(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質構造体において、少なくとも１つの表面が粗雑化ナノ結晶層で被覆され、該粗雑化ナノ結晶層は、０．５μｍより小さい粒度を有する微結晶を含み、該粗雑化ナノ結晶層の平均表面粗さは１５０ｎｍより大きいことを特徴とする、電解質構造体。
【請求項２】
前記電解質構造体が多結晶セラミックであることを特徴とする請求項１記載の電解質構造体。
【請求項３】
前記電解質構造体の厚さが５μｍから４５μｍまでであることを特徴とする請求項１記載の電解質構造体。
【請求項４】
前記層が前記電解質構造体と同じ組成であることを特徴とする請求項１記載の電解質構造体。
【請求項５】
前記層が前記多結晶セラミックに混合された電子伝導相をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の電解質構造体。
【請求項６】
前記電子伝導相が金属、金属合金またはサーメットであることを特徴とする請求項５記載の電解質構造体。
【請求項７】
固体酸化物燃料電池において：
正空気電極；
負燃料電極；
前記正空気電極と前記負燃料電極との間に挟み込まれた電解質構造体；及び
前記電解質構造体と前記正空気電極及び前記負燃料電極の内の少なくとも１つとの間に挟み込まれた粗雑化ナノ結晶層；
を備え、前記粗雑化ナノ結晶層は、０．５μｍより小さい粒度を有する微結晶を含み、該粗雑化ナノ結晶層の電極側界面の平均表面粗さは１５０ｎｍより大きいことを特徴とする、燃料電池。
【請求項８】
前記正空気電極が銀−パラジウム−ジルコニア電極であり、前記負燃料電極が銀−パラジウム−ジルコニア電極であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の背景
本発明は粗雑化界面ナノ結晶層で被覆された電解質及び固体酸化物燃料電池での前記電解質の使用に関する。
【０００２】  燃料電池及び酸素ポンプのための固体電解質材料の使用は、多年にわたりかなり大きな研究対象になっている。固体酸化物燃料電池(“ＳＯＦＣ”)の一般的な基本要素には、多孔質の、導電性金属、サーメット、またはセラミック電極の間に挟み込まれた、緻密な、酸素イオン透過性電解質がある。そのような電池では、正極から電解質を透過した酸素イオンと反応する、水素のような燃料材料の、負極における、酸化により電流が発生する。
【０００３】  実用的な電力発生ユニットは一般に、導電性セラミック、サーメット、または金属の配線材料で直列または並列に相互接続された、多数の上記のような構成の燃料電池を備えているであろう。現時点において、そのようなデバイスに選ばれる材料には、電解質についてはイットリア(Ｙ２Ｏ３)安定化ジルコニア(ＺｒＯ２)、負極材料についてはニッケル−ＺｒＯ２サーメット、正極についてはストロンチウムドープ亜マンガン酸ランタン(ＬａＭｎＯ３)、相互接続構造については金属、特にＣｒ／Ｆｅ合金及びＮｉ合金、金属間化合物及びＳｒまたはＢａドープＬａＣｒＯ３がある。別の酸素イオン透過体も知られている。十分な温度(例えば６００℃以上)で、ジルコニア電解質は良好なイオン透過率を示し得るが、電子伝導度は低い。
【０００４】  固体酸化物燃料電池には相異なるいくつかの構造が開発されており、そのような構造には、例えば、支持チューブ構造、セグメント化直列セル構造、モノリシック構造、及びプレーナ構造がある。これらの構造は全て文献に示されており、最近の解説の１つに、ミン(Minh)，「高温燃料電池第２部：固体酸化物電池」，Chemtech.，１９９１年，第２１巻，ｐ．１２０〜１２６，がある。
【０００５】  チューブ構造は、電極及び電解質層で外部が被覆された、末端封止多孔質ジルコニアチューブを備える。この構造の性能は、酸化体が多孔質チューブを通って拡散する必要があることから、やや劣る。ウエスティングハウス(Westinghouse)社は、ジルコニア電解質膜及びジルコニア電解質の厚さを横断するクロム酸ランタン配線をもつ多孔質ジルコニアまたは亜マンガン酸ランタンストロンチウム正極支持チューブを有する燃料電池素子を開示する、数多くの米国特許を有している。負極が電解質上に被覆されて、多孔質ジルコニア支持体上の、一体化多孔質正極支持体または多孔質正極の上部に、電解質膜を含む作動燃料電池三重層を形成する。１９６０年代初期以降に提案されたセグメント化構造(ミン等著，「セラミック燃料電池の科学及び技術(Science and Technology of Ceramic Fuel Cells)」，エルスビア(Elsevier)，１９９５年，ｐ．２５５)は、支持体上の薄い帯状構造に、または差込み継手構造のような自己支持型構造として、配列されたセルからなる。
【０００６】  自立型電解質膜を利用する、数多くのプレーナ構造が開示されている。セルは電極を塗布することにより形成され、電解質シート及び塗布電極からなる。次いで、一般にこれらのセルは積み重ねられ、電圧を高めるために直列に接続される。マルチセルすなわち“ハニカム”型構造を有することを特徴とするモノリシック構造は、高いセル密度及び高い酸素透過率という利点を提供する。セルは、波形シートと、様々な電極、導電性配線、及び電解質層を組み込んでいる平シートとの組合せにより定められ、代表的なセル間隔は１〜２ｍｍ，電解質厚は２５〜１００μｍである。
【０００７】  エイトケン(Aitken)等への米国特許第５，２７３，８３７号は、耐熱衝撃型燃料電池のための薄いシート形態に焼結された電解質配合物を包含している。上記特許の明細書は、粉末化セラミック及び結合剤を含む前駆体シートが薄く柔軟な焼結多結晶電解質シートを提供するために前もって焼結される、屈従性がある電解質構造体を作成するための改善された方法を説明している。ケッチャム(Ketcham)等への米国特許第５，０８９，４５５号の明細書にも説明されているような、シートに直接に結合された金属、セラミックまたはサーメット電流導体を含む、前もって焼結されたシート上に燃料電池回路の補助コンポーネントが結合される。エイトケン等への米国特許第５，２７３，８３７号の明細書は、隣接する電解質シートの正極と負極が互いに面し、燃料電池マニホールドの高温域においてセルが厚い配線／セパレータで接続されていない構造を示している。これらの薄い柔軟な焼結電解質を含むデバイスは、薄い電解質による低オーミック損失と焼結状態での柔軟性及び強靭性とを併せ持つことにより優れている。
【０００８】  燃料電池の性能、すなわち電流容量したがって電池の総合効率は、内部抵抗により制限され、いかなる電源の最大電力もＰ最大＝Ｖ２／４Ｒ内部で与えられる。燃料電池回路は、電解質、電極、及び電流導体からなる。内部抵抗は、電極オーミック抵抗、電解質抵抗、電荷移動反応に対する電極／電解質界面抵抗及び電流導体抵抗を含む、いくつかの成分の和である。電荷移動に対する界面抵抗は主として、電極の、電気化学的挙動並びに物理的及び化学的性質に依存する。
【０００９】  従来技術のデバイスでは、ＳＯＦＣにおいて内部抵抗を十分に低減することができなかった。例えば、正極焼結中のＬａ(Ｓｒ)ＭｎＯ３との反応によるジルコニウム酸ランタン型化合物の形成を避けるため、ＣｅＯ２の緻密な薄層がジルコニア上にスパッタ被着された。ジルコニウム酸ランタン化合物は、イオン透過性が劣り、電極−電解質界面に存在すると燃料電池の性能を大きく低下させる。マレイ(Murray)等は、「(Ｌａ，Ｓｒ)ＭｎＯ３及び(Ｌａ，Ｓｒ)(Ｃｏ，Ｆｅ)Ｏ３正極におけるＧｄドープ第二相セリアの添加により改善された性能」，Electrochem. Soc. Proc.，１９９９年，第ＰＶ９９-１９号，ｐ．３６９〜３７９において、電極膜の密着性を改善するためにグリットで粗くされた電解質表面に対して低減された内部抵抗を有するセリア改質正極の適用を説明している。
【００１０】  本発明は、上記燃料電池構造のいずれにも適用可能な、改善された物理的、熱的、及び電気的特性をもつセルを提供する、改善された燃料電池構成の提供に向けられる。特に、本発明は、高い電極／電解質界面抵抗及び電極と電解質との間の劣悪な密着性という性能制限条件の克服に向けられる。
【００１１】発明の概要
本発明は、少なくとも１つの表面の上が粗雑化界面ナノ結晶層で被覆された電解質構造体に関する。
【００１２】  本発明は粗雑化界面ナノ結晶層をもつ電解質構造体の作成方法にも関する。本方法は、電解質基板を提供する工程、電解質基板の少なくとも１つの表面の上に界面微粒子層を与える工程、及び界面層を焼結する工程を含む。
【００１３】  本発明の別の態様は、正空気電極、負燃料電極、正空気電極と負燃料電極との間に挟み込まれた電解質構造体、及び電解質構造体と正空気電極及び負燃料電極の内の少なくとも１つとの間に挟み込まれた粗雑化界面ナノ結晶層を備える、固体酸化物燃料電池である。
【００１４】  本発明のまた別の態様は、正空気電極、負燃料電極、正空気電極と負燃料電極との間に挟み込まれた電解質構造体を備え；電解質構造体が直列または並列に接続された少なくとも２つの多重セルをつくるに有効な条件の下で電解質構造体の対向する両面のそれぞれの上で複数の電極に結合され；前記少なくとも２つの多重セル燃料電池が組み合わされて、ガス分離または配線層をさらに付加することなく空気または燃料領域を形成するに有効な条件の下で隣接する多重セル燃料電池の同類の電極が互いに面する、交互する燃料／空気マニホールドを構成する、固体酸化物燃料電池である。
【００１５】  本発明は固体酸化物燃料電池の作成方法にも関する。本方法は、電解質基板を提供する工程、電解質基板の少なくとも１つの表面の上に少なくとも１つの界面ナノ結晶層を与える工程、前記少なくとも１つの界面ナノ結晶層を焼結する工程、及び前記少なくとも１つの界面ナノ結晶層に少なくとも１つの電極層を与える工程を含む。
【００１６】  本発明の粗雑化界面ナノ結晶層により、固体電解質燃料電池における界面抵抗が低減される。低減された界面抵抗により、燃料電池の高電力密度及び／または低温動作が得られる。よって、燃料電池の性能、すなわち電流容量したがって燃料電池の総合効率が改善される。さらに、本発明の粗雑化界面ナノ結晶層の使用により、電解質への電極の密着性が改善される。
【００１７】詳細な説明
本発明は、少なくとも１つの表面が粗雑化界面ナノ結晶層で被覆された電解質構造体に関する。本明細書で用いられるナノ結晶層は、粒度が１μｍより小さく、好ましくは０．５μｍより小さい、微結晶でつくられた結晶層からなる。一実施形態において、電解質構造体は多結晶セラミックである。好ましい多結晶セラミックには、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、安定化ハフニア、部分安定化ハフニア、ジルコニアとハフニアの混合物、ジルコニアを含むセリア、ジルコニアを含むビスマス、ガドリニウム、及びゲルマニウムがある。最も好ましい多結晶セラミックは、安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアである。これらには、Ｙ，Ｃｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｓｃ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ及びＷの酸化物並びにこれらの混合物からなる群から選ばれるドーパントがドープされた、部分安定化ジルコニアまたは安定化ジルコニアが含まれる。
【００１８】  好ましい実施形態において、本発明の電解質構造体の厚さは、４５μｍより薄く、好ましくは３０μｍより薄く、最も好ましくは５〜２０μｍである。本発明の薄く柔軟な多結晶セラミック電解質は、強化された耐熱衝撃性及び電気化学的性能を提供し、界面層を容易に与えることができる耐久性のある自立型電解質層を提供する。本明細書に参照として含まれる、ケッチャム等への米国特許第５，０８９，４５５号の明細書は、このタイプの薄い自立型電解質の配合及び製造を開示しており、この特許はそのような材料のさらに詳細な説明について参照することができる。
【００１９】  上記特許にしたがって提供されるテープ流延部分安定化(イットリアが３％ドープされた)ジルコニアの電解質のような、柔軟な焼結セラミックシート電解質の表面は、比較的平滑である。そのようなシートについて、測定値には測定された電解質シートの表面に散在する最大寸法で３３０ｎｍをこえるピークと谷が含まれているにもかかわらず、６０ｎｍ程度の代表算術平均粗さ(Ｒａ)値がザイゴ(Zygo)光学プロファイルメータにより測定されている。
【００２０】  対照的に、本発明にしたがって提供される粗雑化界面層は、同じ手法で測定したときに、一般に１５０ｎｍより大きく、より一般的には２００ｎｍより大きい、算術平均表面粗さを示す。この粗さの増大は主として、数がかなり多く、かなり大きなピークと谷が材料表面に存在することによると思われる。以降でさらに十分に説明される好ましいスリップコーティング法により界面層が与えられる場合、この表面組織はおそらく、界面被覆スリップ内の、大きな、軽く凝集した構造にあるナノ粒子から生じ得る。大規模では、凝集構造間の境界が電解質表面に深く入り込んだ谷を与えると思われる。
【００２１】  いずれにせよ、発明者等は、界面層により生じた粗さの増大が電極及び燃料電池に対する機械的性能も電気化学的性能(低界面抵抗)も改善することを見いだした。微細規模では非常に多くのピークにより、大規模では細い境界構造の深い谷による、いずれの粗さも、熱膨張係数が完全には一致していない電極の密着性を改善する。データは、微細規模ピークの増加も、電気化学的反応がおこる電極−電解質接触面積をより大きくすることにより、電気化学的性能を改善することを示唆している。
【００２２】  本発明の好ましい実施形態において、界面層は上述の電解質構造体と同じ組成の多結晶セラミックである。ジルコニア電解質との界面層に特に適する多結晶セラミックは、上述の部分安定化ジルコニア及び安定化ジルコニア、Ｙ２Ｏ３またはＰｒをドープしたＣｅＯ２、及びこれらの混合物である。Ｙ２Ｏ３またはＰｒをドープしたＣｅＯ２あるいはＴｂをドープしたＺｒＯ２の界面層は、イオン透過性及び電子伝導性のいずれをも有し得る。このことが、界面層の粗く／多孔質の幾何学的形状とともに、界面抵抗をさらに低下させ、より低い温度であっても動作を可能にする。
【００２３】  本発明の界面層は抵抗にオーミック成分を有する。界面層が薄く緻密になるほど、このオーミック成分は小さくなる。したがって、好ましい実施形態において界面層の厚さは、好ましくは５μｍより薄く、より好ましくは２μｍより薄く、最も好ましくは１μｍより薄い。
【００２４】  ３つの相界面は、電子伝導相の界面層への浸入により、際立たせることができる。したがって本発明の一実施形態において、界面層は、電流経路として用いることができる電子伝導相をさらに含む。一般的にこの相は、界面層の粒状組織全体にわたって一様に分布するであろう。
【００２５】  電子伝導相は金属、金属合金、またはサーメットであることが好ましい。適する金属には、白金、パラジウム、金、銀、これらの混合物がある。適する合金には、白金、パラジウム、金、銀、これらの混合物及びその他の金属との合金がある。適するサーメットには、白金、パラジウム、金または銀と組み合わされたジルコニア、酸化クロム、アルミナまたはチタニアからなるサーメット、及びペロブスカイトを含むサーメットがある。また、上記金属のガラス及びガラスセラミックとの混合物も適している。金属銀が特に好ましい。界面層への金属銀の添加により、界面抵抗の有益な低減が得られる。電子伝導相のそのような付加は、当業者には既知の方法により達成できる。例えば、金属銀の添加は、硝酸銀溶液を浸み込ませ、次いで熱処理して硝酸塩を金属に転換することにより達成できる。
【００２６】  本発明は、粗雑化界面ナノ結晶層をもつ電解質構造体の作成方法にも関する。本方法は、電解質基板を提供する工程、電解質基板の少なくとも１つの表面の上に少なくとも１つの界面ナノ結晶層を与える工程、及び前記少なくとも１つの界面ナノ結晶層を焼結する工程を含む。
【００２７】  一実施形態において、前記与える工程は酸化物粒で電解質基板を被覆する工程を含む。別の実施形態において、前記与える工程は、分解して粒状物になる前駆体化合物で電解質基板を被覆する工程を含む。適する前駆体化合物には、酢酸ジルコニウム、オキシ硝酸ジルコニウム、塩化ジルコニウム、硫酸ジルコニウム及び水酸化ジルコニウムがあり、さらにコロイド状ジルコニアの作成も含まれる。
【００２８】  本発明の界面層を電解質基板上に与えるに適する方法には、以降でさらに十分に説明されるような、粒子分散スリップによるテープ流延法がある。本発明の界面層を与えるに適する別の方法には、浸漬被覆、流し塗、吹付塗、静電塗装及び刷毛塗がある。さらに、様々な印刷及び転写法を、緻密な電解質基板の全てまたは部分部分を覆って界面層への前駆体を形成するために用いることができよう。
【００２９】  本発明の方法の好ましい実施形態の１つは、電解質の作成に用いられたスリップと同様のスリップを提供する工程及び、焼結電解質基板をそのスリップで被覆し、続いて被覆を焼結する工程を含む。本発明の方法の別の好ましい実施形態は、電解質の作成に用いられたスリップと同様のスリップを提供する工程及び、未焼結電解質基板をそのスリップで被覆し、続いて電解質及び被覆を一緒に焼結する工程を含む。これらの方法により、ある程度の微細スケール表面粗さが電解質上に残る。焼結時間及び温度に依存して、被覆は多孔質になり得る。
【００３０】  本発明の方法において、焼結温度及び被覆厚(スリップ希釈比)は、オーミック成分を低減することと動作温度のために界面抵抗成分を可能な限り低く保つことの間で最善の妥協が得られるように、調節される。
【００３１】  本発明の別の態様は、正空気電極、負燃料電極、正空気電極と負燃料電極との間に挟み込まれた電解質構造体並びに電解質構造体と正空気電極及び負燃料電極の内の少なくとも１つとの間に挟み込まれた粗雑化界面ナノ結晶層を備える、固体酸化物燃料電池である。図１は、本発明にしたがって提供される燃料電池ユニットの一セグメントの簡略な断面図を示す。図１の部分正面図において、粗雑化界面ナノ結晶層２は電解質４と電極６及び７のそれぞれとの間に挟み込まれている。図２は、界面層２，電解質４，及び電極６を示す断面のＳＥＭ写真を示す。
【００３２】  全ての従来型固体電解質燃料電池と同様に、本発明の固体電解質燃料電池は、図１に示されるように、従来通りに、他の電極と、または壁体１２のようなガス保有壁体要素と境を接することができる、酸化体貯蔵槽８及び燃料貯蔵槽９を少なくとも備える。これらの貯蔵槽は電極−電解質構造により互いに隔てられ、電解質は活性化すると酸化体貯蔵槽と燃料貯蔵槽との間のイオン透過を可能にするが電子伝導は抑制する。
【００３３】  本発明の重要な態様において、燃料電池は、緻密または多孔質電極層、電流導体、及び電気リードからなる群から選ばれる少なくとも１つの別の燃料電子コンポーネントと直接または間接に結合される少なくとも１つの界面層をもつ電解質構造体を備える。
【００３４】  一般に、上述したような屈従性のある燃料電池電解質構造体は、被覆された電解質構造体に結合された、負極層、正極層、及び電流導体の内の少なくとも１つを備えるであろう。さらに好ましくは、少なくとも１つの、金属、セラミックまたはサーメット導体と少なくとも１つの電極(正極及び／または負極)との、電極が電流導体にも電解質構造体にも電気的に接触している、結合された複合体が備えられるであろう。
【００３５】  本発明はいかなる特定の電極または電流導体族にも限定されない。すなわち、白金、白金合金、銀またはその他の貴金属、ニッケルまたはニッケル合金の、ワイヤまたはメッシュで一般に形成されるような構造を、これらの材料の全面被覆層またはパターン付層として、用いることができる。これらの導電構造は、電極層の上部または下部に与えられるか、あるいは辺に沿って与えられる、集電体としてはたらくことができる。
【００３６】  本発明の電解質との組み合わせに有用な負極材料の中には、銀−パラジウム−ジルコニア組成材及び、ニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメット、貴金属／イットリア安定化ジルコニアサーメットのような、１〜４０％の不活性相を含むサーメットがあり、ニッケル／イットリア安定化ジルコニアサーメット及び貴金属／イットリア安定化ジルコニアサーメットは特に有用であるが、負極材料としての使用に限定されることはない。負極材料として有用なその他の材料には、アルカリ土類元素ドープ亜クロム酸ランタン、チタニアドープ及び／またはセリアドープイットリア安定化ジルコニア、導電性ペロブスカイト等がある。
【００３７】  有用な正極材料には、ストロンチウムドープ亜マンガン酸ランタン、カルシウムドープ亜マンガン酸イットリウム、その他のアルカリ土類元素をドープした、亜クロム酸ランタン、ランタンコバルタイト、亜マンガン酸ランタン並びに貴金属／イットリア安定化ジルコニアサーメットのような、サーメット及びサーメット材料がある。上記の例は、用い得る様々な電極材料の代表例にすぎない。
【００３８】  本発明の粗雑化界面層は、銀−パラジウム−ジルコニア電極材及びイットリア部分安定化ジルコニア電解質との使用に特によく適する。銀−パラジウム−ジルコニア電極及びイットリア部分安定化ジルコニア電解質と組み合わされた、厚さが約２μｍより薄い粗雑化界面ナノ結晶層は、７２５℃より低い温度で０．１〜０．３Ω／ｃｍ２より小さい界面抵抗を与えることができる。図３は達成され得る低界面抵抗を示す。
【００３９】  本発明の粗雑化界面ナノ結晶層により、固体電解質燃料電池の界面抵抗が減少する。低減された界面抵抗により、燃料電池の高電力密度及び／または低温動作が達成される。特に、理論的な根拠はないが、界面の粗い及び／または多孔質の性質のため、銀−パラジウム−ジルコニア電極が電解質と結合し、電解質内に酸素イオンを注入するための、接触点がより多くなり得ると考えられる。
【００４０】  燃料電池の性能はその内部抵抗により制限され、いかなる電源の最大電力も、Ｐ最大＝Ｖ２／４Ｒ内部で与えられる。燃料電池回路には、電解質、電極及び電流導体が含まれる。内部抵抗は、電極のオーミック抵抗、電解質抵抗、電極／電解質抵抗及び電流導体抵抗を含む、いくつかの成分の和である。電極／電解質界面抵抗が本発明の焦点である。
【００４１】  電解質抵抗は、材料の特性及び寸法形状に依存し、電解質の厚さに比例する。燃料電池を８５０℃より低温、８００℃より低温、さらに、好ましくは７２５℃より低温で動作させるためには、電解質は実用的な範囲でできる限り薄くなければならない。薄く柔軟な電解質を用いれば、６００℃から７００℃の間の温度で動作するデバイスを思い描くことができる。薄い電解質を採用するためには、電解質の強度が取扱いを可能にするに十分な大きさでなければならない。したがって電解質の選択が重要である。
【００４２】  このことは、電解質が１ｍｍ厚程度の多孔質チューブ上に支持されるチューブ構造及び電解質の厚さが５０から２００μｍである従来の電池構造とは対照的である。本発明の一実施形態は、厚さが４５μｍより薄く、好ましくは３０μｍより薄く、最も好ましくは約１５μｍより薄い、薄型セラミック電解質を利用する。わずか５μｍの薄い電解質を利用するデバイスが有用であろう。得られる燃料電池コンポーネントは総厚を１５０μｍより薄くすることができ、電解質が薄いほど、抵抗損失が小さくなり、機械的特性が強化され、原材料の利用効率が高くなる。薄いセラミック電解質の弾性コンプライアンスにより、本発明の電解質は、耐熱衝撃性をもたらす、座屈による熱応力解放という利点を有する。
【００４３】  例えば、２から６モル％のイットリアを含むジルコニア電解質には、電解質に変態靭性を付与する、正方晶層が少なくともある程度混在している。この靭性により、８または１０％のイットリアを含む完全安定化ジルコニアよりも強度が３倍より高くなり得る。しかし、６から１０モル％のイットリアを含む組成はより高いイオン透過性を示す。したがって、好ましい組成は、ＺｒＯ２に３から１０モル％のＹ２Ｏ３を含み、最も好ましくは、３〜６モル％Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２である。３〜６モル％Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２は、加工プロセスに対して室温でより高い機械的強度を有するので、最も好ましい。
【００４４】  その他の好ましい組成には、Ｓｃ２Ｏ３，または希土類元素酸化物(Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕの酸化物)またはこれらの混合物が、総計で２〜１０モル％ドープされたジルコニアがある。このドーパント量範囲の小または中レベルにおける組成も電解質の機械的特性を高めるイットリウム酸化物ドーパントと同様の正方晶層を有し、大レベルのドーパント量における上記組成では高いイオン透過性を有する立方晶相が支配的である。
【００４５】  電解質の面積当りの最大電力出力は、製品の経済上の実用可能性を決定する。本発明の好ましい電解質により、低い内部抵抗及び高い最大電力密度が得られる。小型軽量と組み合された高電力により、単位体積及び単位重量当りで高電力が得られる。
【００４６】  電解質抵抗は温度の強関数である。燃料電池は８５０℃より低い温度で動作することが好ましいが、７２５℃より低い温度で動作することがさらに好ましい。温度が低くなるほど、ステンレス鋼及び銀合金のような、広い範囲の材料を使用することが可能になる。上記温度において、総内部抵抗は、１Ω-ｃｍ２より小さいことが好ましく、０．６Ω-ｃｍ２より小さいことがさらに好ましく、０．４Ω-ｃｍ２より小さいことが最も好ましい。このような総内部抵抗を達成するには、様々な抵抗成分がある範囲に入らなければならない。上記と同じ温度において、電解質抵抗の範囲は、０．４Ω-ｃｍ２より小さいことが好ましく、０．２Ω-ｃｍ２より小さいことがさらに好ましく、０．１Ω-ｃｍ２より小さいことが最も好ましい。
【００４７】  周知のように、電極オーミック抵抗は、電極の比抵抗、電極の厚さ、及び電極を通る電流の経路長により決定される。電極材料の比抵抗は有用な電流経路長を制限する。電極オーミック抵抗は、０．４Ω-ｃｍ２以下であることが好ましく、０．２Ω-ｃｍ２より小さいことがさらに好ましく、０．１Ω-ｃｍ２より小さいことが最も好ましい。
【００４８】  Ｎｉ合金負極または貴金属電極のような金属またはサーメット電極については、電極の比抵抗が極めて低くなり得る。金属、特に銀、パラジウム、白金及び金のような貴金属の場合、金属の比抵抗は１０−５から１０-６Ω-ｃｍ程度であり、性能を犠牲にすることなく、電極の厚さを０．１から５０μｍの間、例えば１から２０μｍの間まで薄くすることができる。Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３及びその他のペロブスカイト材料では、比抵抗はほぼ１０−２Ω-ｃｍであって、３桁高く、設計は、わずか２ｍｍの非常に短い経路長、２０μｍより厚い電極、または高導電性集電体に依存しなければならない(例えば、本明細書に参照として含まれる、エイトケン等への米国特許第５，２７３，８３７号の明細書を参照されたい)。材料使用量を最小限に抑え、柔軟性及び耐熱衝撃性を強めるためには、約２０μｍより薄い電極が好ましい。
【００４９】  性能は電極内の電流経路長に依存し、経路が短いほど高い性能が得られる。長い経路長を補償するためにより厚い電極が用いられるが、これでは材料費が高くなり、デバイスの剛性が高くなり、コンプライアンスが低くなる。チューブ構造のようないくつかの構造では、電極抵抗を最小限に抑えるためにｔ電極＞１００μｍの厚い電極が少なくとも１つ用いられる。接続点間隔ｌは通常２ｃｍより大きいから、チューブ構造では一般に厚さが１ｍｍ以上の電極が必要である。プレーナ構造は配線とセル電極との間にコンタクト間隔が１ｃｍより短く、２ｍｍ程度でしかない、多数のコンタクトを用いることにより、電極抵抗の低減を狙っている。これらの構造では、配線材料と電極との間で細長コンタクトを用いることができる。配線自体は隣接する電池の間をまたがなければならず、構造部材としてはたらくと同時に燃料から空気を隔てなければならない。
【００５０】  本発明の燃料電池における電極オーミック抵抗は、集電グリッドの使用により低減することができる。与えられた電極材料、厚さ及びグリッドに対して、本発明は電流経路長を短くすることにより電極抵抗を下げる。グリッドの使用により、より長い電流経路長をもつセルの使用が可能になる。グリッドがなければ、短い電流経路長をもつセルを用いなければならない。
【００５１】  本発明の燃料電池には数多くのセルパターンが可能である。性能、強度または製造の容易性を高めるようにセルを配列することができる。例えば、デバイスの信頼性を高めることができる、セルの直並列接続を用いることができる。性能を最適化するため、同じデバイス上のセルを、相異なるセル長、したがって相異なる面積で配置することができる。セルの形状寸法は、燃料の利用または燃料配送の効率を高めるように選ぶことができる。セルは、直線列、同心円形、三角くさび形あるいは、マニホールドをつけるかまたは性能を改善できるように選ばれる、その他のいかなる形状にも配列することができる。
【００５２】  本発明の別の態様は、少なくとも２つの多重セル燃料電池を備える固体酸化物燃料電池構造であり、これらの少なくとも２つの多重セル燃料電池は組み合されて、ガス分離または配線層をさらに付加することなく空気または燃料領域を形成するに有効な条件の下で、隣接する多重セル燃料電池の同類の電極が互いに面する、交互する燃料／空気マニホールドを構成する。
【００５３】  本発明のまた別の態様は固体酸化物燃料電池の作成方法である。本方法は、電解質基板を提供する工程、電解質基板の少なくとも１つの表面の上に少なくとも１つの界面ナノ結晶層を与える工程、前記少なくとも１つの界面ナノ結晶層を焼結する工程及び前記少なくとも１つの界面ナノ結晶層に少なくとも１つの電極層を与える工程を含む。
【００５４】  本発明の燃料電池は、上述の方法にしたがう被覆された電解質を初めに準備することにより作成することができる。次いで電極が被覆された電解質に与えられて焼成される。電極を与える方法は、スクリーン印刷、転写印刷、蒸着、無電解メッキ等を含むがこれらには限定されない、技術上知られるいかなる方法も含むことができる。電極は、１つまたはそれより多い方法を用いて、単一工程で与えるか、または多重工程を必要として、所望の微細構造及び組成を形成することができる。電極を与えた後、電極を熱処理して、または熱処理せずに、所望の特性を得ることができる。電極／被覆された電解質／電極の三層構造はある程度の柔軟性を保持することが好ましい。次いで燃料電池にリードを取り付けることができる。
【００５５】実施例
実施例１−セラミックスリップの作成
１００グラムのジルコニア粉末を含有するセラミックスリップを、下の表１に示す成分を用いて作成する。
【００５６】
【表１】
0005255173.tif 000002
成分を入れたビンは全て、吸水を抑えるため、使用時まで密閉しておく。２５０ｍｌナルゲン(Nalgene)(登録商標)ポリエチレンプラスチック容器を、約１０〜２０ｍｌのエタノールまたはメタノールで２度すすぎ洗いすることにより洗浄する。次いで、アルコールを蒸発させるために容器を７０℃の乾燥器に入れる。乾燥後、容器及び蓋の重量を量る。ジルコニア粉末を秤量皿に量り分けて、おいておく。乾燥したナルゲン容器にエタノールをピペットで入れる。次いで１-ブタノールをピペットでプラスチック容器に入れる。続いて、プロピレングリコールをピペットで容器に入れる。最後に、水、次いでエンフォス(Emphos)ＰＳ-２１Ａをピペットで容器に入れる。約４５０グラムの１０ｍｍ東ソーＴＺＰ-３Ｙミリング弾の重量を量り、重量を記録する。次いでミリング弾を容器に入れ、容器を静かに揺する。次いでジルコニア粉末を秤量皿から移し入れる。蓋を容器に戻して固く閉める。封じた容器の重量を改めて量り、溶剤、粉末及び分散剤の総重量を計算する。次いでスリップを振動ミリングに７２時間かけ、その後、スリップの粘度を測定する。
【００５７】  粗粒を除去し、スリップ内の粒度分布を狭めるために、２度の沈降工程を実施する。二重沈降法により、許容できる材料損失で、良好な粒度分布が得られた。
【００５８】  第２の１２５ｍｌナルゲン(登録商標)プラスチック容器及び蓋を、上と同様にして、洗浄し、乾燥させる。第２の容器及び蓋の重量を量り、重量を記録する。スリップをミリング容器から第２の容器に注ぎ入れ、ミリング弾は元の容器に残す。次いで、スリップ及び蓋付の第２の容器の重量を量る。粗粒は、７２時間でスリップから沈降することができる。第３の容器及び蓋を洗浄し、乾燥させて、重量を量り、重量を記録する。沈殿物は全く吸い上げないように注意しながら、沈降物のないスリップを慎重にピペットで吸い出して第３の容器に入れる。ピペットで吸い出されたスリップの重量を蓋をした第３の容器と一緒に量る。次いでスリップをさらに２４時間鎮静させる。第２の容器内の残留物／沈殿物を約９０℃の通風オーブン内で少なくとも３時間乾燥させ、乾燥した残留物及び容器プラス蓋の重量を量る。
【００５９】  第４の１２５ｍｌプラスチック容器及び蓋を、上と同様にして、洗浄し、乾燥させる。次いで、第４の蓋及び容器の重量を記録する。再度、ピペットで沈殿残留物は全く吸い上げないように注意しながら、第３の(２４時間鎮静後の)容器からスリップをピペットで吸い出して第４の容器に入れる。第４の容器及びスリップの重量を量り、重量を記録する。第３の容器内の残留物を上と同様にして乾燥させ、次いで重量を量る。記録した重量から、セラミック粉末がどれだけ第４の容器内に残っているかを決定することができる。
【００６０】  残余スリップ内に存在するセラミック粉末に、弱凝集剤、氷酢酸、可塑剤、及び結合剤を加える。凝集及び結合に用いられる成分を下の表２に示し、各成分の量は残余セラミック粉末の重量に対する重量％で表す。
【００６１】
【表２】
0005255173.tif 000003
氷酢酸のイソプロピルアルコール５０／５０重量％溶液を作成する。(残余セラミック粉末の重量に対して)２重量％のこの溶液を、ピペットで第４の容器内のスリップに入れる。蓋を元に戻して、容器を静かに揺する。
【００６２】  (残余セラミック粉末の重量に対して)３．５重量％のフタル酸ジブチルを第４の容器内のスリップにピペットで入れる。蓋を元に戻して容器を静かに揺する。秤量皿を用いて、(残余セラミック粉末の)６重量％のポリビニルブチラールを量り分け、スリップに注ぎ入れる。蓋を元に戻して容器を静かに揺する。次いで、結合剤を完全に溶解させるために、この容器を少なくとも１５分間塗料振盪機型装置に入れておく。２個の清浄なジルコニアミリング弾を容器に入れ、容器を低速のロールミルの上に３日間おく。
【００６３】実施例２−希釈溶液の作成
希釈溶液作成のため、実施例１のセラミックスリップと同様のレシピを用いるが、セラミック粉末及び分散剤は加えていない(下の表３を参照されたい)。したがって、沈降工程は必要ない。
【００６４】
【表３】
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表３の量の液体を清浄な２５０ｍｌ容器にピペットで入れる。ポリビニルブチラールを秤量皿に量り分け、最後に加える。混合物を上記のセラミックスリップと同様に揺する。
【００６５】実施例３−希釈スリップの作成
１２５ｍｌナルゲン(登録商標)容器を用いて、５．６３グラムのセラミックスリップをピペットで容器に入れ、次いで９．５５グラムの希釈溶液を加える。容器を手で約３０秒間揺する。
【００６６】実施例４−微粒子界面層で被覆された電解質の作成
小型の実験室規模テープ流延機(米国メリーランド州シルバースプリング(Silver Spring)のパシフィック・サイエンティフィック(Pacific Scientific)社ガードナー／ネオテック・インスツルメント(Gardner/Neotec Instrument)事業部でつくられたユニット)及びクリアランスが０．５ミル(約０．１２７ｍｍ)の流延ブレード(ブレードとシート表面の間隔が０．５ミル)を用いて、厚さが約２０μｍで大きさが４ｃｍ×８ｃｍの柔軟な焼結ジルコニア−３モル％イットリア電解質からなる薄い電解質基板を、以下の手順で被覆する。
【００６７】  一枚のマイラー(MYLAR)(登録商標)プラスチックフィルムを真空ポンプをはたらかせながら流延機上におく。次いで、基板の大きさよりわずかに小さい小穴を押抜きでプラスチックフィルムにあける。基板の長軸をブレードの移動方向に合せて、基板を流延機上におく。使い捨てピペットを用いて、希釈されたセラミックスリップを基板の全幅にかけて、ただし一方の端にだけ、移す。流延機を動かし、ブレードに基板上をずり移動させる。基板の全長を被覆した後、流延機を止める。被覆がある程度乾いた後に、プラスチックフィルム及び基板を流延機から取り出し、フィルムを基板から剥がして、基板の湿った底部を乾燥オーブンのレール上に載せないように注意しながら、基板を７０℃のオーブン内で乾燥させる。さもないと、乾燥したときに基板がレールに固着してしまうであろう。基板をプラスチックフィルム上で十分に乾燥させてしまうと、基板の下にまわり込んだスリップが基板をフィルムに固着させてしまうことになろう。基板が乾燥すると、プロセスをもう一方の面について繰り返す。被覆流延毎に新しい１枚のプラスチックフィルムを用いる。基板に少量のスリップしか与えないことで、基板の下にまわり込むスリップが少なくなる。
【００６８】  ７００℃まで１℃／分、焼結温度まで８℃／分、１時間保持、次いで８℃／分で冷却のスケジュールにしたがって、被覆を空気中１２００〜１４３０℃で焼結する。１３００℃が適切な焼結温度である。
【００６９】実施例５−ＳＯＦＣデバイス用電極／電解質集成体
ジルコニア−３モル％イットリア界面層をもつジルコニア−３モル％イットリア電解質を実施例４にあるようにして作成する。面積が２．５ｃｍ×１ｃｍの対称電極を、以下の手順にしたがって、界面層をもつ電解質の対向する両面のそれぞれの上に印刷する。
【００７０】  電極印刷インクを作成し、電解質の両面のそれぞれの上にスクリーン印刷する(正極及び負極)。スクリーン印刷ビヒクルは、通常の比率の、米国テネシー州キングスポート(Kingsport)のイーストマン・ケミカル社(Eastman Chemical Co.)のテキサノール(TEXANOL)(登録商標)溶剤、米国テキサス州ヒューストン(Houston)のヘラクレス・アクアロン(Hercules Aqualon)，ヘラクレス・インコーポレーテッド(Hercules Incorporated)社のエチルセルロースＴ１００ポリマー、独逸国ベーゼル(Wesel)のＢＹＫ−ヘミー(BYK-Chemie)社のＢＹＫ−３５４均染剤、同じくＢＹＫ−ヘミー社のアンチ−テラ(Anti-Terra)２０２分散剤、及び米国デラウエア州ウィルミントン(Wilmington)のＩＣＩアメリカズ(ICI Americas)社のハイパーメア(Hypermer)ＬＰ４分散剤からなる。
【００７１】  スクリーン印刷インクの固体成分は合金／セラミック粉末混合物からなり、合金は米国ニュージャージー州アイセリン(Iselin)のイングルハード・コーポレーション(Englehard Corporation)社から入手できる９０重量％銀／１０重量％パラジウム合金であり、固体の４７体積％を占めるセラミック粉末は日本国東京の東ソー株式会社の３Ｙ−ＺｒＯ２粉末である。９００℃で焼成後、電極厚はほぼ１０μｍである。得られる焼成体は薄く平らである。
【００７２】  この集成体の電気インピーダンスを、７２２℃の測定温度において試験し、集成体の界面特性を評価するために結果を複素平面にプロットした。図面の図３として提示される、結果のグラフは、２つの電極界面に対して０．３Ω／ｃｍ２より小さい実数界面抵抗を示し、それぞれの単電極／電解質界面について０．１５Ω／ｃｍ２の界面抵抗に相当する。
【００７３】実施例６−固体酸化物燃料電池集成体
上の実施例５で述べたようにして作成した電極／電解質複合体を燃料電池性能を評価するために簡単な燃料電池集成体に組み込む。電池を構成する前に、電池の負極として機能するように選んだ電極を、水素解離に対する触媒活量を高めるために初めに処理する。この目的のため、硝酸ニッケルの０．５Ｍ溶液の形態のニッケル前駆体を、綿棒を用いて負極に硝酸溶液を繰り返し(１０回)塗布することにより、負極に含浸させる。塗布と塗布の間に、試料を３５０℃のホットプレート上において乾燥させる。
【００７４】  燃料電池を構成するため、まず銀線リードを銀ペーストを用いて電極に取り付け、次いで簡単なマニホールドを構成する。対向する末端に燃料入口ポート及び出口ポートを有する外囲器を形成するためにステンレス鋼バッキングシートに電解質複合体を端封することにより燃料貯蔵槽を形成し、次いで燃料ガス供給管を入口ポートに差込封止する。外囲器及び供給管の端封には、ステンレス鋼セラミックコンポジットペースト(米国ニューヨーク州ブルックリン(Brooklyn)のコトロニクス・コーポレーション(Cotronics Corporation)社のデュラルコ(Duralco)２３０ペースト)を用いる。
【００７５】  排気制流材としてはたらかせるためアルミナフェルトを燃料貯蔵槽出口に挿入し、次いで試験のために燃料電池集成体を水素源に接続された供給管をもつ炉に入れる。この構成においては、炉室が、露出した燃料電池正極に必要な酸素を供給する炉内空気をもつ燃料電池の空気すなわち酸化体貯蔵槽を形成する。
【００７６】  電池を試験するため、水素燃料を供給管を通して燃料貯蔵槽外囲器内の負極に与えながら、炉を加熱する。同時に、正極すなわち空気電極を炉内の周囲空気の対流にさらす。熱電対を電解質の空気側にセメントで直接取り付け、燃料電池動作温度の正確な表示を得る。
【００７７】  図４は、電池電力出力が最大になる温度を含む動作温度範囲にわたる燃料電池性能のグラフである。燃料として純水素を用いると、７２５℃の電池動作温度で出力電流がほぼ１．０Ａ／ｃｍ２のときに約０．４６Ｗ／ｃｍ２の最大電池電力密度が観測される。
【００７８】  上の実施例５及び６で説明した対称セラミック−銀合金電極の使用により本発明の粗雑化界面層の利点は十分に説明されるが、そのような電極は本発明の一部をなさず、本出願と同時に出願されたエム・バッディング(M. Badding)等の、同一人に譲渡された、同時継続出願の明細書でさらに十分に説明され、特許請求される。
【００７９】  本発明を例証の目的で詳細に説明したが、そのような詳細はその目的のために過ぎず、特許請求の範囲で定められる本発明の精神及び範囲を逸脱することなく当業者により本発明に変形がなされ得ることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  固体酸化物燃料電池における界面層の略図である
【図２】  固体酸化物燃料電池における、電解質、電極、及び界面層を示すＳＥＭ写真である
【図３】  低い界面抵抗を示す複素インピーダンスのグラフである
【図４】  水素燃料による、対称電極型単一セル試料の、７２５℃における電力曲線及び電圧曲線を示すグラフである
【符号の説明】      ２    粗雑化界面ナノ結晶層
４    電解質
６，７    電極
８    酸化体貯蔵槽
１０    燃料貯蔵槽
１２    壁体
【図１】
0005255173.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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