給システム
１１１  ｘ−ｙ移動ステージ
１１２  マスク
【図１】
2004288613.tif 000003
【図２】
2004288613.tif 000004
【外国語明細書】
2004288613000001.pdf