(57)【要約】【課題】  本発明は、一般に液体クロマトグラフィ分野に関する。【解決手段】  固体酸化物型燃料電池用の電極及び電解質の材料性能の高生産性製造及び評価のためのシステム及び方法である。システムは、基板（１０６）と、２つ又はそれ以上の固体酸化物型燃料電池成分の流量を同時に制御できる自動サンプラと、送給装置と、質量流量コントローラ（１２４）と、ｘ−ｙ移動ステージ（１２６）と、システムを制御できるマイクロプロセッサを含む。方法は、試料ライブラリを準備し、多成分組成混合物が形成される液体クロマトグラフィ・システム（１０２）に所望量の試料を連続的に及び制御しながら供給し、多成分組成混合物を共通ネブライザに逐次的に充填し、多成分組成混合物を基板（１０６）の表面上に逐次的及び分配的に吹き付け、基板（１０６）上で反応させられた混合物の区分的又は連続的な勾配アレイを形成し、固体酸化物型燃料電池に使用するために混合物の性能を評価することを含む。【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成分の勾配混合物の製造及び評価のためのシステムであって、
基板（１０６）と、
２つ又はそれ以上の溶液流量を同時的及び継続的に制御するように作動する液体クロマトグラフィ機器（１０８）と、
試料ライブラリから選択された試料を逐次的及び分配的に前記勾配混合物に注入するように作動して多成分組成材料を形成するための注入システム（１２２）と、
前記勾配混合物を前記基板（１０６）に送るように作動する送給装置と、
を含むシステム。
【請求項２】
前記送給装置、前記基板（１０６）又はその両方のｘ−ｙ方向移動を生じるように作動するｘ−ｙ移動ステージ（１２６）を更に含み、前記ｘ−ｙステージの移動が、前記基板（１０６）への前記勾配混合物の送給と調和されている請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
区分的又は連続的な勾配組成を生成するように働くマスク（１１２）を更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
開／閉によって前記混合物が前記基板（１０６）上に吹き付けられることを選択的に可能／阻止するように作動するシャッタ（１１８）を更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記液体クロマトグラフィ機器（１０８）、前記注入システム（１２２）、前記送給装置、前記ｘ−ｙ移動ステージ（１２６）、前記マスク（１１２）、前記シャッタ（１１８）、及び温度制御型加熱ブロック（１２８）のうち、少なくとも１つの機能を制御するように作動する汎用プロセッサを更に含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記注入システム（１２２）が自動サンプラを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記送給装置が、超音波ネブライザ（１１０）、フレームデポジションのための超音波ネブライザ（１１０）、又はスプレー器を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記勾配混合物が、電極材料、電解質材料、金属、非金属、可溶性金属塩、有機結合剤、及びポリマーを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記基板（１０６）が、反応型基板、非反応型基板、多孔性基板、非多孔性基板、焼結基板、非焼結基板を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
基板（１０６）と、
同時に２つ又はそれ以上の固体酸化物型燃料電池成分の流量を制御するように作動し、更に試料ライブラリから選択された試料を逐次的及び分配的に勾配混合物へ注入するように作動する、多成分組成材料を形成するための自動サンプラと、
前記勾配混合物を前記基板（１０６）に送ることができる送給装置と、
前記基板（１０６）への前記勾配混合物の流れを制御するように作動できる質量流量コントローラ（１２４）と、
前記基板（１０６）、前記送給装置、又はその両方のｘ−ｙ方向移動を生じるように作動するｘ−ｙ移動ステージ（１２６）と、
前記自動サンプラ、前記送給装置、前記質量流量コントローラ（１２４）、及び前記ｘ−ｙ運動ステージ（１２６）の機能を制御するためのマイクロプロセッサと、
を含むシステム。
【請求項１１】
固体酸化物型燃料電池成分の勾配混合物の製造及び評価のための方法であって、
自動サンプラを用いて試料ライブラリから固体酸化物型燃料電池の成分材料を同時にかつ制御しながら供給して、多成分組成混合物を形成し、
自動サンプラを用いて試料ライブラリからの固体酸化物型燃料電池の成分材料を制御し、制御しながら供給して、多成分組成混合物を形成し、
質量流量コントローラ（１２４）を用いて前記多成分組成混合物の流れを制御し、
送給装置を用いて前記流れを基板（１０６）上に吹き付け、
組成勾配アレイを生成し、
固体酸化物型燃料電池に使用するために前記多成分組成混合物の性能を評価する、
ことを含む方法。
【請求項１２】
前記多成分組成混合物が、電極材料、電解質材料、金属、非金属、可溶性金属塩、有機結合剤、及びポリマーを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
マスク（１１２）と、開／閉によって前記多成分組成混合物が前記基板（１０６）上に吹き付けられることを選択的に可能／阻止するように作動するシャッタ（１１８）とを用いて、区分的又は連続的な勾配組成を生成することを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記多成分組成混合物を前記基板（１０６）に塗布した後に、前記基板（１０６）及び前記多成分組成混合物を焼結することを更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
プログラム可能なｘ−ｙ移動ステージ（１２６）を用いて前記基板（１０６）及び前記送給装置のｘ−ｙ移動を制御することを更に含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記送給装置が、超音波ネブライザ（１１０）、フレームデポジションのための超音波ネブライザ（１１０）、又はスプレー器を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
プログラム可能な汎用プロセッサを用いて、前記自動サンプラ、前記質量流量コントローラ（１２４）、前記送給装置、及び前記ｘ−ｙ移動ステージ（１２６）の機能を制御することを更に含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
固体酸化物型燃料電池のための電極及び電解質の材料性能の製造及び性能評価のための方法であって、
前記固体酸化物型燃料電池を製造するために用いられる電極材料、電解質材料、金属、非金属、可溶性金属塩、有機結合剤、ポリマー、その他いずれかの成分を含む試料ライブラリを準備し、
多成分組成混合物が形成される液体クロマトグラフィ・システム（１０２）に所望量の試料を連続的にかつ制御しながら供給し、
前記多成分組成混合物を共通のスプレー器に逐次的に充填し、
スプレー装置を用いて、前記多成分組成混合物を基板（１０６）の表面上に逐次的かつ分配的に吹き付け、
前記基板（１０６）上で反応した混合物の区分的又は連続的な勾配アレイを形成し、
前記固体酸化物型燃料電池に使用するために混合物性能を評価する、
ことを含む方法。
【請求項１９】
ｘ−ｙ移動ステージ（１２６）を用いて前記基板（１０６）及び前記スプレー装置を移動させて位置決めすることを更に含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スプレー装置が、超音波ネブライザ（１１０）、フレームデポジションのための超音波ネブライザ（１１０）、又はスプレー器を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
マスク（１１２）と、開／閉によって前記混合物が前記基板（１０６）上に吹き付けられることを選択的に可能／阻止するシャッタ（１１８）とを用いて、前記混合物の区分的又は連続的な勾配組成を形成することを更に含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記多成分組成混合物を前記基板（１０６）に塗布した後に、前記基板（１０６）及び前記多成分組成混合物を焼結することを更に含む請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に液体クロマトグラフィ分野に関する。より具体的には、本発明は、改良型液体クロマトグラフィ機器を用いる固体酸化物型燃料電池成分の製造及び測定のための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、処理条件及び同様な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の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、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。
【００１３】
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アレイの製造及び評価のための方法は、基板表面への送給に好適な複数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。
【００１４】
別の実施の形態においては、例えば、複数の成分が、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）機器のチューブ内で混合される。成分は幾つでも加えることができ、その成分の勾配流れは、ＬＣソフトウェアを用いて達成することができる。更に別の実施の形態においては、勾配流れは、前記したように形成されるが、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。
【００１５】
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流れを生成することは、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。
【００１６】
更に別の実施の形態においては、本発明は、固体酸化物型燃料電池成分の勾配混合物の製造及び評価のためのシステムを提供する。このシステムは、基板と、２つ又はそれ以上の溶液流量を同時的及び連続的に制御するように作動する液体クロマトグラフィ機器と、試料ライブラリから選択された試料を逐次的及び分配的に勾配混合物に注入するように作動する多成分組成材料を形成するための注入システムと、勾配混合物を基板に送るように作動する送給装置とを含む。
【００１７】
更に別の実施の形態においては、このシステムは、送給装置又は基板、或いはその両方に連結され、その移動が基板への勾配混合物送給と調和されたｘ−ｙ移動ステージと、区分的又は連続的な勾配組成を生成するように作用するマスクと、開／閉によって混合物が基板上に吹き付けられることを選択的に可能／阻止するように作動するシャッタと、液体クロマトグラフィ機器、注入システム、送給装置、ｘ−ｙ移動ステージ、マスク、シャッタ、及び温度制御型加熱ブロックのうち少なくとも１つの機能を制御するように作用する汎用プロセッサとを更に含む。
【００１８】
更に別の実施の形態においては、本発明は、基板と、同時に２つ又はそれ以上の固体酸化物型燃料電池成分の流量を制御し、試料ライブラリから選択された試料を逐次的及び分配的に勾配混合物に注入するように更に作動する、多成分組成材料を形成するための自動サンプラと、勾配混合物を基板に送るように作動する送給装置と、基板への勾配混合物の流れを制御するように作動する質量流量コントローラと、基板又は送給装置のいずれかに取り付けられたｘ−ｙ移動ステージと、自動サンプラ、送給装置、質量流量コントローラ、及びｘ−ｙ移動ステージの機能を制御するためのマイクロプロセッサとを含むシステムを提供する。
【００１９】
更に別の実施の形態においては、本発明は、固体酸化物型燃料電池のための電極及び電解質の材料性能の製造及び評価のための方法を提供する。この方法は、固体酸化物型燃料電池を製造するために用いられる電極材料、電解質材料、金属、非金属、可溶性金属塩、有機結合剤、ポリマー、その他いずれかの成分を含む試料ライブラリを準備し、多成分組成混合物が形成される液体クロマトグラフィ・システムに所望量の試料を継続的にかつ制御しながら供給し、多成分組成混合物を共通のスプレー器に逐次的に充填し、スプレー装置を用いて多成分組成混合物を基板表面上に逐次的及び分配的に吹き付けて、基板上で反応した混合物の区分的又は連続的な勾配アレイを形成し、固体酸化物型燃料電池に使用するために混合物の性能を評価することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。図面全体を通して、同一要素には同一符号が付与される。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材料に適用するものであるが、原理的にはまた、液体クロマトグラフィ機器類等を用いるどのような高生産性スクリーニング技術にも適用されるものである。
【００２２】
様々な実施の形態において、本発明のシステム及び方法は、水素フレームへの噴霧化又は可溶性金属塩混合物、少量の有機あるいはポリマー溶液の噴霧化に基づいて、基板上で、基板と共に、又は基板内で反応した材料の区分的又は連続的な勾配アレイを形成する。組成勾配は、２つ又はそれ以上の溶液流量を同時に制御することができる液体クロマトグラフィ機器（ＬＣ）を用いて形成される。これは、材料のバルクを形成する可溶性金属塩の量及び比率を制御する能力を与え、且つ広範囲な組成が継続的に生成されることを可能にする。ＬＣ機器の自動サンプラを利用して、他の成分の混合物、金属又は非金属を勾配流れに注入し、多成分組成材料を形成することができる。付加的成分は、電気又はイオン伝導性、孔径及び孔密度などの物理的又は化学的特性を高めることができる。本発明の方法及びシステムによってＳＯＦＣ材料を作るための使い易い高速化方法は、組成ライブラリの複製化、したがって、多くの変数によって処理する機会及び微細構造制御のために別の寸法を可能にする機会を促進する。
【００２３】
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に用いる電極及び電解質材料の組成勾配の製造のためのＬＣシステム１０２は、試料基板１０６の表面への送給に好適な複数の材料１０４（材料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが示される）を含む。この複数の材料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。組成アレイは、２つ又はそれ以上（４つが示されている）の溶液流量が同時に制御されるＬＣ機器１０８を用いて形成される。
【００２４】
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。基板は、反応性又は非反応性、及び多孔性又は非多孔性とすることができる。基板１０６は、異なるＳＯＦＣ材料についての試験領域の間に物理的間隔を備えるものとすることができる。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。
【００２５】
基板上の所定領域は、特定の固体酸化物型燃料電池混合物の被着形成のために使われるか、使われたか又は使われること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。この領域は、どの混合物が基板１０６上のどの所定領域上に被着形成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めることができる。
【００２６】
成分混合物を基板表面に送給することができるＬＣ機器１０８は、基板１０６の表面の上方、又はこれと隣接して配置される。固体材料を形成するために、液体混合物は、超音波ネブライザ１１０又は静電気力を用いてエアゾール化され、加熱した基板１０６上に吹き付けることができる。様々な実施の形態において、ネブライザ又はスプレー器、簡易型、プラズマ型、水素フレーム型スプレー器、又は当該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用いてもよい。スプレー器は、注射器、ピペット、マイクロディスペンサ、液体コーティング装置、スピンコーティング装置、浸漬コーティング装置、細長いコーティングヘッド、粉末コーティング装置、気相コーティング装置、濾過装置、あるいは当業者に公知の他のいずれかの分配又はコーティング装置などの送給装置を含むことができる。超音波ネブライザ１１０は、材料の区分的又は連続的な勾配アレイが生成されるような、例えば、図１に示される方法で配置される。１つの実施の形態において、勾配アレイは、被着方法として水素フレームを用いて形成される。好ましくは、超音波ネブライザ１１０は、基板１０６の表面に対して移動可能とし、それにより、１つ又はそれ以上の混合物を、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上に被着された材料混合物は、ＳＯＦＣ成分のアレイ１０２を形成する。
【００２７】
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。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。基板１０６は、マスク１１２の下部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、ホルダ１１４に支持されたプレート、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。勾配が既知である場合には、マスクは、そのシステムに必要な構成要素ではない。マスクは、そこを貫通して配置された１つ又はそれ以上の孔１１６、或いはそこに配置された開口を含む。一実施例において、孔は約１ｍｍの直径を有するものとすることができる。１つ又はそれ以上の孔１１６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。シャッタ１１８は、超音波ネブライザ１１０とマスク１１２との間に配置することができる。シャッタは、開／閉によって混合物が基板１０６上に吹き付けられることを選択的に可能／阻止する機械的装置である。
【００２８】
材料（例えばＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤ）の所定の組み合わせは、実際の分配即ち送給に先立ち、ＬＣ機器１０８において混合される。混合は、ＬＣ機器１０８の複数のチューブ１２０（１つのチューブが図１に示される）内で行うことができる。基板１０６の表面に送給されるのに先立ち、複数の材料１０４すなわち前駆体成分は、複数のチューブ内で混合するか又は混合装置を用いて混合することができる。混合装置は、１つ又はそれ以上のバッフルを組み込んだ１つ又はそれ以上のチューブ、可変速型ロータリ・ミキサ、スクリュー・ミキサ、超音波ミキサ、又は同様なものを含むことができる。
【００２９】
１つの実施の形態による図１を参照すると、本発明のＬＣシステム１０２は、試料ライブラリから選択された試料を勾配流れに逐次的及び分配的に注入し、多成分組成材料を形成する自動サンプラなどの試料注入システム１２２を含む。自動サンプラは、構造的に異なるものを形成するために金属、非金属、有機結合剤、及びポリマーの混合物を注入するのに用いることができる。予め混合されたガラス瓶は、勾配への効果を検討するためにドープされた物質又はポリマーを収めることができる。図１を参照すると、ほぼ１００の試料が示されるが、注入システム１２２は、様々な設計及び構成にすることができ、どのような試料数を含むことができる。注入システム１２２は、ウェル（ｗｅｌｌ）、すなわち試料ガラス瓶のアレイを含むことができる。試料の流量は同時に制御される。このことにより、混合物の残余を形成する他の成分のみならずバルク成分ついての量及び比率を制御する能力が与えられる。試料注入システム１２２は、注入器及びマルチポート切換弁を含むことができる。注入器は、マルチポート切換弁を介して圧力を受け、混合チューブ１２０及び超音波ネブライザ１１０又は他のスプレー器に供給される勾配流れに対して試料を注入するための推進力を提供する。マルチポート切換弁により、勾配流れに試料を順次的に分配することが可能になる。注入器及びマルチポート切換弁は、別々の構成要素又は単一の構成要素にすることができる。
【００３０】
勾配流れへの試料注入は、当該技術分野において公知のいかなる手法でも行うことができる。試料はまた、注入される前に準備段階を必要とすることもできる。準備段階は、注入前に、加熱、冷却、及び他の試料との混合を含むことができる。一実施例では、１度に１つの試料のみが注入器に引き込まれる。この１つの試料は、次の試料を注入器に引き込む前に勾配流れに注入される。しかしながら、第２の実施例においては、２つ又はそれ以上の試料が順次的に注入器内に吸引されて混合され、これにより、２つ又はそれ以上の試料が同時に注入器内にあるようにすることができる。注入システム１２２の柔軟性は、どのような種類の試料の組み合わせも可能にし、かつ勾配流れへの１つ又はそれ以上の試料の速やかな導入を行うこともできる。
【００３１】
注入システム１２２は、手動又は自動で制御することができる。例えば、金属試料は、注射器型機器によって試料ライブラリから手動で取り出し、勾配流れを含むチューブ１２０に手動で送給することができる。自動システムにおいては、試料選択又は送給などのシステム機能の一部が自動的に実行される。溶剤濃度は、増大、安定保持、低下、又は他のどのような機能を実行するようにもプログラムすることができる。好ましくは、試料及び適切な測定値を迅速かつ正確に選択するために、試料は、自動サンプラによるなどの完全自動化方式で、それぞれのガラス瓶から取り出され、送給される。自動サンプラのマイクロプロセッサは、自動サンプラに試料を試料ガラス瓶から取り出し注入器に入れるようにさせ、次に、試料を勾配流れチューブ１２０に注入するため注入器をポートへ配向するようにプログラムすることができる。１つの実施の形態において、自動サンプラは、順番に、試料のライブラリの各々のガラス瓶から自動的にサンプリングするようにプログラムすることができる。好ましくは、自動サンプラのマイクロプロセッサはユーザインタフェースを含み、様々なサンプリング・プロトコルを可能にするようにプログラムすることができる。自動サンプラはまた、手動で制御することもできる。
【００３２】
２つ又はそれ以上の溶液の溶液流量は、質量流量コントローラ１２４を用いて同時に制御することができる。溶液流量は、ＬＣ機器類に設置された定量ポンプを用いて制御することができる。噴霧化、反応、及びフレームのための気体はいずれも、質量流量コントローラ１２４を用いて制御することができる。質量流量コントローラ１２４は、材料のバルクを形成する可溶性金属塩の量及び比率、並びに残部を構成する注入システム１２２からの材料を制御する能力を与える。更に、質量流量コントローラ１２４は、広範囲の組成が継続的に生成されることを可能にする。
【００３３】
好ましくは、超音波ネブライザ１１０は、プログラム可能なｘ−ｙステージ１２６又は同様なものの使用を通じて、ネブライザ１１０を動かすか又は基板１０６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。溶液を含む２つ又はそれ以上の金属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。連続的な勾配は、ｘ−ｙステージ１２６を用いること及び流れを移動速度と調和させることによって、空間的に実現することができる。区分的組成は、ｘ−ｙステージ１２６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。これは、様々なマスキング技術によって、又は所望組成が現れるまで流れを分離することによって、達成することができる。
【００３４】
基板底面に隣接して配置された温度制御された加熱ブロック１２８は、電極又は電解質材料のアレイを焼結し、ＳＯＦＣの組み立て及び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。セラミックの場合には、高温が望ましい。加熱ブロック１２８とｘ−ｙステージ１２６との間に配置された絶縁体１３０は、ｘ−ｙステージ１２６を熱から保護する。加熱ブロック１２８は温度制御装置を含む。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、ほとんどの場合、吹き付け後の焼結が必要になる。
【００３５】
本発明の方法及びシステムは、ＳＯＦＣ用の電極及び電解質材料の両方のための材料を調べるために用いられる。複数の材料１０４は、基板１０６上に電極又は電解質材料の勾配アレイを形成する。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。
【００３６】
電極及び電解質混合物は、混合物の対象となる特性を特徴付けることによって、又は、ジルコニウム（Ｚｒ4+）、イットリウム（Ｙ3+）、ニッケル（Ｎｉ2+）、スカンジウム（Ｓｃ2+）などの成分の対象となる特性を特徴付けることによって選択される。１つの実施例においては、特性は、ある期間にわたり且つ混合物組成の百分率として検出され、それにより、特性における多様性が観察及び検出され、更に特性における多様性の変化率が観察及び検出される。対象となる特性は、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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又は化学物質もまた、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。複数の材料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。
【００３９】
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。
【００４０】
別の例示的な実施の形態において、電気活性材料のアレイは、上記のようにして形成することができる。しかしながら、焼結前で且つ組成のドーピング前後に、対象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、焼結後に空隙率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。
【００４１】
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。
【００４２】
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を含む。試験装置は、１つ又はそれ以上のサンプリング機構からデータを収集し、任意的にコンピュータと組み合わせて、勾配アレイの混合物の各々の相対的性能を評価し比較する。試験装置及びコンピュータは、アレイ部材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、当業者にはとって公知であり、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。
【００４３】
１つ又はそれ以上のマイクロプロセッサは、本発明のＬＣシステムのあらゆる態様を自動化し、制御するために採用することができ、これは、ＬＣ機器１０８、混合チューブ１２０、注入システム１２２、質量流量コントローラ１２４、超音波ネブライザ１１０、シャッタ１１８、マスク１１２、ｘ−ｙステージ１２６、温度制御型加熱ブロック１２８、試験設備、センサ、組成勾配、温度勾配、試料選択、試料準備、その他どのような操作又はシステム構成要素をも含む。
【００４４】
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】
【００４５】
【図１】本発明の１つの例示的な実施の形態によるＳＯＦＣ成分を調べるための液体クロマトグラフィ（ＬＣ）システムの概略図。
【符号の説明】
【００４６】
１０２：液体クロマトグラフィ・システム
１０４：複数の材料
１０６：基板
１０８：液体クロマトグラフィ機器
１１０：超音波ネブライザ
１１２：マスク
１１８：シャッタ
１２０：混合チューブ
１２４：質量流量コントローラ
１２６：ｘ−ｙステージ
１２８：温度制御型加熱ブロック
【図１】
2004288612.tif 000003
【外国語明細書】
2004288612000001.pdf