(57)【要約】【課題】  様々な作用応力に耐え、且つ／又はそれを最小にし得る燃料電池、より低い温度で作動し得る燃料電池、並びに温度に関連する大きな応力を生じさせない燃料電池が必要とされている。【解決手段】  第１の粗細孔領域と第２の粗細孔領域との間に微細孔領域が配置された不活性支持体からなる燃料電池を開示する。例示的な燃料電池は、微細孔領域に配置された電解質材料と、第１の粗細孔領域に配置された第１の電極材料と、第２の粗細孔領域に配置された第２の電極材料とからなる。他の装置及び／又は方法も開示する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
細孔を有する不活性支持体であって、第１の粗細孔領域と第２の粗細孔領域の間に配置されている微細孔領域を有する不活性支持体と、
前記微細孔領域に配置されている電解質材料と、
前記第１の粗細孔領域に配置されている第１の電極材料と、
前記第２の粗細孔領域に配置されている第２の電極材料と、
からなる燃料電池。
【請求項２】
前記第１の電極材料が、金属及び／又は金属酸化物からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の電極材料が、二次的な空隙を有する還元された金属酸化物からなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
任意の前記細孔領域の細孔構造が、前記不活性支持体内の任意の前記材料の移動性を制限し且つ熱膨張を制限するように選択される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
固体酸化物燃料電池電解質をさらに包含する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
多孔質非対称不活性支持体内に電解質材料を付着させて、前記多孔質非対称不活性支持体の少なくともいくつかの細孔を閉塞させるステップと、
前記電極材料のうちの少なくともいくつかが前記電解質材料と接触するように、前記多孔質非対称不活性支持体内に電極材料を付着させるステップと、
前記多孔質非対称不活性支持体、前記電解質材料及び前記電極材料を焼結して、稠密電解質層及び多孔質電極を製造するステップと、
を包含する方法。
【請求項７】
前記電極材料を還元して前記多孔質電極の空隙率をさらに大きくするステップをさらに包含する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記多孔質非対称不活性支持体内に第２の電極材料を付着させるステップをさらに包含する請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記多孔質非対称不活性支持体内の前記第２の電極材料を焼結する第２の焼結ステップをさらに包含し、前記第２の焼結ステップが、前記第１の焼結ステップよりも低い温度を使用する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記稠密な電解質層が、約３μｍより薄い厚さを有する請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
不活性支持体の２つの粗細孔領域間に配置されている微細孔領域に配置された電解質を介してイオンを伝導させるステップと、
前記伝導したイオンを燃料と反応させて電位を生成するステップと、
を包含する方法。
【請求項１２】
前記不活性支持体の前記粗細孔領域のうちの１つに配置されている電極材料からなる電極を介して前記燃料を供給するステップをさらに包含する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料を供給するステップの前に、前記電極材料を焼結又は還元して前記電極材料の空隙を大きくするステップをさらに包含する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
燃料電池に使用する不活性支持体を選択する方法であって、
空気極と電解質の熱膨張の許容範囲を決定するステップと、
燃料極内電極材料の凝集の許容範囲を決定するステップと、
前記熱膨張の許容範囲と前記凝集の許容範囲の少なくとも一部分に基づいて不活性支持体を選択するステップと、
を包含する方法。
【請求項１５】
前記選択するステップが、非対称細孔構造を選択するステップを包含する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記凝集の許容範囲が、少なくとも部分的に凝集速度に依存する請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
燃料電池に使用するフレーム及び不活性支持体を製造する方法であって、
前記不活性支持体の微細孔領域用の第１の粉末を選択するステップと、
前記不活性支持体の粗細孔領域用の第２の粉末を選択するステップと、
フレーム用の第３の粉末を選択するステップと、
不活性支持体未加工体領域及びフレーム未加工体領域を有する未加工体を形成するステップと、
前記燃料電池の前記フレーム及び前記不活性支持体を製造するために前記未加工体を焼結するステップと、
を包含する方法。
【請求項１８】
前記形成するステップが、成型、押し出し成形、及び／又は圧力フィルタリングするステップを包含する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
細孔を有する不活性支持体であって、２つの粗細孔領域の間に配置された微細孔領域を有する、不活性支持体と、
前記粗細孔領域の少なくとも１つに配置された電極材料と、
からなる電極。
【請求項２０】
不活性支持体の２つの粗細孔領域の間に配置されている微細孔領域に配置された電解質を介してイオンを伝導させる手段と、
前記伝導したイオンを燃料と反応させて電位を生成する手段と、
を包含する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主な内容は、燃料電池、電極、電解質、並びに燃料電池又は電極用のフレームに関する。種々の燃料電池、電極及び電解質が、不活性支持体に依存する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、その耐用寿命に有害な条件下で作動する。例えば、代表的な固体酸化物燃料電池は、７００℃を超える温度で作動することがある。そのような温度では、様々な現象によって、燃料電池の構成要素の劣化が起こり得る。例えば、多くの場合に電極材料として使用される金属は、流動的となり凝集し得る。そのような凝集体は、酸化の際（例えば、冷却時）、サイズが大きくなり、燃料電池の構成要素に有害な応力を発生させ得る。さらに、熱膨張によって、顕著な構成要素応力が引き起こされ得る。従って、温度に関連する劣化によって、燃料電池の効率が低下し、燃料電池が作動不能になることもある。当然ながら、他の作動条件によって、燃料電池の劣化が生じることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、様々な作用応力に耐え、且つ／又はそれを最小にし得る燃料電池、より低い温度で作動し得る燃料電池、並びに温度に関連する大きな応力を生じさせない燃料電池が必要とされている。以下の例示的な種々の燃料電池、電極及び方法の例は、これらの及び／又はその他の要求に応えるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の粗細孔領域と第２の粗細孔領域との間に微細孔領域が配置された不活性支持体からなる燃料電池を開示する。例示的な燃料電池は、微細孔領域に配置された電解質材料と、第１の粗細孔領域に配置された第１の電極材料と、第２の粗細孔領域に配置された第２の電極材料とからなる。他の装置及び／又は方法も開示する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、様々な作用応力に耐え且つ／又はそれを最小にし得る燃料電池、より低い温度で作動し得る燃料電池、並びに温度に関連する大きな応力が発生しない燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下の詳細な説明では、例示的な燃料電池、不活性支持体、燃料極、空気極、燃料電池構造又は構成、並びに燃料電池あるいは電極用のフレームについて検討する。そのような燃料電池又は燃料電池構成要素を製造又は使用する様々な方法に関しても検討する。
【０００７】
燃料電池
燃料電池は、荷電化学種が移動し得るイオン伝導電解質を利用して、燃料と酸化剤を燃焼することなく化学反応させることによって、電気と熱を生成することができる。典型的な燃料電池は、燃料（例えば、水素、天然ガス、メタノールなど）及び酸化剤（例えば、酸素）に蓄積しているエネルギーの転換を介して、電位を生成することができる。
【０００８】
図１は、従来技術の固体酸化物燃料電池１００を示す。燃料電池１００は、燃料極１１０、空気極１１４、及び電解質１１８からなる。燃料極１１０及び空気極１１４は、電極であり、電解質１１８は、一種の膜として機能する。燃料電池１００の通常の作動では、空気などのガスを含む酸化剤が、「空気電極」とも称される空気極１１４に供給され、燃料が、「燃料電極」とも称される燃料極１１０に供給される。例えば、空気極１１４は（空気から）酸素を受け取り、燃料極１１０は水素（及び任意に、一酸化炭素、メタン、及び他の炭化水素）を受け取る。この例では、酸素と水素が反応して水になる。この反応は、発熱を伴い、また関連する電位差を有し、それにより、燃料電池１００は、電位差による電子の流路をもたらす。
【０００９】
燃料電池１００の作動には、電解質１１８が不可欠である。前述のように、電解質１１８は、一種の膜、例えばイオン伝導膜として機能する。示した例では、電解質１１８は、酸素イオン伝導膜である。燃料としてＨ２が使用される場合は、燃料極１１０では、電子の放出に起因して各Ｈ２分子から２つのプロトン、即ち水素イオンが生成する。電子の流路又は回路１２４を介して、これらの電子が、空気極１１４で使用可能となり、これによってＯ２からの酸素イオン形成が促進される。酸素イオンは、電解質１１８及び燃料極１１０に伝導又は浸透し、そこで、酸素イオンは、プロトン、即ち水素イオンと反応して水を形成する。この電気化学的プロセスは、次の反応式で表すことができる。
【００１０】
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
２Ｈ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
４Ｈ＋＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ
【００１１】
温度２５℃、圧力１ＡＴＭにおいて、この反応式による水素−酸素燃料電池は、約１．２Ｖの平衡起電力（ｅ．ｍ．ｆ）を有する。
【００１２】
一般に、電解質は、所望のイオン種の輸送率が高く且つ不要なイオン種の輸送を防ぐ必要がある。様々なセラミック（例えば、エレクトロセラミックス）が、電解質として使用するのに適した特性を有する。例えば、「高速イオン伝導体」、「迅速イオン伝導体」又は「超イオン伝導体」とも称される一群のエレクトロセラミックスは、所望のイオン種に関して高い輸送率を有することがある。酸素イオンのイオン伝導膜に一般に使用されているセラミックは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。電解質ＹＳＺが十分な酸素イオン伝導率を実現するためには、薄い電解質（例えば、約１０μｍ未満）の場合でも、かなり高い温度（例えば、一般に７００℃より高い）が必要とされる。当然ながら、そのような高温での作動には、多数のコストが関連する。例えば、燃料電池の容器として高コストの合金（例えば、超合金など）が必要とされ、それによって、実質的にコストが高くなる。また、そのような作動温度における応力が、燃料極、空気極及び／又は電解質を劣化させることがあり、それによってコストが高くなる。例えば、空気極は、電解質と異なる熱膨張率を有することがある。そのような状況では、大きなせん断応力が、空気極と電解質の境界に発現し、空気極及び／又は電解質の微小破壊を引き起こすことがあり、それによって層間の接触面積が減少し且つ／又は不要なイオン種を阻止する電解質の能力が低下することがある。
【００１３】
さらに、作動温度及び／又は温度サイクルが、燃料極、空気極及び／又は電解質の特性に悪影響を及ぼすことがある。例えば、燃料極内の１つ又は複数の金属成分は、特定の温度以上において凝集する傾向がある。また、温度及び／又は酸化還元サイクルが、凝集を促進することがある。凝集は、固体酸化物燃料電池のＮｉ−ＹＳＺサーメット燃料極で起こり、また一般に電流密度や燃料利用率などの要素と関連することが知られている。例えば、燃料極と電解質の境界面、即ち三相境界（ＴＰＢ）を最大にするためには、均一に分散しているニッケル粒子が望ましい。凝集は、燃料極全体で起こり、「粒子サイズ」を大きくし且つ粒子の分散均一性を低下させる。この作用によって、有効ＴＰＢが低下し、それにより燃料極損失が増大する。最終的に、分散が不均一になって、粒子間（又は、凝集体間）の電導性が完全に損われることがある。
【００１４】
さらに、凝集体が、酸化時に電極を劣化させることがある。酸化は、一般に、冷却中及び冷却後に起こる（例えば、燃料電池の作動サイクルの一部として）。Ｎｉ−ＹＳＺサーメットの燃料極内で、Ｎｉ粒子又は凝集体は、一般に、冷却中及び／又は冷却後に酸化する。酸化すると、粒子又は凝集体は大きくなる。いくつかの加熱及び冷却サイクル後に、粒子又は凝集体が、この例では、セラミックＹＳＺ基材に大きい力（例えば、応力）を及ぼすほど大きくなることがある。従って、酸化及び／又は凝集によって、マトリクスが劣化又は破壊し、電極が作動不能になるか又は効率がきわめて低下することがある。
【００１５】
従って、背景技術の節で述べたように、様々な作用応力（例えば、還元、酸化、温度、サイクリングなど）に耐え、且つ／又はそれを最小にし得る燃料電池、より低い温度で作動し得る燃料電池、温度に関連した大きな応力が生じない燃料電池が必要とされている。本明細書に説明する様々な燃料電池及び／又は電極の例は、これらの及び／又はその他の要求を満たすものである。
【００１６】
作動温度を低くするためには、ＹＳＺの電導率を改善するか、他の適切な電解質材料を使用して、ＹＳＺと置き換えるか又は強化しなければならない。一般に、電導率は電解質の厚さの関数であり、電導率は、厚さが大きくなるほど低下し、従って、電解質を薄くするほど全体の抵抗を小さくすることができるが、電解質が一般に燃料極又は空気極よりも高い抵抗を有することに注意されたい。薄膜技術によって、例えば約０．５μｍ〜５μｍの厚さを有する稠密な電解質の製造が可能になった。そのような電解質を製造する技術には、約１μｍの厚さを有する電解質を製造するために使用されてきた化学蒸着法（ＣＶＤ）、ほぼ数個の原子の層の厚さを有する電解質を製造するために使用されてきた原子層蒸着法（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）及びその他の技術があり、これらの技法のいくつかについて、後で説明する。さらに、これらの技術のいくつかを使用して、電極材料を付着させることができる。種々の例示的な燃料電池又はその構成要素では、電極及び／又は電解質は、例えば約１００μｍ以上の、さらに大きい厚さを有することがある。１００μｍを超える厚さの電極材料及び／又は電解質材料を付着させるには、テープキャスティングやスクリーン印刷などの薄膜付着技術が使用されてきた。さらに、電解質は、電解質を不要なイオン種が通過することによる短絡を防ぐために「完全に稠密」でなければならない。
【００１７】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合は、サーメットとも称されるニッケルＹＳＺのセラミックと金属の複合物が、燃料極として機能することができ、Ｓｒドープドランタン亜マンガン酸塩（Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３）が、空気極として機能することができる。当然ながら、燃料極１１０又は空気極１１４に、様々な他の材料を使用することができる。適切な電圧を生成するために、複数の燃料電池をひとまとめにし、アレイ又は「スタック」を構成することができる。スタック内では、燃料極と空気極を接続するために、例えばドープドランタンクロマイト（例えば、Ｌａ０．８Ｃａ０．２ＣｒＯ３）を含有するインターコネクタが多くの場合使用されている。当然ながら、他の材料が適切な場合もある。
【００１８】
燃料電池は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、プロトン伝導セラミック燃料電池、アルカリ燃料電池、高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸燃料電池、直接メタノールＰＥＭ燃料電池、その他（例えば、以下の他の例を参照）のうちの１つとすることができることを理解されたい。本明細書に示す様々な例示的な燃料電池は、固体酸化物燃料電池である。
【００１９】
任意の適切な材料から電解質を形成することができる。本明細書に示すような種々の例示的な電解質は、酸素イオン伝導膜電解質、プロトン伝導電解質、炭酸塩（ＣＯ３２−）伝導電解質、ＯＨ−伝導電解質、水素化物イオン（Ｈ−）伝導電解質、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。水素化物イオン電解質燃料電池に関しては、溶融水素化物電解質燃料電池が進歩している。
【００２０】
さらに他の例示的な電解質は、立方体蛍石構造電解質、ドープド立方体蛍石電解質、プロトン交換ポリマー電解質、プロトン交換セラミック電解質、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つである。さらに、例示的な電解質は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリウムドープドセリア（ＳＤＣ）、ガドリニウムドープドセリア（ＧＤＣ）、ＬａａＳｒｂＧａｃＭｇｄＯ３−δ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つであり、これらは、固体酸化物燃料電池に使用するのに特に適している場合がある。
【００２１】
燃料極及び空気極は、特定の最終用途によって要求又は必要とされるように、任意の適切な材料から構成することができる。種々の例示的な燃料極及び／又は空気極は、金属、セラミック、及びサーメットのうちの少なくとも１つである。燃料極に適する金属の非限定的な例として、ニッケル、銅、白金、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。燃料極に適するセラミックのいくつかの非限定的な例として、ＣｅｘＳｍｙＯ２−δ、ＣｅｘＧｄｙＯ２−δ、ＬａｘＳｒｙＣｒｚＯ３−δ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。燃料極に適するサーメットのいくつかの非限定的な例として、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｃｕ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＧＤＣ、Ｃｕ−ＳＤＣ、Ｃｕ−ＧＤＣ、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。
【００２２】
空気極に適する金属のいくつかの非限定的な例として、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、及びこれらの混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。空気極に適するセラミックスのいくつかの非限定的な例には、ＳｍｘＳｒｙＣｏＯ３−δ、ＢａｘＬａｙＣｏＯ３−δ、ＧｄｘＳｒｙＣｏＯ３−δ、及びこれらの混合物が挙げられる。
【００２３】
不活性支持体
本明細書に示すように、不活性支持体（ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ）は、燃料極、空気極及び／又は電解質を支持することができる。一般に、不活性支持体は、電子もしくはイオンを、任意のかなりの程度までは伝導させない。不活性支持体の例として、酸化アルミニウムを主成分とする支持体、酸化マグネシウムを主成分とする支持体、酸化ジルコニウムを主成分とする支持体、酸化チタンを主成分とする支持体、炭化ケイ素を主成分とする支持体、鋼を主成分とする支持体、またこれらの混合物を挙げることができるが、これらに限定されない。当然ながら、そのような材料は、様々な相構造のうちの任意の構造を有することができる。例えば、酸化アルミニウムを主成分とする支持体は、α−Ａｌ２Ｏ３、γ−Ａｌ２Ｏ３、及び／又は他の相のＡｌ２Ｏ３から構成することができる。例示的な支持体は、必要に応じて、例えば約２：１の比率でマグネシアとシリカを含むことができる（例えば、シリカ（ＳｉＯ２）１に対してマグネシア（ＭｇＯ２）２）。当然ながら、当該材料に関しては、他の組合せも可能である。不活性支持体材料は、望ましい疎水−親水性、表面電荷、及び／又は表面構造を有することができる。適切な支持体は、本明細書に示す種々の燃料電池の作動に関連する温度に耐えることができる。適切な支持体は、平面状、管状、円筒状及び／又は１つ以上のチャネルを有するモノリス状などであるがこれらに限定されない様々な幾何学形状のうちの任意の形状を有することができる。
【００２４】
不活性支持体は、一般に、多孔質である。細孔は、細孔容積、細孔径、細孔径分布（例えば、平均細孔径など）、及び特に不活性支持体の１つ又は複数の次元に着目した細孔構造、などのパラメータによって特徴付けることができる。また、不活性支持体は、いくつかの不連続な細孔（例えば、行き止まり）及び／又は利用できない細孔（例えば、閉じられた空間、即ち隙間）を有し得る。当然ながら、当該隙間は、使用可能な空隙率又は使用可能な細孔総容積には加えられない。図２Ａは、実質的に等軸の細孔構造（例えば、例示的な座標系に関して支持体２００全体にわたって）を有する例示的な不活性支持体２００を示し、一方、図２Ｂは、支持体の横断方向の厚さ（例えば、ｚ軸方向）などの、支持体の１つの次元に関して非対称の細孔構造を有する例示的な不活性支持体２２０（例えば、支持体の１つ又は複数の次元に関して、細孔径が変化し得る）を示す。そのような支持体は、約０．０１μｍ（例えば、約１０ナノメートル、即ち約１００Å）から約１００μｍ（例えば、約０．１ｍｍ）以上の平均細孔径を有し得る。そのような支持体は、任意の種々の多孔性（例えば、マクロ、ミクロ、メソ、均質、不均質、相互接続型、開放空間、閉鎖空間、行き止まりなど）を有することができ、そのような支持体は、任意の種々の構造係数（例えば、短い、長い、角のある、及び線形の輸送長）を有し得る。任意の特定の細孔が、１つ又は複数の次元に関して非対称及び／又は対称である場合があり、「非対称性」、「非対称の」及び「対称性」、「対称の」という用語は、任意の特定の細孔の幾何学的詳細並びに不活性支持体の細孔構造を表すのに用いることができ、ここで、細孔構造は、不活性支持体内において細孔形態がどのように変化しているかを示すものであることに注意されたい。一般に、不活性支持体は、個々の細孔容積（開放容積）と充填容積（不活性支持体材料が占める体積）の和にほぼ等しいと定義可能な総体積を有する。当然ながら、充填容積は、適切な場合には隙間容積を含み得る。
【００２５】
実質的に等軸の不活性支持体２００の図には、当該支持体の例示的な拡大断面図２０２が併せて示されている。この例では、細孔は、実質的にｚ軸（例えば、上から下）に沿って配向している。当然ながら、細孔は、他の形状とすることもでき、且つ／又は他の次元（例えば、ｘやｙなど）を横切って相互接続することもできる。
【００２６】
非対称不活性支持体２２０は、不活性支持体２２０の第１の厚さ、即ち領域２３０に関する第１の平均細孔径と、第２の厚さ、即ち領域２４０に関する異なる第２の平均細孔径とを有する。非対称不活性支持体２２０の図には、支持体の第１領域２３０の例示的な拡大断面図２３２と、支持体の第２領域２４０の例示的な拡大断面図２４２とが併せて示されている。これらの例では、細孔は、ｚ軸方向（例えば、上から下）に実質的に配向している。当然ながら、細孔は、他の形状とすることができ、且つ／又は他の次元（例えば、ｘやｙなど）を横切って相互接続することもできる。例えば、空隙率、構造係数、細孔容積及び／又は充填容積は、不活性支持体２２０の１つ又は複数の次元又は領域にわたって変化し得る。閉じている又はアクセスできない空隙（例えば、隙間）は一般に望ましくなく、空隙全体のわずかな部分であるため、空隙率は、一般的に開放空隙率に近似する。例示的な非対称不活性支持体では、酸化アルミニウム、即ちアルミナが含まれる。例えば、非対称不活性支持体には、大きい平均細孔径の領域を画定するα−Ａｌ２Ｏ３相と、小さい平均細孔径の領域を画定するγ−Ａｌ２Ｏ３相とが存在し得る。当然ながら、非対称不活性支持体は、他の材料及び／又は相から構成することができる（例えば、前述の材料を参照）。
【００２７】
図２Ｃは、第１の厚さ、即ち領域２５６に関する第１の平均細孔径、第２の厚さ、即ち領域２５８に関する異なる第２の平均細孔径、及び第３の厚さ、即ち領域２５８’に関する第３の平均細孔径を有する例示的な非対称不活性支持体２５０を示す。第３の厚さ、即ち領域２５８’の第３の平均細孔径は、第２の平均細孔径と必要に応じてほぼ同じとすることができる。例示的な非対称不活性支持体の３つの領域２５６、２５８、２５８’のうちのいずれか又は全てにおいて、様々な不活性支持体パラメータ（例えば、不活性支持体２２０及び不活性支持体２４０に関して検討したもの）が異なってもよい。一般的に、例示的な非対称不活性支持体２５０は、２つの粗小孔領域に接している微小孔領域を有する。
【００２８】
不活性支持体と凝集
前述のように、凝集によって、燃料電池の性能は低下し得る。特に、凝集は、燃料極性能の低下と関連することが知られている。本明細書に示す種々の例示的な燃料極は、（ｉ）凝集を起こさない、（ｉｉ）凝集が最少である、及び／又は（ｉｉｉ）凝集が予測可能である。さらに、本明細書に示す種々の例示的な燃料極は、非対称の凝集を示す。さらに、不活性支持体を使用することにより、電極及び／又は電解質の安定性を高めることができる。
【００２９】
図３に、時間に対する正規化した凝集速度を表すグラフ３００を示す。時間は、作動時間（例えば、燃料電池の運転時間）、又は凝集が起こり得る他の時間（例えば、還元時間など）とすることができる。３つの曲線は、平均不活性支持体の異なる細孔径、ｄ１５０、ｄ２５０、及びｄ３５０に関して示され、ここで、ｄ１５０＜ｄ２５０＜ｄ３５０である。グラフ３００によれば、凝集速度は、時間と共に低下する。さらに、凝集速度は、平均細孔径が大きい場合（例えば、ｄ３５０）よりも平均細孔径が小さい場合（例えば、ｄ１５０）においての方がより速く低下する。細孔径と凝集との関係は、少なくともある程度、立体制限によるものであり、それによって、小さな細孔を有する不活性支持体の方が、電極及び／又は電解質材料の均一な分散を保持しやすい。さらに、曲線の下側の面積、即ち時間に関する凝集速度の積分によって、総体的な凝集を近似することができる。従って、不活性支持体の細孔径を適切に選択して、凝集を制限し且つ／又は凝集を予測可能にすることができる。当然ながら、凝集速度及び／又は凝集全体に影響を及ぼすように、不活性支持体の他の特性（例えば、構造係数、細孔構造など）を選択することができる。
【００３０】
不活性支持体及び／又はその特性を選択する際に、必要に応じて、作動温度、不活性支持体の細孔内に付着させる材料の融点、対応するタンマン温度（例えば、絶対温度Ｋで表したバルク融解温度の約０．５倍）などの因子が使用される。詳細には、不活性支持体を選択する際に、必要に応じて、細孔径（例えば、平均細孔径）、不活性支持体内の細孔非対称性、及び／又は細孔壁の表面特性を使用する。例えば、例示的な非対称支持体は、細孔内に付着される材料の凝集を最小にし又は抑制するために、図２Ｂの拡大断面図２３２、２４２に示すような断面を有する細孔を有する。細孔壁表面の特性に関して、表面特性によって、流動及び／又は凝集を促進するものもあり、流動及び／又は凝集を妨げるものもある。
【００３１】
不活性支持体と熱膨張
前述のように、熱膨張と、燃料電池構成要素（例えば、インターコネクタ、電極、電解質など）間の熱膨張の不一致によって、燃料電池の性能が低下することがある。詳細には、熱膨張及び／又は熱膨張の不一致は、燃料電池性能の低下と関係していることが知られている。本明細書に示す種々の例示的な電極及び／又は電解質は、（ｉ）一致する熱膨張又はほぼ一致する熱膨張、及び／又は（ｉｉ）最小の熱膨張を示す。さらに、本明細書に示す種々の例示的な電極及び／又は電解質は、非対称の熱膨張を示す。例えば、非対称の熱膨張は、他の燃料電池構成要素に近づくほど前記他の燃料電池構成要素の熱膨張に近付く熱膨張を有し得る（例えば、電極が、電極／電解質界面の近くで電解質に近い熱膨張を有する）。さらに、種々の例示的な燃料極は、前述のような凝集特性、並びに一致し最小で且つ／又は非対称の熱膨張を示し得る。
【００３２】
図４に、下側電極４１０、上側電極４１４、及び下側電極４１０と上側電極４１４の間に配置されている電解質４１８からなる平面図４００を示す。図２Ｃの不活性支持体２４０のような不活性支持体に基づく燃料電池は、下側電極、上側電極、及び電解質層を含む。平面図上に平面ベクトルを表しており、線の太さと長さは、熱膨張率及び／又は熱膨張に対応する。当該平面図は、電極−電解質界面と関連するほとんどの問題を示すのに適しているが、熱膨張は、１つ又は複数の他の次元の方向にも生じ得る（例えば、容積熱膨張）。線形熱膨張に用いられる代表的な式は、直線距離の変化（ΔＬ）を、熱膨張の次元係数（α）、長さ（Ｌ）及び温度差（ΔＴ）で表す。容積熱膨張に用いられる代表的な式は、容積の差（ΔＶ）を、容積熱膨張率（β）、体積（Ｖ）及び温度差（ΔＴ）で表す。
【００３３】
図５に、電極又は電解質材料の特性として、当該材料が内部に配置されている不活性支持体の熱膨張に対する、不活性支持体の細孔内に配置し得る電極又は電解質材料の容積比率の例示的なグラフ５００を示す。線５１０は、曲線の場合もあり、容積比率と熱膨張特性の関係を表している。容積比率が０とは、電極又は電解質材料が内部に配置されていない不活性支持体に対応するか（例えば、容積比率ゼロの図）、又は利用可能な容積のない不活性支持体を表す。この例では、そのような領域は、不活性支持体に依存する熱膨張特性（例えば、膨張、応力など）を有する。容積比率が１／２のとき、これは、容積全体のうちの半分が不活性支持体によって占有されており、もう半分が電極又は電解質材料によって占有されている又は占有され得ることを表す（例えば、１／２の容積比率の図を参照）。この例では、そのような領域の熱膨張特性は、不活性支持体と、不活性支持体内に配置されている材料の両方に依存する。容積比率が１とは、容積全体が電極又は電解質材料によって完全に占有されていることを表す（即ち、不活性支持体に容積がない）。この例では、そのような領域の熱膨張特性は、電極又は電解質材料に依存する。従って、容積比率０とは、不活性支持体の境界に隣接して電極及び／又は電解質がない限り、電極及び／又は電解質に依存しない熱膨張特性を有する不活性支持体を表す。さらに、容積比率１とは、電極及び／又は電解質の境界に隣接して不活性支持体がない限り、不活性支持体に依存しない熱膨張特性を有する電極及び／又は電解質を表す。
【００３４】
一般に、本明細書に示す種々の例示的な電極及び／又は電解質は、多孔質不活性支持体内に配置されている電極又は電解質材料、及び／又は不活性支持体に隣接して配置されている電極又は電解質材料を包含するであろう。従って、図５に示したようなグラフは、適切な熱膨張特性を有する不活性支持体を選択するのに役立ち得る。さらに、電極又は電解質材料が占有し得る容積比率には、下限の存在する場合がある。本質的には、その下限よりも小さい容積比率は、任意の種々の理由において現実的ではない。図５は、不活性支持体、電極及び／又は電解質特性によって調整することができる任意の下限を示している。
【００３５】
細孔特性の選択
以上の説明並びに図３、図４及び図５に示したように、不活性支持体の細孔特性は、凝集及び／又は熱膨張に影響を及ぼし得る。細孔特性はまた、安定性に影響を及ぼし得る。図６は、不活性支持体の１つの次元に関する、例示的な不活性支持体の細孔特性（例えば、細孔径）のグラフ６００を示している。当該次元は、例えば図２Ａ及び図２Ｂに示したようにｚ軸方向とすることができ、ここで、ｚ＝０は、燃料又は空気供給面又はその近傍であり、ｚ＝１は、電極と電解質との境界又はその近傍である。例えば、曲線６０２は、少なくとも１つの次元に関して、第１の平均細孔径から第２の平均細孔径にステップ状に小さくなり、次いで第３の平均細孔径に増大する細孔径を有する不活性支持体に対応する。他の例では、曲線６０４は、少なくとも１つの次元に関して、最小平均細孔径まで小さくなり、次いでそれより大きい平均細孔径にまで大きくなる細孔径を有する不活性支持体に対応する。もう１つの例では、曲線６０６は、少なくとも１つの次元に関してほぼステップ状に小さくなる細孔径を有する不活性支持体に対応する。曲線６０６による不活性支持体は、例えば、第１、第２、及び第３の電解質層を含む（例えば、図１１の例示的な燃料電池及び不活性支持体１１００を参照されたい）。当然ながら、例示的な不活性支持体は、ある次元では１つ又は複数の挙動で増大する及び／又は小さくなる細孔径を有しつつ、別の次元では１つ又は複数の同じか又は他の挙動で増大する及び／又は小さくなる細孔径を有することができる。当然ながら、例示的な非対称の支持体は、細孔内に付着した材料の凝集を最小にし又は抑制し、且つ／又は電極、電解質、燃料電池などの熱膨張を最小にし、一致させ又は制御するために、図２Ｂの拡大断面図２３２、２４２に示したような断面を有する細孔を含むことができる。
【００３６】
図７に、熱膨張に対する、不活性支持体の細孔径（例えば、平均細孔径など）及び標準化された凝集速度との例示的なグラフ７００を示している。このようなグラフ又は関連データは、不活性支持体の細孔径の選択に役立つ。例えば、影付きの領域７１０は、電極と電解質との境界又はその近傍において許容し得る熱膨張及び凝集特性を表す。従って、例示的な電極及び／又は電解質は、電極と電解質との境界又はその近傍では、領域７１０の範囲内にある平均細孔径を有する不活性支持体を包含する。当然ながら、非対称の不活性支持体（例えば、非対称の細孔構造を有する不活性支持体）は、他の平均細孔径を有することもできる。
【００３７】
例示的な燃料極
例示的な燃料極は、限定はしないが、図２Ｃに示した非対称不活性支持体２５０のような不活性支持体に依存する。不活性支持体の特性は、凝集及び／又は熱膨張が無くなるように任意に選択される。例えば、細孔径（例えば、平均細孔径）は、凝集を最小にし、熱膨張を最小にし、電解質の熱膨張をほぼ一致させるように選択される。
【００３８】
図８に、不活性支持体に依存する燃料極を製造する例示的な方法８００を示す。方法８００では、例えば、前述のように、不活性支持体８１０の選択が包含される。選択後、方法８００では、続いて、燃料極として使用するのに適する材料が、不活性支持体８２０の細孔内に配置される。当該配置（付着）は、物理的及び／又は化学的付着方法（例えば、原子層蒸着法（ＡＬＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）、電気化学蒸着法（ＥＶＤ）、電解析出法（ＥＬＤ）など）を含む任意の適切な付着方法によって実施することができる。さらに、当該材料は、必要に応じて、液体又はペーストとして配置される（例えば、不活性支持体の細孔内へのペーストの押出しなど）。配置後に、例示的な方法８００では、続いて、配置された材料８３０の焼結及び／又は還元が実施される。
【００３９】
配置された材料８３０の還元は、燃料電池内燃料極の作動中及び／又は燃料電池内燃料極の作動前に実施することができる。例えば、還元が、燃料電池内燃料極の作動前に実施される場合は、さらなる凝集は最小にされ及び／又は抑制され得る。従って、例示的な燃料極は、燃料電池内燃料極の作動前における還元によって、少なくともある程度決定される所定の凝集傾向を有する。例えば、還元手順は、作動中の燃料電池において電極を燃料極として使用する前に実施する。当然ながら、所定の凝集傾向は、選択された細孔径及び／又は細孔非対称性にもある程度依存し得る。
【００４０】
さらに、燃料極材料の還元によって、一般に、二次的な空隙が生成される。例えば、燃料極材料が金属酸化物からなる場合は、金属酸化物から金属への還元によって体積が減少する。この体積の減少は、不活性支持体の閉塞した隙間部分の低下につながり、これによって有効な空隙が増加する。二次的な空隙は、一般に、不活性支持体の一次空隙に直接関連しないが、一次空隙の選択（例えば、細孔径）は、必要な二次空隙を達成するのに役立ち得る。二次空隙の生成は、燃料極を通る化学種の輸送に影響を及ぼし得る。例えば、１つ又は複数の所望の化学種の輸送が、不利に最小とされ且つ／又は制限される場合は、燃料極材料を還元して二次空隙を生成することによって、１つ又は複数の所望の化学種を適切なレベルで輸送できるようになる。
【００４１】
配置材料を還元する前に、種々の手順を実施することができる。例えば、付着によって過剰な材料が配置された場合は、過剰な材料を除去することができる。さらに、配置材料の焼結及び／又は焼成を実施することができる。さらに、必要に応じて、電解質材料の配置を実施した後に、焼結及び／又は焼成を実施することができる。当然ながら、燃料極材料を付着させることもでき、必要に応じて、その後で焼成及び／又は焼結が行われる。
【００４２】
還元は、電気的、物理的及び／又は化学的プロセスによって実施することができる。例えば、還元は、電圧の印加あるいは還元性化学環境への露出によって実施される。還元の代わりとして、電極が空気極か燃料極かに関係なく、電極内に二次空隙を生成する役割を果たす他の電気的、物理的、及び／又は化学的プロセスが挙げられる。例えば、焼結前に材料を追加することによって二次空隙を生成することができ、材料は、焼結の際に劣化する。未加工体又は未加工ペーストに材料を追加することに依存する技術は、インターコネクタと関連して後で検討するが、本技術は、二次空隙の生成に適し得る。
【００４３】
例示的な空気極
例示的な空気極は、必要に応じて、限定はしないが、図２Ｃに示した非対称不活性支持体２４０のような不活性支持体に依存する。使用の際、不活性支持体の特性は、必要に応じて、凝集及び／又は熱膨張を無くすように選択される。例えば、不活性支持体の細孔径（例えば、平均細孔径）は、凝集を最小にし、熱膨張を最小にし、且つ／又は電解質の熱膨張とほぼ一致するように選択される。
【００４４】
空気極を製造する例示的な方法は、不活性支持体に依存する。本方法には、例えば前述のような不活性支持体の選択が包含される。選択後、続いて、空気極として使用するのに適する材料を不活性支持体の細孔内に配置させる。当該配置は、物理的及び／又は化学的付着方法（例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＥＶＤ、ＥＬＤなど）を含む任意の適切な付着方法によって実施することができる。さらに、当該材料は、必要に応じて、液体又はペーストとして付着される（例えば、不活性支持体の細孔内に又はその細孔を介してペーストを押し出す）。この例示的な方法の間の任意の時点で、様々な他の手順を実施することができる。例えば、付着によって過剰材料が配置された場合は、過剰材料の除去を実施する。さらに、配置材料の焼結及び／又は焼成を実施することができる。例えば、空気極材料（例えば、空気極として使用するのに適した電極材料）の密度を低下させる焼結によって、二次空隙を生成することができる。さらに、電解質材料の付着を行い、必要に応じて、その後に焼結及び／又は焼成を実施することができる。当然ながら、燃料極材料の配置を同様に行い、必要に応じて、その後、焼成及び／又は焼結を実施することができる。
【００４５】
例示的な燃料電池
図９は、第１の電極９１０（例えば、燃料極又は空気極）、第２の電極９１４（例えば、空気極又は燃料極）、及び第１の電極９１０と第２の電極９１４との間の少なくとも一部に配置されている電解質９１８からなる不活性支持体に基づく例示的な燃料電池９００を示す。一般に、電解質９１８は、不活性支持体の比較的粗い細孔領域を占めている電極と接する、不活性支持体の微細孔領域を占めている。
【００４６】
例示的な燃料電池９００では、電解質９１８は、約２５０μｍ〜約２００ｎｍ（例えば、ｚ軸方向）の厚さを有する領域を占めることができる。当然ながら、これよりも小さい厚さ又は大きい厚さを使用することもできる。さらに、この例では、この領域の平均細孔径は、約２５μｍ未満である。
【００４７】
不活性支持体内に電極材料を付着させ、必要に応じて過剰な材料を除去し且つ／又は焼結した後に、得られた電極９１０は、約１μｍ未満の平均細孔径を有する。他の例では、不活性支持体は、約５μｍの平均細孔径を有する多孔質領域を有しており、適切な処理の後に、得られる電極９１０の平均細孔径は、１μｍよりも小さい、一般に１μｍよりもかなり小さい。不活性支持体及び／又は電極の平均細孔径を小さくすると、電解質をさらに薄くすることができる。例えば、通例、多孔質面に電解質を付着させた場合、電解質の厚さは、平均細孔径の約３倍でなければならない。従って、この例では、電解質は、数ミクロン以下の厚さを有することがある。この場合も、一般に、電解質が薄いほど、イオンは伝導（例えば、酸素イオンの移動）し易い。
【００４８】
さらに別の例では、例示的な燃料電池は、第１の電極と、該第１の電極に隣接する電解質と、該電解質に隣接する第２の電極とから構成される。この例示的な燃料電池では、不活性支持体は、凝集、熱膨張及び／又は電解質の厚さを抑制するように選択される。また、当該選択には、それが凝集、熱膨張及び／又は電解質の厚さと関連するため、細孔の非対称性（例えば、非対称の細孔構造）の選択が包含され得る。例えば、例示的な不活性支持体は、約５０ナノメートル〜約５００ナノメートルの平均細孔径を有する微細孔領域を含んでいる。そのような例示的な不活性支持体は、電解質材料を内部に付着させるのに適している。そのような例示的な燃料電池内の電極の二次空隙は、約５０ナノメートル〜約５００ナノメートルの平均細孔径を有する細孔を包含し得る。当然ながら、この前述の２つの例において、他の細孔径が適切な場合もある。
【００４９】
例示的な燃料電池９００では、第１の電極９１０は、必要に応じて、凝集が最小になるように細孔特性が選択されている燃料極であり、第２の電極９１４は、必要に応じて、熱膨張が抑制されるように細孔特性が選択されている空気極である。さらに、電解質９１８との境界又はその近傍における第１の電極９１０の細孔特性は、薄い電解質との適切な境界を可能にするように選択され、第２の電極９１４の細孔特性は、必要に応じて、電解質９１８の熱膨張と一致するように選択される。当然ながら、適切な熱膨張は、燃料電池の作動及び／又は作動サイクル（例えば、電源入切サイクル、燃料供給サイクルなど）と関連した温度を考慮することができる。
【００５０】
図１０は、例示的な方法１０００、並びにこれに対応する例示的な構造１０５０、１０６０、１０７０、１０８０を示す。方法１０００は、非対称不活性支持体を設けるステップ１０５０を包含し、当該不活性支持体は、２つの粗細孔領域１０４０、１０４２と境界を接している微細孔領域１０３０を有する。方法１０００はまた、電解質材料を付着させるステップ１０６０を包含し、非対称不活性支持体の微細孔領域１０３０と粗細孔領域１０４０、１０４２の全体に電解質材料１０１８が付着される。当然ながら、代替方法では、微細孔領域及び粗細孔領域のうちの一方だけの全体に電解質材料を付着させることもできる。いずれの例においても、付着させるステップ１０６０によって、微細孔領域１０３０の細孔の一部又は全ての中に稠密電解質領域が生成される。さらに、電解質材料１０１８によって、粗細孔領域１０４０、１０４２の一方又は両方の使用可能な面の少なくとも一部の表面が被覆される。例示的な方法１０００はさらに、第１の電極材料を付着させるステップ１０７０を包含し、第１の電極材料１０１０は、粗細孔領域１０４２の一方、及び場合によっては微細孔領域１０３０の一部の表面に付着される。方法１０００はまた、第２の電極材料を付着させるステップ１０８０を包含し、当該第２の電極材料１０１４は、前述したように、微細孔領域１０３０の一部又は全ての細孔内に存在する稠密電解質領域に隣接する他方の粗細孔領域１０４０に付着される。図９の例示的な燃料電池９００は、図１０と関連して説明したように、１つの電解質と２つの電極を有する非対称不活性支持体を有することができる。
【００５１】
図１１は、例示的な方法１１０２、並びにこれに対応する例示的な構造１１５０、１１６２、１１７２、１１８２を示す。方法１１０２は、非対称不活性支持体を設けるステップ１１５０を包含し、当該不活性支持体は、２つの粗細孔領域１１４０、１１４２と境界を接する微細孔領域１１３０を有する。例示的な方法１１０２はまた、電解質材料を付着させるステップ１１６２を包含し、当該電解質材料１１１８は、非対称不活性支持体の微細孔領域１１３０の少なくとも一部分に付着される。当該付着を微細孔領域１１３０の一部分に制限するために、様々な技術が適している。例えば、電解質材料の付着を制限するために、材料（例えば、電極材料、除去可能材料など）を、粗細孔領域１１４０、１１４２の一方及び必要に応じて微細孔領域１１３０の一部分に付着させる。他の例では、微細孔領域１１３０が、電解質材料の付着を制限する（例えば、細孔径などに起因して）。付着させるステップ１１６２によって、微細孔領域１１３０の一部分又は全ての細孔内に稠密電解質領域が作成される。方法１１０２はさらに、第１の電極材料を付着させるステップ１１７２を包含し、当該第１の電極材料１１１０は、粗細孔領域１１４２の一方、及び場合によっては微細孔領域１１３０の一部分に付着される。例示的な方法１１０２はまた、第２の電極材料を付着させるステップ１１８２を包含することができ、当該第２の電極材料１１１４は、既に述べたように、微細孔領域１１３０の一部分又は全ての細孔内に存在する稠密電解質領域に隣接する他方の粗細孔領域１１４０に付着される。図９の例示的な燃料電池９００は、図１１に関して説明したように、１つの電解質と２つの電極を有する非対称不活性支持体を有することができる。
【００５２】
図１２は、燃料極９１０、空気極９１４、及び燃料極９１０と空気極９１４との間に配置されている電解質９１８とから構成される、限定はしないが、図９の燃料電池９００のような燃料電池を製造する例示的な方法１２００のブロック図を示す。方法１２００では、例えば前に考察したような不活性支持体の選択１２１０が包含される。選択後、方法１２００は、続いて、第１の電極として使用するのに適する材料を不活性支持体の細孔内に配置（付着）させる（１２２０）。配置工程１２２０及び任意選択の他の工程（直後又は任意の時点で実施される）によって、第１の電極が形成される。第１の電極材料を配置した後で、方法１２００では、続いて、電解質として使用するのに適する材料が不活性支持体の細孔内に配置される（１２３０）。例えば、方法１２００は、まず、燃料極用の電極材料を付着させ、電解質材料を付着させ、次に不活性支持体と材料を焼結した後に空気極用の第２の電極材料を付着させる。いくつかの例では、燃料極材料と電解質材料は、空気極材料よりも高温に耐えることができる。従って、そのような例では、燃料極材料の付着と電解質材料の付着は、空気極材料の付着前に実施される。当然ながら、本明細書に示すように、種々の例示的な方法によって、電解質材料の付着後に１つ又は複数の電極材料が配置（付着）される。
【００５３】
一般に、電極又は電解質材料の付着は、物理的及び／又は化学的付着方法（例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＥＶＤ、ＥＬＤなど）を含む任意の適切な付着方法によって実施することができる。電解質材料を付着させた後、方法１２００は、続いて、第２の電極として使用するのに適する第２の材料を配置する（１２４０）。電極材料の付着は、物理的方法及び／又は化学的付着方法（例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、ＥＶＤ、ＥＬＤなど）を含む任意の適切な付着方法によって実施し得る。付着工程１２４０及び任意選択の他の工程（直後又は任意の時点で実施される）によって、第２の電極が形成される。次に、必要に応じて、不活性支持体と付着材料の焼結を実施する（１２５０）。例えば、焼結には、燃料極材料、電解質材料及び空気極材料に適する焼結温度を使用することができる。当然ながら、先に考察したように、燃料極材料及び／又は電解質材料を先に焼結することによって、空気極材料の焼結に適する低い焼結温度を使用する焼結を後に実施することができる。特定の例では、そのような後に実施される低い焼結温度での焼結は、おそらく燃料極材料及び／又は電解質材料にほとんど影響しない。
【００５４】
次に、必要に応じて、燃料極の還元を実施（１２６０）して、燃料極に追加の空隙を作成する。当然ながら、他の適切な方法を使用して、図９の例示的な燃料電池９００、及び／又は本明細書に開示した例示的な不活性支持体、電極及び／又は電解質を使用する他の燃料電池を製造することができる。
【００５５】
別の例示的な方法では、初めに、例えば任意の電極材料を付着させる前に、電解質材料の付着を実施する（図１０及び図１１に関して説明した例示的な方法及び／又は構造１０００、１１０２を参照されたい）。この例示的な方法によれば、当該付着によって、電解質材料が不活性支持体全体に付着し、電解質材料の厚さは、一般に、微細孔領域の細孔の微細孔径（例えば、平均微細孔径）とほぼ等しい。この例では、微細孔直径の約２倍の標準厚さを有する電解質層が形成される。例えば微細孔領域内の微細孔が有する幾何学的均一性のような不活性支持体の特性によって、稠密電解質層はＡＬＤのような方法を用いて形成され、それは微細孔直径の約半分の厚さを有する。一般的に、約３μｍよりも小さい厚さ、特に約１μｍの厚さを有する稠密電解質層を形成することができる。
【００５６】
別の例では、不活性支持体は、微細孔領域と境界を接する１つ又は複数の粗細孔領域を有し、当該粗細孔領域のうちの１つは、約１μｍ〜約５μｍの平均粗細孔径を有する。粗細孔領域内への電極材料の配置（付着）、及びその後の処理（例えば、焼結など）の後、約０．０１μｍ（即ち、約１００Å）〜約０．５μｍの平均細孔径を有する電極が形成される。様々な細孔ブロッキング理論によれば、ブロッキング層は、細孔径の約３倍の厚さを有し、従って、そのような電極に電解質材料が付着された場合、得られる電解質層、即ちブロッキング層は、約０．０３μｍ〜約１．５μｍの厚さを有し得る。
【００５７】
種々の例示的な方法では、第１の粒子径を有する電極材料を付着させることで、不活性支持体内の特定の細孔を閉塞させ、次に第１の粒子径よりも大きい第２の粒子径を有する電極材料を付着させる付着工程を実施することができる。一般に、両粒子径の電極材料は同じである。当然ながら、そのような付着工程を電解質材料の付着に使用することもできる。
【００５８】
フローチャネルを備えた燃料電池
図１３は、第１の電極１３１０、第２の電極１３１４、電解質１３１８、第１の電極１３１０用の１つ又は複数のフローチャネル１３２０、１３２０'、及び第２の電極１３１４用の１つ又は複数のフローチャネル１３２４、１３２４'からなる、例示的な燃料電池１３００を示す。燃料電池１３００は、必要に応じて、前述の任意の種々の例示的な電極及び／又は電解質を包含する。フローチャネル１３２０、１３２０'、１３２４、１３２４'は、第１の電極１３１０又は第２の電極１３１４内に、任意の特定の断面及び／又は流路を有することができる。流れの方向は、任意の適切な方向とすることができる。一般に、フローチャネルは、不活性支持体又は電極の細孔よりも大きい寸法を有する。第１の電極フローチャネル１３２０、１３２０'又は第２の電極フローチャネル１３２４、１３２４'は、Ｕ字型又は他の形で相互接続し且つ／又は燃料電池１３００の長さ方向を端から端まで（例えば、ｙ軸方向に）横切ることができる。あるいはまた、フローチャネルは、チャネルが適切に封止され且つ／又は絶縁されている等の場合は、例えば、別の第１の電極面（例えば、第２の電極１３１４と電解質１３１８を通るｙｚ平面やｘｙ平面）から、あるいは別の第２の電極面（例えば、第１の電極１３１０と電解質１３１８を通るｙｚ平面やｘｙ平面）から入ることができる。
【００５９】
図１４は、第１の電極１４１０、第２の電極１４１４、３つの電解質１４１８、１４１８'、１４１８”、及び１つ又は複数のフローチャネル１４２０、１４２０'、１４２４、１４２４'からなる、例示的な燃料電池１４００を示す。燃料電池１４００は、必要に応じて、前述の任意の種々の例示的な電極及び／又は電解質を含むことができる。フローチャネル１４２０、１４２０'、１４２４、１４２４'は、第１の電極１４１０及び／又は第２の電極１４１４内に任意の特定の断面及び／又は流路を有することができる。流れの方向は、任意の適切な向きとすることができる。第１の電極フローチャネル１４２０、１４２０'又は第２の電極フローチャネル１４２４、１４２４'は、Ｕ字型又は他の形で相互接続し且つ／又は燃料電池１４００の長さ方向を端から端まで（例えば、ｙ軸方向に）横切ることができる。あるいはまた、フローチャネルは、チャネルが適切に封止され且つ／又は絶縁されている等の場合は、別の第１の電極面（例えば、第２の電極１４１４及び電解質１４１８、１４１８'、１４１８”等のうちの１つ又は複数を通るｙｚ平面やｘｙ平面）、又は別の第２の電極面（例えば、第１の電極１４１０及び電解質１４１８、１４１８'、１４１８”等のうちの１つ又は複数を通るｙｚ平面やｘｙ平面）から入ることができる。
【００６０】
燃料電池フレーム及び／又は電極フレーム
図１５は、例示的な燃料電池又は不活性支持体１５１０、及び例示的なフレーム１５２０を示す。燃料電池又は不活性支持体１５１０は、必要に応じて、フレーム１５２０と一体化されるか、別個に製造されてフレーム１５２０に組み込むことができる。図１５に示すように、燃料電池又は不活性支持体１５１０、及びフレーム１５２０は、実質的に長方形の断面を有する。さらに、フレーム１５２０は、任意の１つ又は複数のフレーム表面上に１つ又は複数のインターコネクタ１５２４、１５２４'、１５２８、１５２８'を有する。インターコネクタ１５２４、１５２４'、１５２８、１５２８'は、燃料電池の１つ又は複数の電極に接続することができる。例えば、インターコネクタ１５２４は、空気極に接続され、インターコネクタ１５２４'は、燃料極に接続することができる。必要に応じて、一連の又は多数のそのようなフレームが構成され、フレームと関連した電極及び／又は燃料電池を電気的に接続するためにインターコネクタが使用される。
【００６１】
例示的なフレームは、稠密材料からなる。例えば、例示的なフレームは、必要に応じて、バルク不活性支持体の密度よりもさらに大きい密度を有する不活性支持体として使用するのに適する材料から構成される。他のフレームの例は、必要に応じて、連続的な開放細孔のない材料（例えば、ほとんど利用できない隙間や閉じた空間からなる材料）からなる。例示的なフレームは、必要に応じて、不活性支持体の特性に近い熱膨張特性を有する材料から構成される。一般に、フレームは、不活性支持体と気密な接触をなし、電極チャンバ（例えば、燃料極チャンバや空気極チャンバ）間の電気接触又は気体接触を許容しない。
【００６２】
例示的な一体型の不活性支持体及びフレームは、適切な非導電性材料（例えば、アルミナなど）から作られている。例えば、不活性支持体領域とフレーム領域を有する未加工体が形成され、それによって未加工体を焼結することによって、多孔質不活性支持体領域と稠密フレーム領域が作成される。多孔質不活性支持体領域は、必要に応じて、細孔特性に関して等軸及び／又は非対称的である。当然ながら、焼結前及び／又は焼結後に追加で、未加工体内に適切なインターコネクタを配置することができる。さらに、必要に応じて、フレーム領域と不活性支持体領域とを分離するガスケット材料が追加される。そのようなガスケット材料は、必要に応じて絶縁体であり、それによって、フレーム領域を形成するために導電材料の使用が可能になる。
【００６３】
図１６は、別の例示的な燃料電池又は不活性支持体１６１０、及び例示的なフレーム１６２０を示す。燃料電池又は不活性支持体１６１０は、必要に応じて、フレーム１６２０と一体化されるか、あるいは別個に製造されてフレーム１６２０に組み込まれる。図１６に示すように、燃料電池又は不活性支持体１６１０、及びフレーム１６２０は、実質的に円形の断面を有する。さらに、フレーム１６２０は、任意の１つ又は複数のフレーム面に１つ又は複数のインターコネクタ１６２４、１６２４'を有する。
【００６４】
マスキング処理を使用して、不活性支持体とフレームを製造することができる。図１７は、例示的な方法１７００、並びにそれに対応する構造１７０２、１７１２を示す。例示的な構造１７０２は、上側マスク１７０４、交互に挟まれたマスク１７０４'、１７０４''、及び下側マスク１７０４'''を備えた、積層された不活性支持体１７１０、１７１０'、１７１０''、及び１７１０'''からなる。例示的な方法１７００は、構造１７０２を設け、次に不活性支持体１７１０、１７１０'、１７１０''のそれぞれの少なくとも一部分の内部に材料を付着させるステップを包含する。付着させるステップは、必要に応じて、低温化学蒸着法（ＣＶＤ）を含み、当該マスクは、必要に応じて、比較的柔軟な材料（例えば、ＴＥＦＬＯＮ［登録商標］、Ｃｕ又はＡｌなどの軟質金属）からなる。当該マスクは、開放空隙の一部を遮蔽することによって、不活性支持体１７１０、１７１０'、１７１０''の各々の少なくとも一部分の中に材料が付着するのを防ぐ。この例では、露出した領域、即ちマスクされていない領域が、フレーム１７２０、１７２０'、１７２０''になる。
【００６５】
図１８Ａは、例示的な燃料電池又は電極１８１０、及び例示的なフレーム１８２０を示している。フレーム１８２０は、１つ又は複数のインターコネクタ１８２４、１８２４’を備える。燃料電池又は電極１８１０は、燃料電池又は電極１８１０を部分的又は全体的に通るアパーチャ１８１４を有する。アパーチャ１８１４は、任意の種々の目的を満たすことができる。例えば、アパーチャ１８１４は、取り付けを容易にし、燃料及び／又は空気の流れを可能にし、且つ／又は燃料電池又は不活性支持体を固定し得る。燃料電池又は不活性支持体１８１０は、必要に応じて、本明細書に示す燃料電池又は電極を包含する。さらに、そのような燃料電池又は電極は、必要に応じて、複数のアパーチャを備える。さらに、例示的なフレームは、類似又は異なる目的を満たし得る１つ又は複数のアパーチャを備えることができる。
【００６６】
図１８Ｂは、図１８Ａに示した例示的な燃料電池又は不活性支持体１８１０、及び例示的なフレーム１８２０の断面図を示す。この例では、アパーチャ１８１４は、燃料電池又は電極１８１０の高さ方向を貫通している。インターコネクタ１８２４、１８２４'（例えば、第１の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第１の電極又は第１の電極領域と接続されている。インターコネクタ１８２８、１８２８'（例えば、第２の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第２の電極又は第２の電極領域と接続されている。この例では、第１のインターコネクタ１８２４、１８２４'及び第２のインターコネクタ１８２８、１８２８'は、絶縁体（例えば、非導電性フレーム）によって分離されている。例示的な方法では、そのようなインターコネクタ用の通路は、必要に応じて、未加工体内に、焼結や他の処理の際に劣化し得る材料を配置することにより形成される。あるいはまた、インターコネクタは、未加工体を焼結する前に未加工体内に導電性インターコネクタ材料を配置することによって形成される。当然ながら、通路及び／又はインターコネクタを形成するために、インプリンティング法や押し出し成形などの他の手順を使用することも可能である。
【００６７】
図１８Ｃは、例示的な燃料電池又は不活性支持体１８１０、及び例示的なフレーム１８２０の他の例示的な断面を示す。この例では、アパーチャ１８１４は、燃料電池又は電極１８１０の高さ方向を貫通している。半径方向及び軸方向インターコネクタ１８２４（例えば、第１の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第１の電極又は第１の電極領域と接続されている。もう１つの半径方向軸方向インターコネクタ１８２４'（例えば、第２の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第２の電極又は第２の電極領域と接続されている。この例では、第１のインターコネクタ１８２４及び第２のインターコネクタ１８２４'は、絶縁体（例えば、非導電性フレームなど）によって分離されている。例示的な方法では、このようなインターコネクタ用の通路は、必要に応じて、未加工体内に、焼結や他の処理により劣化し得る材料を配置することにより形成される。あるいはまた、インターコネクタは、未加工体内に導電性インターコネクタ材料を配置し、次に未加工体を焼結することによって形成される。当然ながら通路及び／又はインターコネクタを形成するために、インプリンティング法や押し出し成形などの他の手順を使用することも可能である。
【００６８】
図１８Ｄは、例示的な燃料電池又は不活性支持体１８１０、及び例示的なフレーム１８２０の他の例示的な断面図を示す。この例では、アパーチャ１８１４が、燃料電池又は電極１８１０の長さ方向を貫通している。半径方向インターコネクタ１８２４（例えば、第１の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第１の電極又は第１の電極領域と接続されている。もう１つの半径方向インターコネクタ１８２４'（例えば、第２の電極インターコネクタ）は、燃料電池又は不活性支持体１８１０の第２の電極又は第２の電極領域と接続されている。この例では、第１のインターコネクタ１８２４及び第２のインターコネクタ１８２４'は、絶縁体（例えば、非導電性フレームなど）によって分離されている。例示的な方法では、このようなインターコネクタ用の通路は、必要に応じて、未加工体内に、焼結や他の処理によって劣化し得る材料を配置することによって形成される。あるいはまた、インターコネクタは、未加工体内に導電性インターコネクタ材料を配置し、次に未加工体を焼結することによって形成される。当然ながら、通路及び／又はインターコネクタを形成するために、インプリンティング法や押出し成形などの他の手順を使用することが可能である。
【００６９】
以上のように、アパーチャ１８１４は、燃料及び／又は空気の流れ、又は排出を可能にする。さらに、アパーチャは、１つ又は複数の追加のフローチャネルと接続することができる。例示的な方法では、フローチャネルは、必要に応じて、未加工体内に、焼結や他の処理によって劣化（減成）し得る材料を配置することによって形成される。
【００７０】
図１９は、不活性支持体及びフレームを製造する例示的な方法１９００を示す。方法１９００は、第１の粉末（例えば、細かい空隙用）の選択１９１０、第２の粉末（例えば、粗い空隙用）の選択１９２０、第３の粉末（例えば、稠密フレーム領域用）の選択１９３０を包含する。当然ながら、微細孔領域と境界を接するさらに異なる特性を有する粗い粉末領域を備える不活性支持体を製造するために、第４の粉末を選択することができる。第１の粉末、第２の粉末、及び第３の粉末は、必要に応じて、接着剤及び／又は潤滑剤（例えば、ポリビニルアルコールなど）として機能し得るポリマーなどの添加剤を含有する。方法１９００は、続いて、未加工体１９４０を形成する。未加工体の形成は、不活性支持体未加工体領域とフレーム未加工体領域の形成を包含する。未加工体の形成は、成形用の鋳型、押し出し加工用の押し出し機、加圧フィルタリング用の加圧フィルタ、及び／又は適切な特性（例えば、密度など）を有する適切な未加工体形状を形成するのに役立つ他の装置の使用を包含し得る。さらに、必要に応じて、不活性支持体の未加工体領域とフレーム未加工体領域との間の任意の境界にガスケット材料が配置される。ガスケット材料は、必要に応じて、電極又は燃料電池をフレームと絶縁することができる絶縁体である。さらに、不活性支持体の未加工体領域又はフレーム未加工体領域の中には、１つ又は複数の通路、インターコネクタ及び／又はフローチャネルを形成するために、１つ又は複数の材料を配置することができる。未加工体１９４０を形成した後で、方法１９００は、続いて、未加工体１９５０を焼結して不活性支持体とフレームを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】燃料電池の説明図
【図２Ａ】微細孔を有する境界層を備えた例示的な等軸不活性支持体、例示的な非対称不活性支持体、及び例示的な非対称不活性支持体の斜視図
【図２Ｂ】微細孔を有する境界層を備えた例示的な等軸不活性支持体、例示的な非対称不活性支持体、及び例示的な非対称不活性支持体の斜視図
【図２Ｃ】微細孔を有する境界層を備えた例示的な等軸不活性支持体、例示的な非対称不活性支持体、及び例示的な非対称不活性支持体の斜視図
【図３】種々の平均細孔径に間する、時間に対する凝集速度の例示的なグラフ
【図４】熱膨張ベクトルを含む燃料電池の種々の電極面及び／又は電解質面の選択図
【図５】燃料電池の電極及び／又は電解質に関する熱膨張と容積比率の関係を示す例示的なグラフ
【図６】不活性支持体の寸法及び細孔特性（例えば、細孔径）の関係を示す例示的なグラフ
【図７】不活性支持体の種々の細孔径の場合の熱膨張と凝集の関係を示す例示的なグラフ
【図８】不活性支持体に基づいて電極を製造する例示的な方法のブロック図
【図９】不活性支持体を有する例示的な燃料電池の斜視図
【図１０】例示的な方法及びそれと関連する例示的な構造を示す図
【図１１】他の例示的な方法及び関連する例示的な構造を示す図
【図１２】不活性支持体の少なくとも一部分に基づいて燃料電池を製造する例示的な方法のブロック図
【図１３】１つ又は複数のフローチャネルを備える例示的な燃料電池及び／又は電極、及び電解質構成の斜視図
【図１４】１つ又は複数のフローチャネルを備える例示的な燃料電池及び／又は電極、及び電解質構成の斜視図
【図１５】種々の例示的な燃料電池及びフレーム構成の斜視図
【図１６】種々の例示的な燃料電池及びフレーム構成の斜視図
【図１７】例示的な燃料電池及びフレーム構成のための例示的な方法及び構造を示す図
【図１８Ａ】燃料電池がアパーチャを画定する例示的な燃料電池及びフレームの斜視図及び種々の断面図。種々のインターコネクタ選択形態も示す。
【図１８Ｂ】燃料電池がアパーチャを画定する例示的な燃料電池及びフレームの斜視図及び種々の断面図。種々のインターコネクタ選択形態も示す。
【図１８Ｃ】燃料電池がアパーチャを画定する例示的な燃料電池及びフレームの斜視図及び種々の断面図。種々のインターコネクタ選択形態も示す。
【図１８Ｄ】燃料電池がアパーチャを画定する例示的な燃料電池及びフレームの斜視図及び種々の断面図。種々のインターコネクタ選択形態も示す。
【図１９】不活性支持体及びフレームを製造する例示的な方法のブロック図
【符号の説明】
【００７２】
２００、２２０、２５０  不活性支持体
２３０、２５６  微細孔領域
２４０、２５８、２５８'  粗細孔領域
９００  燃料電池
９１０  燃料極
９１４  空気極
９１８  電解質
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
2004319492.tif 000021
【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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