JP2005050814A - ドープされた基材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、ドーパント含有量が任意の軸に沿って制御されている基材、並びに当該基材を製造する方法を提供する。
【解決手段】
基材（１００）にドーパントを適用する本発明の方法は、基材（１００）に沿って変化することが好ましい少なくとも１つの基材の特性を選択するステップと、基材（１００）にドーパントを任意の軸に沿って適用量を変化させつつ適用し、基材（１００）に沿って変化している所望の特性を基材に付与するステップとを包含する。
【選択図】なし

Description

本発明は、任意の軸に沿ってドーパント濃度分布が変化している、ドープされた基材、並びにその製造方法に関する。

セラミックスは、組成及び相によって制御される複数の特性を有しており、それによって種々の用途において有用であるため、多くの工業分野にとって重要となっている。そのような用途は、半導体保護壁としての用途から、燃料電池における断熱壁、触媒、選択膜としての用途に至るまでと、多岐にわたっている。

ここ数年の間で、大規模発電用及び小規模発電用両方の燃料電池に関する人気及び実用性が大幅に増した。燃料電池は、水素と酸素のような化学物質間で電気化学反応を引き起こし、電気及び熱を生成する。利用可能なエネルギーを蓄積する蓄電池とは異なり、燃料電池は、利用可能なエネルギーを生成し、消費された燃料を単に補充することにより、より容易に「再充電」され得る。さらに、燃料電池は、炭化水素を燃焼させる機器よりも非常に清浄であり、低騒音である。

燃料電池は、モータ、ライト、コンピュータ又は多数の電気機器において用いることができる直流（ＤＣ）電圧を供給する。燃料電池は、一般的には３つの構成要素、即ち燃料極、空気極及び電解質からなる。燃料電池には、異なる化学性質を利用する、いくつかの異なるタイプがある。燃料電池は、通常、使用される電解質の種類によって分類され、主として５つの種類、即ち、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）に分類される。

固体酸化物燃料電池は、テープキャスティング装置、スクリーン印刷装置、ドクターブレードなどを用いて処理され得るセラミック又はセラミック系基材として形成される。これらの各処理システムは、その具体的な仕組みにおいては異なるが、それぞれセラミックスの迅速な処理を可能とする。従って、これらのセラミック部品の製造にかかるコストが比較的低いため、燃料電池システムは、より経済的に実用化されつつある。

しかしながら、燃料電池システムは、数多くの他の不均一系システムと同様に、流入する気相又は液相内に勾配が存在するために、効率の低下が避けられない場合がある。例えば、流入する反応物流が電極上を通過する際、その反応物流の化学組成が変化するために、燃料電池システム内では、電極に沿った反応物の組成勾配が存在し得る。結果として、燃料電池システムの効率は、燃料電池内に存在する不均一な電極触媒作用及びイオンの移動によって低下する可能性がある。

本発明は、ドーパント含有量が任意の軸に沿って制御されている基材、並びに当該基材を製造する方法を提供する。

基材にドーパントを適用する本発明の方法は、基材のある軸に沿って変化することが望ましい、少なくとも１つの基材の特性を選択するステップ、並びにその基材に少なくとも１つのドーパント溶液を可変適用（任意の軸に沿って適用量を変化させつつ適用すること）し、基材のある軸に沿って変化する所望の特性を付与するステップを包含する。

本発明は、ドーパント含有量が任意の軸に沿って制御されている基材、並びに当該基材を製造する方法を提供し得る。

添付の図面は、本発明の種々の実施形態を図示するものであり、本明細書の一部である。図示する実施形態は本発明を例示するものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。図面全体を通して、同一の符号は、必ずしも同一ではないが、少なくとも類似の構成要素を示している。

本明細書では、勾配ドープされた基材、及び基材にドーパントを可変適用する方法を説明する。後にさらに詳細に説明する例示的な一実施形態によれば、基材にドーパントを適用する方法は、基材を設けるステップ、基材の少なくとも１つの所望の特性を選択するステップ、及び前記所望の特性を達成するために、基材にドーパント溶液を可変適用するステップを包含する。基材は、例えば、限定はしないが、多孔性又は非多孔性のセラミックもしくはセラミック系材料から製造することができる。本発明の方法を利用することによって、組成勾配を正確に制御できるようになる。従って、基材上に特定のドーパントを選択的に付着させることにより、燃料電池システム、膜型反応器及び触媒反応器のような不均一系において、組成勾配を制御することができる。ドーパントプロファイルを用いた制御は正確であるため、いくつかの異なるドーパント種を用いて勾配を複数の方向に形成することができる。本発明のシステムは、単に説明を簡略にするために、テープキャスティングシステムに関連して説明することとする。しかしながら、本明細書に記載される構造及び方法は、例えば、スクリーン印刷法、スピンオン付着法、コロイド噴霧付着法、押出しコーティング法、ドクターブレード法などをはじめとする、他の種類の基材処理システムにおいても用いることができる。

以下の説明においては、本発明の方法及び装置を十分に理解してもらうために、いくつかの特定の詳細例を示す。しかしながら、これらの特定の詳細例を用いることなく、本発明の方法及び装置を実施し得ることは当業者には明らかであろう。本明細書において「一実施形態」の参照は、その実施形態に関連して示す特定の特徴、構造又は特性が、本発明の実施形態のうちの少なくとも１つに含まれることを意味する。本明細書内に散在する「一実施形態では」とは、必ずしも全てが同じ実施形態を参照しているとは限らない。

例示的な構造
図１Ａは、勾配ドープされた基材（１００）、即ち基材に沿ってドーパントの濃度が変化している基材を示している。その変化は、後に記載するように、連続的な勾配とすることができる。基材（１００）には、セラミック又はセラミック系材料あるいは任意の他の適切な材料を用いることができる。添加されるドーパントの濃度は、図では、黒色及び灰色からなる色の濃淡の度合いを変化させることにより表現している。より高いドーパント濃度は濃い色調によって表され、一方、より低いドーパント濃度は淡い色調によって表されている。例示する実施形態では、勾配ドープされた基材（１００）に添加されるドーパントの濃度は、基材（１００）の幅（１１０）方向に関して変化している。ドーパントには、特定のイオンを用いることができる。当該イオンは、イオン伝導度及び／又は電気触媒特性を制御することで、燃料電池又は膜型反応器（のある軸）にわたってより均一な温度を実現し得るようにし、それによって熱応力を抑制したり、一部反応した燃料又は空気をさらに効率よく利用することができる。同様に、図１Ｂは、勾配ドープされた基材（１００）の側面図を示しており、ドーパントの濃度が、基材の幅（１１０）方向及び厚み（１２０）方向の両方に関して変化していることを示している。本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるとき、基材の「軸」とは、基材を横切る任意の線を意味し、その軸は基材の任意の端部（縁）に関して平行である場合も、平行でない場合もある。先述のように、基材（１００）には、限定はしないが、セラミック又はセラミック系材料を用いることができる。勾配ドープされた基材（１００）の製造を、以下にさらに詳細に説明することとする。

図２は、図１Ａ及び図１Ｂ記載の基材に類似の基材を形成するのに用い得る勾配付きドーパント適用装置（２００）を示している。勾配付きドーパント適用装置（２００）は、全体として、フレーム（２１０）と、図２に示しているようなフレームに取り付け得る個々の流体噴射素子（２３０）のアレイ（２２０）とを備えることができる。これらの流体噴射素子（２２０）には、プリンタにおいてインク又はトナーを噴射するために用いられるインクジェットのようなドロップオンデマンド流体噴射素子か、又はそれらに類似の素子を用いることができる。流体噴射素子（２３０）の各々は、選択的に変化する量のドーパントを基材（１００）に噴射するよう構成されている。

装置（２００）作動時、基材（１００）は前進方向（２４０）に移動する。基材が移動してフレーム（２１０）及びアレイ（２２０）を通過する際に、流体噴射素子（２３０）が、基材（１００）上にドーパントを選択的に噴射する。流体噴射素子（２３０）のアレイ（２２０）は、基材（１００）の幅（１１０）方向に関して変化する量のドーパントを噴射するよう構成することができる。さらに、流体噴射素子（２３０）の各々が、基材（１００）が前進方向（２４０）に移動するのにつれて、変化する量のドーパントを噴射するよう構成することができる。従って、勾配付きドーパント適用装置（２００）は、基材（１００）の前進方向（長さ）（２４０）及び／又は幅（１１０）の方向のいずれにも、勾配を付けてドーパントを適用し得るよう構成されている。多次元に勾配を付けてドープされた基材を、以下に詳細に説明することとする。

例示的な実施形態及び製造
図３は、多次元に勾配ドープ処理された基材（１００）を示している。図１と同様に、適用されるドーパントの濃度は、黒色及び灰色からなる色の濃淡の度合いを変化させることにより表現している。より高いドーパント濃度は濃い色調によって表し、一方、より低いドーパント濃度は薄い色調によって表している。従って、当該ドーパント濃度は、幅（１１０）及び長さ（３００）の両方向に関して変化している。

基材は、意図する用途に応じて、基材の種々の特性を制御又は改善するようにドープされる。種々のドーパント種を適用することによって、基材の２つ以上の特性を制御し得ることが当業者には理解されよう。従って、複数のドーパント種を任意の軸に沿って適用量を変化させつつ適用することにより、基材の複数の特性を複数の方向において制御することができる。これらの特性として、決して限定はしないが、導電率、イオン伝導度、熱伝導度、熱膨張、強度及び可撓性のような機械的な特性、触媒活性、触媒選択性、多孔性、細孔径分布及び／又は密度を挙げることができる。

勾配ドープされた基材（図１〜図３の１００）の例示的な一実施形態は、図４に示す工程に従って製造することができる。当該製造工程は、基材が持たなければならない所望の特性を選択することによって開始する（ステップ４００）。これらの特性は、基材への制御されたドープ処理を実施することによって生成することができる。当該ステップには、さらに、種々の特性又は度合いの変化する種々の特定の特性を有することが望まれる、基材の種々の部分をマッピングすることが包含され得る。その結果は「特性プロファイル」と呼ばれ、それは基材の各部分が有すべき種々の特性を明示するものである。この所望の特性は、最終的な基材製品の所望の特性に応じて、又は効率への配慮などの他の要因に応じて選択することができる。

所望の特性が選択され、特性プロファイルが生成されると、次いで、所望の特性プロファイルに帰着する、即ち、基材に沿って変化し得る所望の特性を基材にもたらす、対応するドーパント勾配プロファイルが生成される（ステップ４１０）。従って、ドーパント勾配プロファイルは、所望の特性プロファイルを与えるために基材に適用されることとなるドーパントの濃度の変化の様式を規定している。ドーパント勾配プロファイルは、用いられるドーパント種毎に個別のドーパント勾配プロファイルを含むことができる。

勾配プロファイルの考えられ得る１つの例として、燃料電池の電極のための組成勾配があり、流入する燃料／酸化剤流の位置に応じて触媒活性を変化させることができる。この場合に決定される勾配プロファイルは、基材上のある特定の位置における触媒活性に影響を及ぼすのに必要とされるドーパント濃度を綿密に見積もることによっって作り出すことができる。従って、局部的な基材条件に対応するように基材の特性を正確に制御することができ、それによってシステムの性能を高めることができる。そのようなシステムとして、決して限定はしないが、膜反応器、触媒コンバータ、センサ、耐腐食性物質などをはじめとする、気相及び／又は液相の組成勾配が存在する任意の不均一系システムを挙げることができる。

所望の基材特性プロファイルを実現するのに必要とされるドーパント勾配プロファイルを決定した後に、基材が設けられる（ステップ４２０）。この時点で、基材（１００）は、ドーパント勾配プロファイルに従って、ある勾配でドーパントを適用され（ステップ４３０、左側のブランチ）、その後、テープキャスティング、スクリーン印刷又はドクターブレードのような処理操作を受ける（ステップ４４０、左側のブランチ）。あるいはまた、基材は、処理操作を受けてから（ステップ４４０、右側のブランチ）、ドーパント勾配プロファイルに従って、ある勾配のドーパントを適用され得る（ステップ４３０、右側のブランチ）。

いくつかの方法により、基材上のドーピング濃度を変化させることができる。そのようなドーピング濃度を変化させる要因として、ドーパント溶液内のドーパント濃度を変化させること、噴射される溶液の粘度を変化させること、ドーパントの噴射と硬化との間の時間の長さを変化させること、指向性の熱（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｈｅａｔｉｎｇ）を適用することなどを挙げることができる。勾配ドープされた基材を製造するためのシステムの作動に関して、以下にさらに詳細に説明することとする。

図５は、勾配ドープされた基材を製造するシステム（５００）の作動を示すものである。システム（５００）は、全体として、処理機構（５１０）と、図２に関連して先に記載したようなドーパント適用装置（２００）とを備えており、後者は、基材の任意の次元にわたって変化するドーパント勾配を基材にもたらすような、ドーパントを基材に選択的に適用し得るものである。処理機構（５１０）には、例えば、テープキャスティング機構、スクリーン印刷機構、又はドクターブレード機構を用いることができる。例示する実施形態では、処理機構（５１０）は、勾配付きドーパント適用装置（２００）の前方に配置されている。従って、ドーパント勾配プロファイルは、基材（１００）が処理機構（５１０）において処理操作（図４のステップ４４０）を受けた後に、勾配付きドーパント適用装置（２００）によって形成され得る（図４のステップ４３０）。

基材を勾配ドープ処理することによって、多種態様なシステムの効率を改善することができる。一般に用いられる処理システムにおいて当該処理を利用することができれば、工業分野における当該処理の広範な利用を促すことができる。さらに、既存の基材処理システムにおいて勾配付きドーパント適用装置（２００）を実施することによって、新たな装置を購入する必要性を最小限に抑えられ、効率的なドーパント適用が促進され得る。処理機構の前方（図６の場合）又は処理機構の後方（図５の場合）のいずれにも勾配付きドーパント適用装置（２００）を搭載することができるため、装置購入の必要性がさらに抑えられる。いくつかの考えられ得るシステムを、以下に詳細に説明することとする。

代替実施形態
図６は、勾配付きドーパント適用装置（２００）が処理機構（５１０）の前方に配置されている、勾配ドープされた基材を製造するためのシステム（５００）を示している。図５と同様に、システム（５００）は、全体として、処理機構（５１０）と、図２に関連して先に記載したような勾配付きドーパント適用装置（２００）とを備えている。図６に示す構成によれば、基材（１００）が処理操作（図４のステップ４４０）を受ける前に、ドーパント勾配が形成される（図４のステップ４３０）。

図７は、２つの勾配付きドーパント適用装置（２００）が処理機構（５１０）の前方に配置されている、勾配ドーピング基材処理システム（５００）を示している。２つの勾配付きドーパント適用装置（２００）は、図２に関連して先に記載したものと類似である。２つの勾配付きドーパント適用装置はそれぞれ、異なるドーパント種を適用することができる。従って、処理機構（５１０）において基材（１００）が処理操作（図４のステップ４４０）を受ける前に、勾配付きドーパント適用装置（２００）によって、複数のドーパント勾配プロファイルを確立することができる（図４のステップ４３０）。結果として、基材上に特定の前駆物質を選択的に付着させることにより、組成勾配の正確な制御を達成することができる。ドーパントプロファイルを用いた制御は、非常に正確に実施することができるため、いくつかの異なる種を用いて複数の方向に勾配を形成することができる。この組成勾配の制御によって、形成された基材には制御された特性プロファイルが確立されることとなり、結果、種々のシステムの性能及び効率が改善され得るのである。

他の実施形態（図示せず）では、処理機構（５１０）の前方及び／又は後方に配置されている任意の数の勾配付きドーパント適用装置（２００）を利用することができる。さらに、例示の実施形態は、ドーパントを付着させるためにインクジェットペンからなる基材幅のアレイを利用しているが、例えば液体、懸濁液、気体などのドーパントの適用を制御し得る任意の他の機構を用いることもできる。

図８は、組み立てられたＳＯＦＣシステム（８００）の分解断面図である。図８に示すように、組み立てられたＳＯＦＣシステム（８００）は、多数の燃料供給路（８１０）を有するＳＯＦＣハウジング（８０５）と、各燃料供給路（８１０）に接続されている燃料マニホールド（８１５）と、燃料チャネル（８２０）と、燃料チャネル突起（８２５）と、燃料電池支持棚（８３０）とを備える。燃料マニホールド（８１５）は、燃料チャネル（８２０）と流体連通するよう構成されている。

ＳＯＦＣ（８３５）は、燃料チャネル突起（８３５）及び燃料電池支持棚（８３０）の上に設置される。図８に示すＳＯＦＣ（８３５）は、電解質（８４０）と、燃料極（８４５）と、空気極（８５０）とを備えている。燃料極（８４５）及び空気極（８５０）は、膜として形成することができる。電解質（８４０）は、燃料極（８４５）と空気極（８５０）との間に配置されており、ＳＯＦＣ（８３５）の空気極側にある空気チャンバ（８５５）内の空気から空気極（８５０）において形成された酸素イオンは当該電解質（８４０）を通って燃料極側まで拡散し、燃料極（８４５）において、それらのイオンは、燃料流路（８２０）内の燃料と反応する。水素又はメタン燃料と反応するとき、水（及びメタンの場合には二酸化炭素）及び電気が生成される。電気はその後、利用可能な電気として、外部回路に送ることができる。こうして、燃料電池は、電子装置に接続され、その装置に電力を供給することができる。

例示する実施形態では、ドーパントがＳＯＦＣ（８３５）の空気極側に可変適用されており、勾配ドーパントプロファイルが生成されている。当該ドーパントプロファイルは、空気チャンバ（８６０）に入る空気内の酸素の分圧に反比例するように選択されている。適用されるドーパントは、決して限定はしないが、選択性又は触媒活性をはじめとする空気極特性に影響を及ぼすであろう。従って、適用されたドーパントの勾配分布によって、ＳＯＦＣを横切るイオンの輸送が促進され、それによって、燃料電池システムの性能が改善される。さらに、任意の数のドーパント種を添加して、基材上に任意の数のドーパントプロファイルを形成し、燃料極、電解質及び／又は空気極の特性に影響を及ぼすことができる。さらに、デュアルチャンバＳＯＦＣを図示しているが、本発明の方法及び装置を用いて、決して限定はしないが、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、膜反応器、触媒コンバータ、センサ、耐腐食性物質などをはじめとする、全てのタイプの燃料電池、及び類似のシステムの特性を制御することができる。

以上の説明は、本発明の実施形態を例示し、説明するためだけに記載したものであり、本発明を包括的に説明したり、本発明を開示した形態に限定することを意図するものではない。上記の教示に基づき、数多くの改良及び変更が可能である。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義されるものである。

例示的な一実施形態による勾配ドープされた基材 例示的な一実施形態による勾配ドープされた基材 例示的な一実施形態による勾配付きドーパント適用装置 例示的な一実施形態による多次元勾配特性を有するセラミック基材 例示的な一実施形態による勾配付きドーパント適用処理方法のフローチャート 例示的な一実施形態による勾配付きドーパント適用処理システム 例示的な一実施形態による勾配付きドーパント適用処理システム 例示的な一実施形態による勾配付きドーパント適用処理システム 例示的な一実施形態による燃料電池システム

符号の説明

１００ 基材
２００ ドーパント（溶液）適用装置
２１０ フレーム
２３０ 流体噴射素子
２４０ 前進方向
５００ 基材処理システム
８４０ 電解質
８４５ 燃料極
８５０ 空気極

Claims (10)

1. 基材（１００）にドーパントを適用する方法であって、
   前記基材（１００）に沿って変化することが望ましい、前記基材（１００）の少なくとも１つの特性を選択するステップと、
   前記基材（１００）に少なくとも１つのドーパント溶液を可変適用して、前記基材（１００）に沿って変化する前記所望の特性を付与するステップと、
   を包含する、方法。
2. 前記少なくとも１つの所望の特性を選択するステップが、前記基材（１００）の種々の部分に関して前記基材（１００）の複数の所望の特性を明示する特性プロファイルを生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記基材（１００）が、セラミックを含む、請求項１に記載の方法。
4. フレーム（２１０）と、
   前記フレーム（２１０）上に配置されている複数の流体噴射素子（２３０）と、
   を備えており、前記流体噴射素子（２３０）が基材（１００）上にドーパント溶液を可変噴射するよう構成されている、ドーパント溶液適用装置（２００）。
5. 前記フレーム（２１０）上に配置されている第２の複数の流体噴射素子（２３０）をさらに備え、
   前記第２の複数の流体噴射素子（２３０）が、第２のドーパント溶液を可変適用するよう構成されている、請求項４に記載のドーパント溶液適用装置（２００）。
6. フレーム（２１０）と、
   前記フレーム（２１０）に関連するセラミック形成機構と、
   前記フレーム（２１０）に関連する複数の流体噴射素子（２３０）と、
   を備えており、前記流体噴射素子が、少なくとも１つのドーパント溶液を可変噴射するよう構成されている、基材処理システム（５００）。
7. 前記フレーム（２１０）に接続されており、且つ前記基材（１００）を前進方向（２４０）に前進させるよう構成されている基材前進機構をさらに備える、請求項６に記載の基材処理システム（５００）。
8. 第１の軸を有する基材（１００）と、
   前記基材（１００）の少なくとも１つのドーパントと、
   からなり、前記ドーパントの濃度が、前記基材（１００）の前記第１の軸に沿って変化する、勾配ドープされた基材。
9. 第１の軸を有する基材（１００）と、前記基材（１００）の少なくとも１つのドーパントとを含み、且つ前記ドーパントの濃度が前記第１の軸に沿って変化している、勾配ドープされた基材（１００）と、
   前記基材（１００）に接続されている燃料極（８４５）、空気極（８５０）及び電解質（８４０）と、
   からなる、燃料電池。
10. 電力消費装置に電力を供給する電気化学電池と、
    前記電気化学電池のための燃料源と、
    前記電気化学電池と前記燃料源とを流体連通させる燃料流路と、
    からなる電子装置であって、
    前記電気化学電池が、ハウジングと、勾配ドープされた基材上に配置されている燃料極（８４５）、空気極（８５０）及び電解質（８４０）からなる燃料電池とを備え、前記燃料電池が前記ハウジング内に配置されており、
    前記勾配ドープされた基材が、第１の軸を有し且つ少なくとも１つのドーパントを含み、前記ドーパントの濃度が前記第１の軸に沿って変化している、電子装置。