(57)【要約】【課題】燃料電池構成要素を低温処理で製造する方法を提供すること。【解決手段】水酸化物又はオキシ水酸化物形態の構成要素を堆積させ、該水酸化物又はオキシ水酸化物形態の該構成要素を熱水作用により脱水させる、という各ステップを含み、該構成要素の熱水作用による脱水によって該構成要素の粒状組織が確立する、燃料電池構成要素を形成するための方法。【選択図】図２
2005044811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池構成要素を形成する方法であって、
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記構成要素を堆積させ、
前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記構成要素を熱水作用により脱水させる、
という各ステップを含み、前記構成要素を前記熱水作用により脱水させる前記ステップが、前記構成要素の粒状組織を確立する、方法。
【請求項２】
前記燃料電池構成要素の特性を固定させるために、前記燃料電池構成要素を燃料電池の動作温度まで加熱するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃料電池が、固体酸化物型燃料電池(SOFC)(100)を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料電池構成要素が、低温支持構造(300)上に堆積される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
固体酸化物型燃料電池(SOFC)(100)を形成する方法であって、
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)を堆積させ、
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料(400)を堆積させ、
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料(500)を堆積させ、
前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記堆積された材料を熱水作用により脱水させる、
という各ステップを含み、前記材料を前記熱水作用により脱水させる前記ステップが前記材料を焼結する、方法。
【請求項６】
空気極(140)と、
燃料極(120)と、
前記燃料極(120)と前記空気極(140)との間に配置された電解質(130)とを含み、
前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)のうちの１つが、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)を堆積させ、前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(130)、又は前記電解質(140)を熱水作用により脱水させることにより形成される、燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極(120)、前記空気極(140)、及び前記電解質(130)の全てが、熱水作用による脱水プロセスにより形成される、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
ハウジングと、
該ハウジング内に配置された、燃料極(120)、空気極(140)、及び電解質(130)を有する燃料電池とを含み、
前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)のうちの１つが、前記ハウジング上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)を堆積させ、前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)を熱水作用により脱水させることにより形成される、電気化学的装置。
【請求項９】
前記燃料極(120)、前記空気極(140)、及び前記電解質(130)の全てが、熱水作用による脱水プロセスにより形成される、請求項８に記載の電気化学的装置。
【請求項１０】
電力を消費する装置に電力を提供する電気化学電池と、
燃料源と、
前記電気化学電池と前記燃料源とを流体的に結合する燃料流路とを含み、
前記電気化学電池が、ハウジングと、該ハウジング内に配置された燃料極(120)、空気極(140)、及び電解質(130)を有する燃料電池とを含み、
前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)のうちの１つが、前記ハウジング上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)を堆積させ、前記水酸化物又はオキシ水酸化物形態の前記燃料極(120)、前記空気極(140)、又は前記電解質(130)を熱水作用により脱水させることにより形成される、電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去数年の間に、大容量及び小容量の電気を生成する燃料電池の人気と実現性が大幅に高まった。燃料電池は、水素や酸素などの化学物質間で電気化学反応を行わせて電気と熱を生成する。燃料電池は、バッテリと類似しているが、電力変換装置であって電力貯蔵装置ではない。更に、燃料電池は、炭化水素を燃焼させる装置よりも遥かにクリーンである。
【０００３】
燃料電池は、電気モータ、ライト、コンピュータ、又は多数の電気機器に電力を供給するために使用することが可能な直流(DC)電圧を提供する。それぞれ異なる化学的性質を使用する異なるタイプの燃料電池が幾つかあるが、燃料電池は、一般に、燃料極、空気極、及び電解質の３つの構成部分を有する。燃料電池は、使用する電解質のタイプに応じて、プロトン交換膜型(PEM)燃料電池、アルカリ型燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、及び溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)の５つのグループの何れかに分類することが可能である。
【０００４】
燃料電池は、他の多くの電源よりも生成する汚染が少ないが、固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、他のタイプの燃料電池よりも優れた幾つかの独特な利点を有する。SOFCの幾つかの利点には、電解質の管理に関する問題の軽減、他の燃料電池タイプと比較した場合の効率の高さ(最大で60％の効率)、優秀な廃熱、燃料不純物に対する高い許容性、及び（水素及び一酸化炭素を生成するための）炭化水素燃料の内部的な改質が含まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ほとんどのSOFCは、高い酸素イオン導伝性セラミクスなどの固体材料からなる電解質を含む。電解質の各側には電極があり、すなわち、一方の側に燃料極、反対側に空気極がある。これらの電極は両方ともセラミクス材料から形成することが可能である。典型的なセラミクス燃料電池のプロセスは、きわめて高い温度(場合によっては最高で摂氏1500°)でセラミクス構成要素を形成し焼結することを必要とする。更に、典型的なセラミクス燃料電池は、様々な焼結条件を有する複数のセラミクス層を含むため、１つの燃料電池を形成するために、時間のかかる多くの熱サイクル工程を実行しなければならない。複数の高温の熱サイクル工程は、多大な量の時間及び電気エネルギーを消費するものとなる。更に、燃料電池が生成された後には、多くのガスマニホルドを備えた燃料電池の最終的な組み立てが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料電池を形成する方法は、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料電池構成要素を堆積させ、及び水酸化物又はオキシ水酸化物形態の構成要素を熱水作用で脱水させ、この構成要素の熱水作用による(hydrothermally)脱水によって構成要素の粒状組織が確立される。
【０００７】
図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本書の一部をなすものである。例示した実施形態は、本発明の単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【０００８】
図面全体にわたり、同一の参照番号は、類似しているが必ずしも同一とは限らない要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本書では、低温処理を使用してセラミクス燃料電池を形成する方法を示す。後でより詳細に示す１つの例示的な実施形態によれば、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の所望の燃料電池構成要素を堆積させ、次いでその水酸化物又はオキシ水酸化物形態の所望の構成要素に熱水作用による脱水プロセスを実行する方法を示す。燃料電池構成要素を低温処理するこのシステム及び方法は、単に説明を容易にするために、固体酸化物型燃料電池(SOFC)の文脈で説明される。しかし、本書に示した装置及び方法を使用して、任意のタイプの燃料電池のセラミクス構成要素を形成することができる。
【００１０】
用語「水酸化物」は、本書及び特許請求の範囲において、水酸化物群を含む任意の化合物の意味に理解されるように意図されており、ここで、水酸化物群は、酸素と水素からなる官能基として定義される。同様に、用語「オキシ水酸化物」は、化合物内で追加又は置換された酸素の存在を有する水酸化物群を幅広く指すように理解されるように意図されている。更に、語句「焼結」は、材料が熱及び／又は圧力の印加によって固体の塊に形成されるプロセスとして幅広く理解されるように意図されている。
【００１１】
以下の記述では、説明のために、低温セラミクス形成方法の完全な理解を提供するように多数の特定の詳細を説明する。しかし、当業者には、低温セラミクス形成方法が、そのような特定の詳細なしに実施できることは明らかであろう。本書における「１つの実施形態」又は「ある実施形態」の参照は、その実施形態と関連して説明される特定の機能、構造、又は特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本書の様々な場所に現れる「１つの実施形態において」という語句は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているとは限らない。
例示的な構造
図１Ａは、１つの例示的な実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の断面図を示している。図１に示すように、SOFC(100)は、複数の燃料チャネル(115)を含む第１のガスマニホルド(110)、燃料極(120)、電解質(130)、空気極(140)、及びやはり複数の燃料チャネル(155)を含むことがある第２のガスマニホルド(150)を含むことができる。
【００１２】
図１Ａに示したガスマニホルド(110,150)は、SOFCに対する構造的な支持を提供し、１つの例示的な実施形態による複数の燃料電池間の電気的な相互接続部としてはたらく。ガスマニホルド(110,150)を構成する材料は、SOFC(100)に構造的な支持を提供することができると同時にハウジング間の電気的な相互接続部としてはたらくことができる任意の材料とすることが可能であり、例えば、高温燃料電池用のドープドランタンクロマイトや、摂氏600〜800度の動作温度を有する燃料電池用のフェライト系ステンレス鋼が挙げられる（但しこれらには限定されない）。以下のSOFC(100)は、説明を簡単にするために、フェライト系ステンレス鋼ガスマニホルド(110,150)内に配置されたSOFCの文脈で説明する。更に、セラミクス燃料電池を形成するこの方法は、平面構造のセラミクス燃料電池又は特定の幾何学形状のハウジングの形成に決して限定されない。
【００１３】
また、図１Ａに示すガスマニホルド(110,150)は、燃料電池(100)に燃料を供給するように構成されて使用可能な電気の生成を容易にする幾つかの燃料チャネル(115,155)を含む。図１Ａに示すように、燃料極(120)に最も近いガスマニホルド(110)は、燃料極(120)に燃料を提供する燃料チャネル(115)を含む。燃料チャネル(115)によって燃料極に提供される燃料は、典型的には水素又はメタンである。また、空気極(140)に最も近いガスマニホルド(150)は、空気などの酸化剤をSOFC(100)の空気極に提供する燃料チャネル(155)を含む。図１Ａに示した燃料チャネル(110,150)は、それぞれ平行な向きで示されているが、対向する燃料チャネルは、燃料チャネル(110,150)が垂直又はその他の任意の各向きを有するように組み立てることが可能である。
【００１４】
図１Ａに示した燃料極(120)、空気極(140)、及び電解質(130)は、第１のガスマニホルド(110)のトレンチ(115)によって燃料が燃料極(120)に供給され、第２のガスマニホルド(150)のトレンチ(155)によって酸素が空気極(140)に供給されるときに、外部回路が使用可能な電気を生成するように構成されている。動作時、燃料(通常は水素H2又はメタンCH4)は、トレンチ(115)を通って燃料極(120)に達し、そこで電解質(130)からの酸素イオンと反応して外部回路に電子を放出する。SOFC(100)の反対側では、酸化剤(02や空気)が、トレンチ(115)を介して空気極(140)に供給される。酸化剤は、外部回路から電子を受け取ることによって電解質(130)に酸素イオン(02−)を提供する。次に、電解質(130)は、そのようなイオンを電極(120,140)間で導くことができ、それにより全体の電荷バランスが維持される。前述のプロセスの結果、外部回路内の電子の流れが、有効電力（useful power）を提供できるものとなる。
【００１５】
図１Ａに示した燃料極(120)は、水素やメタンなどの燃料を受け取り酸素イオンと反応したときに外部回路に電子を放出できる任意のセラミクス材料とすることが可能である。燃料極(320)を形成するために使用される材料は、電子導伝性のニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメットなどのセラミック／金属複合物を含むことが可能であるが、これらには決して限定されない。同様に、図１Ａに示したSOFCの空気極(140)は、亜マンガン酸ランタン(LaMnO3)などの混合導電性ペロブスカイトを含むがこれらには決して限定されない、酸素又は空気と電子とを酸素イオンに変換することができる任意のセラミクス材料とすることが可能である。図１Ａに示した電解質(130)は、イットリア安定化ジルコニアのようなジルコニアを主成分とする電解質、ガドリニウムドープド二酸化セリウム、Ba2In2O5、(ストロンチウム,マグネシウム)ドープドLaGaO3(LSGM)などを含むが、これらには決して限定されない任意の酸素イオン導伝性電解質とすることが可能である。
【００１６】
図１Ｂは、１つの例示的な実施形態による、電気負荷(160)に有効電力を提供するように構成された２連式SOFC(100)を示している。図１Ｂに示すように、生成された有効電力の量を合成するために、複数のSOFC(100)を積み重ね、又は互いに電気的に結合することが可能である。図１Ｂに示すように、複数のSOFC(100)を、そのガスマニホルド(110,150)が電気的に結合されるように構成することが可能である。複数のSOFC(100)は、上述のように有効電力を生成し、その有効電力を複数の電気リード線(170)によって電気負荷(160)に提供することが可能である。図１Ｂに示した電気負荷(160)は、例えばラップトップコンピュータ、テレビ、モータ、ライトなどの電力を消費する任意の装置とすることが可能である。
例示的な実施形態とその動作
図２は、１つの例示的な実施形態による低温処理法を使用してセラミクス燃料電池を製造する方法を示すフローチャートである。図２に示すように、この形成プロセスは、最初に、基板上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料を堆積させることが可能である(ステップ200)。水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料を堆積させた後、その燃料極材料上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料を堆積させ(ステップ210)、その後、該電解質材料上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料を堆積させることが可能である(ステップ220)。全ての材料を堆積させた後、熱水作用による脱水処理を実行することが可能である(ステップ230)。次いで、最終処理のために大気中でセラミクス燃料電池をその動作温度まで加熱する(fire)ことにより、形成プロセスを終了することが可能である(ステップ240)。ここで、図２に示した例示的な方法を、図３〜図６に関連して更に詳しく説明する。
【００１７】
前述のように、セラミクス燃料電池の低温製造は、基板に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料を堆積させることで始まることが可能である(ステップ200)。図３に示すように、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)の堆積を受けるために使用される基板は、フェライト系ステンレス鋼や耐熱性プラスチックス燃料マニホルドなどの低温支持構造(300)とすることが可能である。一般に、SOFCは、耐熱性基板上に形成され、その後で組み立てのために複数の燃料マニホルドに移されなければならない。しかし、この低温SOFC形成方法は、フェライト系ステンレス鋼を溶融、変形又は破損させる温度よりも低い温度で実行される。更に、この方法の作業温度のために、この方法では基板として耐熱性プラスチックを使用することが可能である。その結果、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料を受容する基板として、所望の低温支持構造(300)を使用することが可能となる。
【００１８】
図３に示すように、完成したSOFC(図１Ａの100)に燃料を提供するために、低温支持構造(300)に複数のトレンチ(305)を形成することが可能である。しかし、SOFCを形成する際に、該トレンチに、有機、金属、又は無機犠牲材料（例えば、フォトレジスト、UNITY、又は燃料電池構成要素の形成後にエッチング又は熱分解することができる他の任意の材料等）を充填することが可能である。該犠牲材料は、形成時に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)に構造的な支持を提供するために燃料マニホルド(300)のトレンチ(305)内に堆積され、次いで形成後に熱的又は化学的に除去することが可能である。
【００１９】
ステップ200によってフェライト系ステンレス鋼燃料マニホルド(300)に堆積された水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料は、薄膜として堆積され熱水作用により処理されたときに水酸化ジルコニウム(Zr(OH)(4))の一種を含むが全くこれらに限定されない燃料極を形成する任意の材料とすることが可能である。更に、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)は、スクリーン印刷、スピンオン堆積、コロイド噴霧堆積、ドクターブレード法、テープキャスティング、又はこれらの適切な組み合わせを含むがこれらには決して限定されない任意の適切な薄膜堆積手段によって低温支持構造(300)に堆積させることが可能である。単に説明を容易にするために、本書では、この方法及び装置は、スクリーン印刷堆積法の文脈で説明される。水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極及びその後の層は、SOFC形成プロセスにおける収縮の影響を小さくするためにかなり稠密に堆積させることが可能である。
【００２０】
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)を低温支持構造上に堆積させた(図２のステップ200)後、燃料極材料の露出面の上及びそのまわりに水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料を堆積させることが可能である(図２のステップ210)。図４に示すように、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料(400)は、電解質材料(400)が燃料極材料(310)の露出面全体を取り囲み、かつ低温支持構造(300)と均一に接触できるように堆積される。水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料(400)は、薄膜として堆積され熱水作用で脱水されたときに水酸化ジルコニウム(Zr(OH)3又は4)の一種を含むがこれらには決して限定されない電解質セラミクスを形成する任意の材料を含むことが可能である。更に、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料(310)は、前に列挙したうちの任意の堆積方法で燃料極材料(310)上に堆積させることが可能である。１つの例示的な実施形態によれば、燃料極材料(310)及び電解質材料(400)は両方とも、スクリーン印刷法を使用して堆積される。また、燃料極材料(310)の堆積と同様に、電解質材料(400)は、更に他の処理における熱収縮の影響を小さくするためにかなり稠密な状態で堆積させることが可能である。
【００２１】
電解質材料(400)が堆積されたとき、電解質材料上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料を堆積させることが可能である(図２のステップ220)。図５に示すように、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料は、ステップ210で堆積された電解質材料層(400)上に堆積させることが可能である。水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料(500)は、薄膜として堆積され熱水作用で脱水された際にセラミクス空気極（水酸化マンガン酸ランタンを含むがこれには決して限定されない）を形成する任意の材料とすることが可能である。更に、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料(500)は、前述の堆積方法のうちの任意の方法で堆積させることが可能である。この例示的な実施形態によれば、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料(500)は、スクリーン印刷法により堆積させることが可能である。
【００２２】
水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極(310)、電解質(400)、及び空気極(500)が低温支持構造(300)上に堆積した状態で、図６に示すように一番上の低温支持構造(600)をSOFCに結合することができ、構造全体に熱水作用による脱水処理を行い(図２のステップ230)、これにより堆積層が焼結する。熱水作用による脱水は、高温及び／又は高圧状態の水溶液を利用して、制御された温度と圧力の条件での核生成と成長によって粒子を形成する方法である。１つの例示的な実施形態によれば、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極(310)、電解質(400)及び空気極(500)材料を含む構造は、例えばボンベ熱量計、水収容炉(water receiving oven)、局所的ストリームジェットなどの温度制御可能な加圧容器内に入れられる。ボンベ熱量計は、水によって供給される熱エネルギーならびに背景圧力(background pressure)を、収容された構造に供給することが可能である。水酸化物又はオキシ水酸化物の薄膜は、熱と圧力の導入によって酸化物セラミクスの形態に変換される。熱と圧力は、燃料極(310)、電解質(400)及び空気極(500)の溶融と再結晶化を促進し強化する。加熱は、SOFC(610)を、印加される背景圧力によって200℃を超える温度に達することがある所望の温度にする「傾斜」加熱ステップを含む。熱水作用による脱水プロセスは、バッチプロセス、半バッチプロセス、又は連続プロセスで行なわれることがある。バッチプロセスか、半バッチプロセスか、連続プロセスかに関係なく、リアクタ滞留時間は、約10分から数時間をはるかに超える時間までに変化することがある。
【００２３】
熱水作用による脱水プロセス(図２のステップ230)中に加えられる温度及び圧力は、得られる燃料極(310)、電解質(400)及び空気極(500)層内に特定の結晶構造を得るために、厳密に制御することが可能である。結晶組織は、得られるセラミクスの指定の導電性又はイオン導伝性を得るように制御することが可能である。更に、熱水作用による脱水プロセスに導入される水の水素イオン濃度指数(pH)又は酸化力を、追加の材料（過酸化水素又は塩基を含むがこれらには決して限定されない）の導入により制御することが可能である。該追加の材料は、特定の結晶構造及び結晶成長を制御するために溶液の固体溶解度を修正して粒子成長速度を修正するよう追加することが可能である。
【００２４】
この方法は、水酸化物とオキシ水酸化物を熱水作用により脱水する文脈で説明しているが、類似の方法を使用して、酸化鉄、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、また酸化シリコンを含むがこれらには決して限定されない任意の数の構造を形成することが可能である。以上述べた構造を作成する前駆物質溶液は、水溶性硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、及びシュウ酸塩溶液を含むことが可能であるがこれらには決して限定されない。
【００２５】
SOFC(610)が熱水作用により脱水され、燃料極(310)、電解質(400)及び空気極(500)が形成された後、SOFC(610)は、最終処理のために、大気中でSOFCの動作温度まで加熱されることが可能である(図２のステップ240)。最終処理は、イオン導伝率又は電導率を含むSOFCの最終的な特性の確立ならびに低温支持構造(図３の300)のトレンチ(図３の305)内にある犠牲材料層の除去を含むがこれらには決して限定されない複数の目的を達成することが可能である。最終的な特性が完成したとき、図１Ｂに示すように、SOFC(図６の610)を燃料スタックに組み込んで有効電力を生成することが可能である。
【００２６】
以上述べた方法に従って形成されたSOFCは、従来の方法で形成されたSOFCよりも優れた複数の利点を有することがある。まず、制御可能な低温処理を使用することにより、水酸化物やオキシ水酸化物などの有毒でなく環境にやさしい材料の使用が可能になる。更に、この方法の処理温度が、典型的なSOFC形成方法よりも低いので、処理装置によって消費されるエネルギー量及びSOFCの全体的な処理コストが削減される。更に、以上述べたプロセスは、低レベルの熱を使用してSOFCを形成するので、SOFCを所望の低温燃料マニホルド上に直接形成することができ、それにより組み立て時間とコストが削減される。
代替的な実施形態
図７に示す１つの代替的な実施形態によれば、SOFCの形成中に複数の熱水作用による脱水処理を実行することが可能である。具体的には、図７に示すように、このSOFC形成方法の代替的な実施形態は、基板上に水酸化物又はオキシ水酸化物形態の燃料極材料を堆積させること(ステップ700)と、その後の熱水作用による脱水処理(ステップ710)を含むことがある。熱水作用による脱水処理によって所望の結晶構造が十分に確立された後、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の電解質材料を燃料極上に配置し(ステップ720)、再び熱水作用による脱水処理を行い(ステップ730)、その後で、水酸化物又はオキシ水酸化物形態の空気極材料の蒸着(ステップ740)と熱水作用による脱水(ステップ750)を行う。最後に、図７に示す代替的な実施形態によれば、SOFCは、最終処理のために大気中でSOFCの動作温度まで加熱される(ステップ760)。
【００２７】
図７に示す代替的な方法は、それぞれの水酸化物又はオキシ水酸化物薄膜の堆積(ステップ700,720,740)後に熱水作用による脱水処理(ステップ710,730,750)が行われること以外、前に説明した図２に示した方法ときわめて類似している。燃料電池構成要素の各層毎に熱水作用による脱水処理のpH又は酸化力をより厳密に制御し及び／又は変化させるために、堆積と堆積の間に熱水作用による脱水処理を実行することが可能である。このSOFCの各層を個々に形成することによって、熱水作用による脱水処理間に生成される結晶粒又は粒子サイズのより高度な制御が可能になる。得られる結晶粒又は粒子サイズを制御することにより、各燃料電池構成要素の活性面の露出が制御される。この活性面の露出を制御することにより、形成されたSOFC構成要素の導電性及び／又はイオン導伝性の厳密な制御が可能となる。
【００２８】
以上、例示的な実施形態を説明したが、当業者には、前述の実施形態に対する多くの修正及び／又は追加が容易に明らかになる。限定ではなく例として、前述のSOFC層の形成順序を変更することが可能である。更に、この方法により、SOFCの全ての構成要素ではなく選択的な構成要素を形成することもできる。すなわち、ある構成要素は従来の方法で形成され、他の構成要素はこの方法で形成されてもよい。この方法の適用範囲は、そのような全ての修正及び／又は追加に拡張されるものである。
【００２９】
結論として、このセラミクス低温形成システムは、その様々な実施形態において、固体酸化物型燃料電池を形成するのに必要な処理時間ならびに必要なエネルギー及び組立て時間を同時に削減する。具体的には、この方法は、従来の焼結温度よりもかなり低い温度で働く熱水作用による脱水処理によってセラミクス層の焼結を実現する。その結果、固体酸化物型燃料電池を形成するのに必要な電力量が減少する。更に、固体酸化物型燃料電池を生成するために必要な動作温度が低いので、従来可能であったものよりも広い範囲の融点を有する基板又は構成要素を使用することが可能である。更に、この方法によって生成される結晶粒又は粒子サイズの厳密な制御によって、固体酸化物型燃料電池のセラミクス層の導電性及びイオン導伝性の厳密な設計が可能になる。
【００３０】
以上の説明は、単に例示的な実施形態を示し説明するために提示された。この説明は、網羅的なものでもなく例示的な実施形態を開示した厳密な形態に限定するものでもない。以上の教示を鑑みて多くの修正及び変形が可能である。適用範囲は添付の特許請求の範囲によって画定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】例示的な一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、１つの例示的な実施形態による固体酸化物型燃料電池スタックの断面図である。
【図２】１つの例示的な実施形態による低温処理でセラミクス燃料電池を製造する方法を示すフローチャートである。
【図３】１つの例示的な実施形態によるセラミクス燃料極を形成する方法を示す断面図である。
【図４】１つの例示的な実施形態による電解質の低温形成を示す断面図である。
【図５】１つの例示的な実施形態による空気極の低温形成を示す断面図である。
【図６】１つの例示的な実施形態による低温処理法によって形成され組み立てられた固体酸化物型燃料電池(SOFC)の断面図である。
【図７】１つの例示的な実施形態による低温処理技術によりセラミクス燃料電池を製造する代替方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
100    固体酸化物型燃料電池(SOFC)
120    燃料極
130    電解質
140    空気極
300    低温支持構造
310    燃料極材料
400    電解質材料
500    空気極材料
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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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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