KR100882561B1 - 연료전지 가스 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 양극대향면과 음극대향면을 가지고 전극접촉영역(236)에서 전기도전재료의 경로(236)를 갖는 분리기 본체를 가지며 2개의 고체 산화물 연료전지(210) 사이에 사용하기 위한 연료전지 가스 분리기(212)를 개시하고 있다. 제 1 태양에서, 전기도전재료는 바람직하게는 15 내지 30 중량%의 유리를 함유하는 은유리 화합물을 포함한다. 이 태양에서 분리기 본체의 재료는 바람직하게 지르코니아(zirconia)이고 은(silver)은 상용의 순은(純銀)이고, 은 혼합물 또는 은 합금이다. 또 다른 태양에서, 분리기 본체의 재료는 지르코니아이고, 전기도전재료는 은 또는 은계열의 재료를 포함하고, 니켈 코팅은 바람직하게 Ag 언더코팅을 갖는 양극대향면상의 전극접촉영역(236) 상에 형성되며, Ag-Sn 합금의 코팅은 음극면상의 전극접촉영역(236)상에 형성된다.
연료전지, 분리판, 전기도전재료

Description

연료전지 가스 분리판{A Fuel Cell Gas Separator Plate}
본 발명은 고체전지에 관한 것으로, 특히 인접한 고체 산화물 연료전지 사이의 가스 분리기와 관련된 것이다.
연료전지 조립물에서 가스 분리기의 용도는 어느 한 연료전지의 음극면에 공급되는 산소함유 가스를 인접한 연료전지의 양극면에 공급되는 연료가스로부터 분리시키고, 상기 연료전지에서 발생된 열을 상기 연료전지로부터 방출하는 것이다. 가스 분리기는 또한 연료전지 사이에서 또는 연료전지로부터 떨어져 상기 연료전지에서 발생된 전기를 전달할 수 있다. 이 기능은 각 연료전지와 가스 분리기 사이의 별도의 부재에 의하여 선택적으로 실행될 수 있으나, 전기 도전성 가스 분리기에 대해 많은 개발작업이 행해져왔다.
전기 도전적인, 고체 산화물 연료전지용 가스 분리기에 사용하기 위한 최첨단의 세라믹(ceramic)이 개발되었으나, 이들 세라믹은 상대적으로 높은 파쇄성(fragility), 낮은 열전도성 및 고비용이 단점이다. 특수 금속 합금들이 또한 개발되었으나, 특히 전기전도도(electrical conductivity) 면에서, 연료전지 조립물의 다양한 재료들 및 이들간의 접합면이 실질적인 연료전지의 수명동안 열화되거나 변화되는 것을 막는 것은 어려운 것으로 판명되었으며, 이는 고체 산화물 연 료전지의 효율적인 동작을 위해 필요로 하는 고온에서 여러 재료들이 화학적으로 상호작용한다는 성향 때문이다. 예를 들어, 대부분의 금속 가스 분리기는 상당한 양의 크롬(chromium)원소를 포함하는데, 상기 크롬원소는 금속에 대한 내산화성 뿐만 아니라 다른 속성들을 부여하는데 사용된다.
크롬이 미소량 이상 있는 경우, 크롬이 산소 또는 수분함유산소와 결합하여, 동작중인 고체 산화물 연료전지들 내에서 전형적으로 일어나는 조건하에서 고휘발성 산화물(oxide) 또는 옥시하이드록사이드(oxyhydroxide) 가스를 형성할 수 잇음이 알았다. 이들 휘발성 가스는 음극 전해질 경계면(interface)에 흡착되는데, 상기 음극 전해질 경계면에서 휘발성 가스는 연료전지의 효율에 손상을 끼치는 화합물을 형성할 수 있다. 이들 크롬 반응작용이 제거되거나 실질적으로 억제되지 못하면, 연료전지의 성능은 시간이 지남에 따라 연료전지가 더이상 유효하지 못하는 지점까지 저하된다.
이 문제를 완화하기 위한 여러가지 이들 금속 합금과 한가지 제안이 본 출원인의 국제특허출원 제WO 96/28855호에 설명되어 있고, 상기 특허에서는 크롬함유 가스 분리기에는 크롬과 함께 반응하여 기판과 산화물 표면층 사이에 스피넬층(spinel layer)을 형성함으로써 크롬에 붙는 산화물 표면층이 제공된다. 그러나, 이들 특수 합금은 연료전지 조립물에 실질적으로 사용하기에 값비싸고 저비용의 대체물을 가지는 것이 바람직하다.
문제의 분위기에서 고온에서는 안정적인 스테인레스 강들이 개발되었으나, 이들은 요망의 내산화성(oxidation resistance)을 생기도록 상당한 양의 크롬을 일 반적으로 함유하고, 크롬계열의 가스들을 이들 강(steels)으로 형성된 가스 분리기로부터 이탈하지 못하게 하기 위한 특수 코팅 또는 처리가 필요하다. 내열강(heat resistance steel) 가스 분리기에 대한 또 다른 접근이 본 출원인의 국제특허출원 제WO 99/25890호에 설명되어 있다. 그러나, 모든 이들 내열강은 특수 재료이고 이들 비용은 상당한 양이 생산되지 못하면 높아지게 될 것이다. 더욱이, 내열강의 열전도도 및 전기전도도는, 예를 들어 국제특허 제WO 96/28855호에 기술한 지멘스 플란제(Siemnes-Plansee)사(社)의 합금에 대하여 40-50 W/m.K과 비교하면 22-24 W/m.K로 많은 다른 금속 및 합금에 대하여 낮다. 이를 보상하기 위해, 강철 가스 분리기의 두께를 증가시켜야 하며, 이는 연료전지 스택(stack)의 질량 및 비용을 증가시킨다.
본 출원인의 특허출원 제WO 00/76015호에 개시된 또 다른 제안에서, 구리계열의 가스 분리기가 양극을 손상시키지 않고 고체 산화물 연료전지 조립물에 성공적으로 이용될 수 있음이 알려졌다. 이러한 가스 분리기 부재는 음극면상에 내산화성 재료로된 층을 갖는 구리 또는 구리계열의 합금층을 포함한다.
만족스러운 가스 분리기를 개발하는데 따른 주요 어려움 중에 하나는, 가스 분리기의 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, "CTE")가 연료전지 조립물의 다른 구성요소들의 열팽창계수와 적어도 실질적으로 일치되도록 보장하는 것이다. 예를 들어, 마주보는 면들 상에서 음극 및 양극을 갖는 산화물 전해질을 포함하는 고체 산화물 연료전지는 약 700℃를 넘는 온도에서 작동하고, 교번하는 가스 분리기와 연료전지들은 일반적으로 서로에 대해 접합되거나 그렇지 않으면 밀봉 된다. 따라서, 2개의 구성요소들 사이의 CTE에서 어떠한 실질적인 불일치로 인해 구성요소들 중 하나 또는 모두에 균열을 초래하여, 구성요소 또는 구성요소들을 가로질러 연료가스 및 산소함유 가스가 결과적으로 누출되어, 결국 연료전지 스택이 고장나게 될 수 있다.
적절한 연료전지 가스 분리기 개발에 따른 특별한 어려움은 일측면 상의 연료가스를 타측면 상의 산소함유 가스와 분리시키기, 열전도성이 있기, 다른 연료전지 구성요소의 CTE와 실질적으로 일치하는 CTE를 가지기 및 전기 도전성이 있기의 4가지 모든 기능을 제공하는 재료를 제공하는 것이다.
이들 요건을 충족시키기 위해, 비도전적이거나 적당히 전기 도전적이지 않을 수 있지만, 다른 요건들을 충족하는 재료로 주로 형성된 가스 분리기를 제공하고, 분리기의 두께를 관통하는 전기 도전성 피드스루(feedthroughs)를 제공하는 것이 제안되었다. 이와 같은 한 제안은 켄달 등(Kendall et al.)의 Solid Oxide Fuel Cells Ⅳ, 1995, pp 229-235에 되어 있고, 상기 참고문헌에서 가스 분리판은 지르코니아 재료로 형성되며 란탄 크로마이트 리벳(lanthanum chromite rivets)이 판에 있는 구멍을 통해 연장된다. 분리기 두께를 관통하는 전기도전성 피드스루에 대한 다른 제안이 유럽특허 제 EP 0993059호에 되어있다. 이 제안에서, 바람직하게는 안정화된 지르코니아로 된 세라믹 가스 분리판은 바람직한 실시예로 음극면에는 음극재료가 채워지고 양극면에는 양극재료가 채워지는 관통 통로를 가지고 있다. 다른 방안으로, 통로들은 도프된 크로마이트(doped chromite), 은-팔라듐(Ag-palladium) 또는 플란제 합금(Plansee alloy)과 같은 단일 금속 화합물로 채워질 수 있다.
따라서, 피드스루 재료는 주된 분리기 재료와는 다르고 일반적으로 더 큰 전기전도도를 갖게 된다. 그러나, 가스 분리기가 열 싸이클링(heat cycling)됨에 따라, 이는 다른 CTE로 인해 판재료에서 느슨하게 되어 피드스루 재료에 불이익을 초래할 수 있고, 피드스루가 형성되는 통로를 통해 가스 누출을 야기할 수 있다.
부가적으로 유럽특허 제EP 0993059호에서, 예를 들어 양극면 상에 니켈(Ni), 플란제 금속 또는 은-팔라듐(Ag-Pd)으로 되고 음극면 상에 은-팔라듐 또는 란탄 스트론튬 망가네이트(lanthanum strontium manganite)로 된 피드스루용 개개의 접점들이 전체 전극표면에 중첩되는 접합층에 의해 각각의 전극에 접합된다. 이러한 접합층은 전극을 통한 자유로운 가스유동을 억제하는 경향이 있고 각각의 접점들은 전극을 지니고 있는 연료전지판들과 각각의 접점들이 가스 분리판과 함께 조립될 때 각각의 피드스루에 중첩되도록 전극상에 매우 정확하게 위치되어야 한다.
2002년 6월 6일자로 출원된 미국특허출원 제20020068677호에 간행된 또 다른 제안은 주요 판재료가 은, Ag-Pd 합금, 금 및 페라이트 스테인레스 강(ferritic stainless steel)과 같은 금속으로 형성되어 포함된 금속 도체를 갖는 고규산형 유리 매트릭스(high silica glass matrix)인 가스 분리판을 포함한다.
본 발명의 각 태양의 목적은 적어도 몇가지의 상술한 불이익을 완화하는 연료전지 가스 분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 양극대향면(anode-facing side)과 음극대향면(cathode-facing side)을 가지고 전극접촉영역에서의 상기 양극대향면에서 음극 대향면까지 전기도전재료의 경로들을 갖는 분리기 본체를 가지며, 각 경로의 길이의 적어도 일부를 형성하는 전기도전재료는 은유리(silver-glass) 화합물인 2개의 고체 산화물 연료전지 사이에 사용하기 위한 연료전지 가스 분리기가 제공된다.
본 발명의 이러한 태양에 의하여, 가스 분리기와 분리기 본체의 재료의 요망되는 전기전도도 수준을 구분하는 잇점은 분리기 본체를 지나는 전기도전경로에 은을 사용함으로써 얻어지며, 가스 분리기를 통한 가스 누출의 위험은 전기도전경로에 유리를 사용함으로써 완화된다. 유리는 연료전지의 동작온도에서 연화될 수 있고, 필요하다면, 분리기가 열 싸이클링을 받을 때 분리기 본체의 팽창 및 수축과 함께 유동할 수 있다. 은(silver)의 연성이 이를 용이하게 한다. 은유리 화합물은 유리 매트릭스에서 순수한 은 또는 은계열의 재료로 효과적으로 형성될 수 있다.
분리기 본체의 재료는 바람직하게 다른 연료전지의 구성요소의 CTE와 실질적으로 일치하는 CTE로 선택되나, 금속 및 합금과 같은 전기도전재료를 포함하는 임의의 적절한 재료가 선택될 수 있다. 고체 산화물 연료전지 조립물에서, 전해질 재료는 바람직하게 지르코니아이고 전극층을 지지하는 주요층일 수 있으며, 분리기 본체의 재료는, 이하에 설명되는 바와 같이, 잇점적으로 지르코니아이다.
은유리 화합물은 바람직하게 약 10 내지 약 40 중량%의 유리, 바람직하게는 15 내지 30 중량%의 유리를 포함한다. 약 10 중량%의 유리는 분리기 본체에서 충분한 밀봉 잇점을 제공하는데 하한(lower limit)이라고 여겨지는 반면에, 약 40 중량% 이상의 유리 수준에서는 요망되는 전기 도전성 수준을 제공하기 위해서 화합물에서 은이 불충분할 수 있다고 여겨진다. 잠정적으로, 화합물에서 은 및 유리의 비율은 분리기 본체의 CTE에 가장 적합하게 변경될 수 있으나 상기 화합물의 주요 잇점은 분리기 본체의 팽창과 수축으로 변형되고 전기를 전달할 수 있는 재료의 능력에 있다.
은유리 화합물은 유리 및 은 분말의 혼합, 유리분말과 은 염(silver salts)의 혼합, 및 졸겔 유리 전구체(sol-gel glass precursor) 및 은 분말 또는 은 염의 혼합을 포함하는 여러가지 적절한 공정에 의하여 형성될 수 있다. 다른 방안으로, 예를 들어, 은 또는 은 염이, 이하에서 상술한 바와 같이, 유리 입자가 가스 분리기의 주요 재료에 제공된 후 유리 매트릭스에 도입될 수 있다. 그런 후 재료는 소성된다. 어느 한 적절한 은 염은 질산은(silver nitrate)이다. 바람직한 실시예에서 유리분말은 입자 크기가 100㎛ 미만이고, 가장 바람직하게는 평균 입자가 13 내지 16㎛ 범위이며, 은 분말은 입자 크기가 45㎛ 미만이다. 적절한 접합제는 예를 들어 유기 스크린 프린팅 매질이나 잉크이다. 혼합 후, 조성물은 주요 분리기 재료를 통해 통로에 도입되고 소성된다.
은(silver)은 상용 순은(純銀)이고, Ag가 주요 구성성분인 재료 혼합물 또는, 예를 들어, 은 합금일 수 있다.
은(silver)은 연료전지의 동작온도가 약 900℃를 넘지 않으면, 예를 들어 800 내지 900℃ 범위이면 유리 매트릭스에 단독으로 잇점적으로 사용될 수 있다. 은유리 접합을 강화시키고 경계면 스트레스를 분산시킬 수 있는 유리와 경계면에서 은의 일부 이온교환이 있을 수 있다.
특히 연료전지 동작온도가 약 900℃ 이상이면, 은의 용융점 이상에서, 예를 들어 약 1000℃에서, 은은 충분히 높은 용융점을 갖는 어떤 적절한 연성 금속 또는 금속들, 예를 들어 금(gold), 팔라듐(palladium) 및 백금(platinum)과 같은 하나 이상의 귀금속과 합금될 수 있다. 바람직하게, 50 중량% 만큼의 Ag이 합금에 있게된다. 금속 또는 금속을 합금하는 높은 용융온도로 인해 경계면에서의 이온 교환에 의하여 유리와 접착할 수 있는 은 합금의 능력이 지나치게 감소되면, 구리와 같은 낮은 용융온도 금속이 또한 포함될 수 있다.
Ag과 조합하기 위한 또 다른 및 값싼 재료로는 스테인레스 강이다. Ag 및 스테인레스 강은 유리와 조합되기 전에 분말에 혼합될 수 있다.
여러가지 다른 유리 조성물들이 선택된 주요 분리기 재료와 함께 사용될 수 있다. 유리 조성물은 연료가스 분리기가 사용되는 온도 및 냉각율(cool-down rate)에서 결정화(예를 들어, 결정부피의 40% 미만)에 대하여 안정적이어야 한다. 잇점적으로, 유리 조성물은 예를 들어 700℃ 내지 1100℃, 바람직하게는 800℃ 내지 900℃의 의도된 연료전지 동작범위 위에서 약간의 점성변화를 갖는다. 최대 의도한 동작온도에서, 유리의 점성도(viscosity)는 유리가 유리 자신의 무게에 의하여 분리기 본체 밖으로 흐를 수 있는 정도까지 감소되어서는 안된다.
바람직하게, 유리는, 예를 들어 어떠한 산화납(lead oxide), 산화카드뮴(cadmium oxide), 산화아연(zinc oxide) 및 산화나트륨(sodium oxide) 및 산화붕소(boron oxide)도 없거나 산화나트륨 및 산화붕소가 낮은 증기 구성성분에서 낮거나(예를 들어, 10 중량% 미만) 없다. 800℃ 내지 900℃의 바람직한 연료전지 동작범위 위에서 적어도 100℃ 온도 범위 이상에서 작은 점성도 변화를 보이 는 유리들의 형태로는 일반적으로 고규산형(high silica) 유리, 예를 들어 55 내지 80 중량% 범위의 SiO2 이다. 이러한 유리는 일반적으로 상대적으로 낮은 CTE를 갖는다.
특히 지르코니아 가스 분리기 본체와 사용하기 위한, 이러한 고규산형 유리의 바람직한 및 더욱 바람직한 조성물이 표 1에 설정되어 있다.
산화물 바람직한 범위 중량% 더욱 바람직한 범위 중량%
Na2O 0-5.5 0-2.0
K2O 8-14 8-13.5
MgO 0-2.2 0-0.05
CaO 1-3 1-1.6
SrO 0-6 0.5-1
BaO 0-8 0-4.4
B2O3 6-20 6-20
Al2O3 3-7 3-6.0
SiO2 58-76 60-75
ZrO2 0-10 0-5.0
전기도전재료는 임의의 적절한 수단에 의하여 경로에 도입될 수 있다. 예를 들어, 유리분말 또는 입자들이 경로 또는 구멍에 도입된 후, 예를 들어, 분리기 본체의 한쪽면 또는 양쪽면에 도포되는 액체 코팅과 같은 은 염 용액 또는 은 재료의 초미세 현탁액이 모세관 작용에 의하여 경로 또는 구멍에 유리 입자들이 끌려들어가게 하거나 야기하게 할 수 있다. 다른 방안으로, 용액 또는 현탁액이 주입될 수 있다. 더욱 바람직하게, 접착제내의 유리 및 은 재료 분말의 혼합물이, 예를 들어 스크린 프린팅 또는 스텐실 프린팅(stencil printing)에 의하여, 본체 내의 경로를 적어도 부분적으로 채우도록 분리기 본체의 한쪽면 또는 양쪽면에 프린트된다. 그 런 후 혼합물이 유리를 용융시키고 은을 소결시키도록 가열된다. 그리고 나서 용융된 유리-은 화합물이 경로에 흘러들어 가스 분리기와 분리기 본체를 밀봉시킨다. 적절한 가열/소성 온도는 유리 조성물과 은 재료에 따르지만 바람직하게는 부적절한 은의 증발없이 유리의 최적 용융을 위해 고규산형 유리 매트릭스에서는 순수한 은에 대하여 650 내지 950℃ 범위이다.
연료전지 가스 분리기는 양극대향면과 음극대향면에 의해 정의된 표면들 사이에 전기 전송을 보장하기 위해, 경로에서 은유리 화합물이 분리기 본체의 외부면까지 확장될 수 있다. 다른 방안으로, 은유리 화합물은 각각의 표면에 까지 연장되고 은유리 화합물 및/또는 가스 분리기와 인접한 전극 사이의 경계를 보호할 수 있는 경로내의 분리기 본체상에 전기도전코팅을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제 2 태양에 따르면, Ni 보호코팅은, 선택적으로 Ag 언더코팅을 갖는 양극면에 제공될 수 있으며, Ag-Sn 보호코팅과 같은 Ag 또는 Ag 합금이 다른 인접한 구성성분들에 대한 증기 또는 "위킹(wicking)"을 통하여 은유리 화합물의 손실을 경감시키기 위해 음극면에 제공될 수 있다. 특히, 코팅은 연료전지 동작온도에서 모세관 작용에 의하여 인접한 연료전지 전극 또는 다른 다공성 구성요소에 대한 은유리 화합물의 손실을 경감시킬 수 있다. 코팅은 또한 전기접촉을 강화하고 어느 정도의 순응성(compliance)을 제공한다.
인접한 연료전지와 가스 분리기 사이의 전류 유동을 증강시키기 위해, 상술한 보호코팅은 잇점적으로 분리기 본체의 전극접촉영역을 가로질러, 예를 들어 두께가 10 내지 1000㎛, 바람직하게는 60 내지 150㎛ 범위로 전개된다. 다른 방안으 로 또는 게다가, 각각의 메쉬(mesh) 또는 다른 전류 컬렉터가 가스 분리기와 인접한 연료전지의 전극 사이에 삽입될 수 있다. 메쉬 또는 다른 전류 컬렉터는 가스 분리기의 음극면 상의 공기 또는 다른 산소함유 가스와 가스 분리기의 양극면 상의 연료가스가 인접한 연료전지 전극 위로 지나는 가스 통로를 정의하거나, 부분적으로 정의할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 양극대향면과 음극대향면을 가지고 분리기 본체의 전극접촉영역에서의 상기 양극대향면에서 상기 음극대향면까지 전기도전재료의 경로들을 갖는 지르코니아계열의 본체를 가지며, 각 경로의 길이의 적어도 일부를 형성하는 상기 전기도전재료는 은 또는 은계열의 재료이고 상기 양극대향면상의 전극접촉영역상의 니켈 코팅이 상기 전기도전재료의 경로에서 상기 은 또는 은계열의 재료 위에 중첩되고, 상기 음극대향면상의 전극접촉영역상에 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)의 코팅이 상기 전기도전재료의 경로들 내에서 상기 은 또는 은계열의 재료 위에 중첩되는 2개의 고체 산화물 연료전지 사이에 사용하기 위한 연료전지 가스 분리기가 제공된다.
이러한 본 발명의 태양에 의하여, 전기도전경로는 분리기 본체의 전극접촉영역 위로 마주보는 표면코팅에 의하여 보호되고, 가스 분리기와 전류 수집 및/또는 가스유동제어를 위한 인접한 전극 사이의 분리장치 또는 장치들 전체와의 전기적 접촉이 강화될 수 있으며, 코팅은 약간 다른 높이를 갖는 연료전지 스택의 구성요소들로 인해 불균일한 부하를 분배함으로써 어느 정도의 순응성을 제시할 수 있다.
인접한 연료전지판의 각각의 전극에 마주보며 정렬되는 가스 분리기 본체의 부분을 본 명세서를 통해 사용되는 바와 같이 용어 "전극접촉영역"으로 나타낸다. 인접한 전극과 전극접촉영역의 임의의 접촉은 삽입된 전류 수집 및/또는 가스유동 제어장치를 통해 간접적일 수 있다. 따라서 용어 "전극접촉영역"의 사용은 인접한 전극과 직접 접촉하기 위한 가스 분리기 본체의 영역을 필요로 하지 않음을 알게 된다.
은 및 은계열의 전기도전재료는 본 발명의 제 1 태양을 참조로 사용되고 설명한 은유리일 수 있으나, 다른 방안으로는 (상용의 순순한) 금속 은, 상기 Ag이 주요 성분인 금속 혼합물, 또는 은 합금일 수 있다.
특히 연료전지 동작온도가 은의 용융점 위로, 약 900℃ 이상이면, 예를 들어 1100℃까지이면, 은(silver)은 충분히 높은 용융점을 갖는 임의의 적절한 연성 금속 또는 금속들과 합금될 수 있다. 이러한 금속의 예는 금, 팔라듐, 백금과 같은 하나 이상의 귀금속일 수 있다. 바람직하게, 50 중량% 만큼의 Ag이 합금에 있게 된다. Ag과 조합하기 위한 또 다른 및 값싼 재료는 스테인레스 강이다. Ag 및 스테인레스 강은 분말로서 함께 혼합되고 분리기 본체를 통해 경로내에서 소성에 의하여 함께 소결될 수 있다.
금속 은, 은 혼합물 또는 은 합금 전기도전재료는 유기 접합제에 있는 금속, 혼합물 또는 합금의 슬러리(slurry)를 경로에 스크린 프리팅 또는 스텐실 프린팅하거나, 예를 들어, 프린팅, 기상증착 또는 도금 및 코팅된 금속, 혼합물 또는 합금을 경로에 들어가게 함으로써 전극접촉영역의 표면을 코팅하는 것을 포함하는 임의의 적절한 방법에 의해 구멍에 도입될 수 있다.
양극단장층 상의, 바람직하게는 상용 순니켈로 된, 니켈 층은 두께가 약 10 내지 1000㎛, 바람직하게는 60 내지 100㎛ 범위이다. 특히 분리기 본체가 지르코니아인 연료전지 스택의 팽창된 열 싸이클링 동안 분리기 본체와 니켈층의 계속적인 접촉을 보장하기 위해, 바람직하게는 상용 순은(純銀)으로 된 은 층이 가스 분리기 본체의 양극대향면과 니켈 코팅 사이의 전극접촉영역 상에 배치될 수 있다. 이러한 은 층은 두께가 약 10 내지 1000㎛, 바람직하게는 20 내지 200㎛ 범위이며, 편리하게도 은의 연성으로 인해 양극면상에 전반적인 코팅의 강화된 순응성을 제공한다.
바람직하게 분리기 본체의 음극대향면 상의 Ag-Sn 합금은 약 4 내지 약 20 중량%의 Sn을 함유하고, 두께는 약 10 내지 1000㎛, 바람직하게는 100 내지 150㎛ 범위일 수 있다.
An, Ag-Sn 합금 코팅은, 예를 들어 가스 분리기의 음극대향면 상에 산화분위기에서 형성된 SnO2의 표면층을 가질 수 있다. SnO2의 표면층은 가스 분리기 의 사용에 대한 상승된 온도에서 "증발"에 의한 Ag 손실을 줄인다. 음극대향면 상에 코팅의 전기전도도를 향상시키기 위해, 코팅은 팔라듐(Pd) 및 란탄(La)과 같은 도판트를 약 10 중량%까지 포함하여야 한다. 각 코팅층은 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 마그네트론 스퍼터링과 같은 증기증착공정, 슬러리 코팅 및 테이프 캐스팅(tape casting)을 포함하는 임의의 적절한 수단에 의하여 도포될 수 있다.
Ag-Sn 코팅에 대한 대안으로서, 은 층은 분리기 본체의 음극대향면상에 형성될 수 있다. 음극면상의 은 코팅은 두께가 약 10 내지 1000㎛, 바람직하게는 50 내 지 250㎛ 범위이다. 본 발명의 제 1 태양의 가스 분리기에 제공된 것처럼 상기 표면코팅에 대한 논의에서와 같이, 다음의 설명은 본 발명의 태양 모두에 적용된다.
가스 분리기의 지르코니아는 예를 들어 3 내지 10 중량% Y의 이트리아로 안정화될 수 있다. 다른 방안으로, 지르코니아는 지르코니아계열의 구조를 보유한 다른 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 지르코니아는 15 중량%까지 또는 심지어 약 20 중량% 까지의 알루미나를 갖는 지르코니아 알루미나일 수 있다. 편의상, 모든 이러한 재료는 이하에서 지르코니아로 언급된다.
분리기 본체의 두께는 바람직하게 단지 500㎛, 더 바람직하게는 가스 분리기 또는 분리기들을 이용하는 연료전지 스택의 전체 두께 또는 높이 및 질량을 최소화하기 위해 실질적으로 이보다 더 작은, 예를 들어 50 내지 250㎛ 범위이다. 더 작은 두께가 사용될 수 있지만, 가스 분리기는 제작하기가 어려워지게 되고 분리기 본체의 재료가 밀하도록, 즉, 연료전지 조립물에서 가스에 대한 기밀(氣密)을 보장하기가 더욱 어렵게된다. 더 큰 두께가 사용될 수 있지만 불필요하며, 더 바람직하기로 두께는 단지 200㎛이다.
분리기 본체는 특히 분리기의 재료와 모양에 따른 임의의 적절한 수단에 의하여 형성될 수 있다. 평평한 연료전지와 함께 사용하기 위한 가스 분리기는 일반적으로 판 형태일 것이며, 예를 들어, 지르코니아판은 원재료를 테이프 캐스팅 및 소결에 의하여 형성될 수 있다. 적절한 제조방법들이 용이하게 식별될 수 있으며 본 발명의 일부를 형성하지는 않는다. 분리기 본체는 분리기 본체의 층을 통해 전기도전재료의 경로와 접하는 전기도전재료의 층에 의해 분리될 수 있는, 예를 들어 지르코니아로 된 2 이상의 층으로 형성될 수 있다. 바람직하게 경로내의 전기도전재료와 분리층이 동일하다.
앞서 언급한 바와 같이, 가스 분리기는 연료전지 조립물에 사용되는 가스들에 대해 기밀(氣密)되어야 하며, 가장 바람직하게 분리기 본체의 재료는 밀(密)하다. 그러나, 재료는 상기 재료의 두께를 관통하는 구멍을 메우는 전기도전재료들로 다공성일 수 있다. 그러나, 바람직하게, 전기도전재료의 경로는 분리기 본체를 관통하는 구멍에 의해 정의된다.
편의상, 이러한 구멍은 바람직하게 분리기 본체의 두께를 실질적으로 수직으로 관통하여 나와있다. 그러나, 이는 필수적이지 않으며 전기도전재료의 경로가 수직에 대하여 기울어진 것이 잇점적일 수 있다. 분리기 본체의 양극면에서 각 경로는 음극면에서 연결된 경로에 대하여 오프세트될 수 있어 가스 분리기를 통과한 가스의 누출위험을 더 완화시키고, 또는 분리기 본체가, 상술한 바와 같이, 분리기 본체를 지나는 경로에서 전기도전재료와 동일하거나 다를 수 있는 전기도전재료의 층 또는 층들에 의해 분리된 2 이상의 층으로 형성될 수 있다.
분리기 본체를 통한 전기도전재료의 각 경로는 바람직하게 직경 또는 평균 횡단면 치수가 50 내지 1000㎛이다. 경로가 구멍에 의해 정의되면, 구멍은, 예를 들어 레이저 컷팅에 의해, 분리기 본체의 제조동안 또는 순차적으로 형성될 수 있다. 구멍의 최소크기는 전기도전재료로 구멍을 형성하고 메우는데 대한 난이도의 함수이다. 더 바람직하게, 평균 횡단면 치수는 200 내지 400㎛ 범위이며, 예를 들어 300㎛이다.
최소 구멍의 수는 크기, 플러그 재료의 전기전도도 및 가스 분리기를 지나는 전류의 함수이다. 구멍이 바람직한 범위의 상한 부근의 평균 횡단면 치수이면, 구멍은 갯수가 적고 더 넓게 이격될 수 있다. 바람직하게, 분리기 본체를 지나는 전기도전재료의 경로의 총 면적은 분리기 본체의 (일측면만 측정된) 전극접촉영역의 표면적 1000㎟ 당 0.1㎟ 내지 20㎟, 더 바람직하게는 1000㎟ 당 0.2㎟ 내지 5㎟ 범위이다. 현 바람직한 실시예에서, 약 5400㎟의 전극접촉영역 또는 기능성 가스분리영역을 갖는 가스 분리판을 관통하는 약 300㎛의 평균직경을 갖는 전기도전재료의 19개 경로가 있다.
잇점적으로, 전기도전재료의 경로는 또한 가스 분리기의 마주보는 측면들상에 연료전지로부터 멀리 열 전달을 위한 열도전경로를 제공한다.
표면 형성물들은, 선택적으로 각각의 전류 컬렉터와 연계된, 가스유동통로를 정의하기 위해 가스 분리기의 전극접촉영역에 제공될 수 있다. 표면 형성물들은 분리기 본체와 일체로 형성될 수 있거나, 분리기 본체의 표면에 부착될 수 있는 평행한 융기부의 형태일 수 있다. 표면 형성물은 필수적인 가스유동을 제공하기 위해 임의의 적절한 높이, 예를 들어 약 750㎛까지, 바람직하게는 약 500㎛ 높이를 가질 수 있다.
잇점적으로, 일 실시예에서, 분리기 본체에서 전기도전경로는 가스유동의 요망 방향에 평행하게 뻗어있는, 양측면상에 늘어선 평행 융기부에 의해 덮여진다. 가스 분리기의 맞은편 상의 융기부들은, 연료가스와 산소함유가스가 병류 또는 향류(co-current or counter-flow)인지, 또는 횡류 또는 교차류(transverse or cross-flow)인지에 따라, 서로에 평행하게 또는 서로에 수직하게 뻗어있다. 융기부는 전기도전적이며 연료전지 동작환경에서 구조적 및화학적으로 안정적인 적절한 재료로 형성될 수 있고, 적어도 본 발명의 제 2 태양에서 분리기 본체상에 Ni 및 은(silver) 또는 Ag-Sn 코팅에 대하여 또는 가능하게 있다면 Ag 언더코팅에 대한 Ni 코팅을 통해 편리하게 접합된다. 일 실시예에서, 가스 분리기의 각 측면상의 융기부들은 접하고 있는 각각의 전극과 동일한 재료로 제조된다. 따라서, 음극면상에서 융기부들은 두께가 약 100㎛까지, 바람직하게는 약 50㎛의 금속 은 코팅으로 바람직하게 피복된 란탄 스트론튬 망가네이트와 같은 도전성 페로프스카이트(perovskite)로 형성될 수 있다. 양극면상에서, 융기부들은 두께가 약 100㎛까지, 바람직하게는 약 50㎛의 금속 니켈 코팅으로 바람직하게 피복된 니켈-지르코니아 써멧(nickel-zirconia cermet)으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 여러가지 연료전지 가스 분리기의 실시예들이 첨부도면을 참조로 단지 예로써 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 분리판의 일 실시예를 포함하는 연료전지 스택의 개략적인 분해측면도이다;
도 2는 제조공정동안 도 1의 연료전지 가스 분리판 중 하나에 대한 개략적인 측면도이다;
도 3은 본 발명에 따른 가스 분리판의 또 다른 실시예를 포함하는 연료전지 스택의 평면도이다;
도 4는 도 3에 도시된 스택내의 전지판과 가스 분리판의 전반적인 배향을 예시한 아래방향에서 본 개략적인 분해 사시도이다;
도 5는 도 4에 도시된 동일한 분해 위치에서 전지판과 가스 분리판을 위쪽방향에서 본 개략적인 사시도이다;
도 6은 도 4에 도시된 전지판 중 하나에 대한 평면 사시도이다;
도 7은 도 4에 도시된 가스 분리판 중 하나를 떼어낸 평면 사시도이다;
도 8은 도 7에 도시된 떼어낸 가스 분리판의 하부도면이다;
도 9는 도 3 및 도 4에 도시된 판들 사이에서 가스밀봉 조립물의 일부를 통해 도식으로 나타낸 횡단면도이다; 그리고
도 10은 2개의 관련된 연료전지판 중 하나를 도시한 본 발명에 따른 가스 분리판의 또 다른 실시예의 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지(12)와 가스 분리판(14)을 번갈아 바꾸는 배열(10)이 도시되어 있다. 연료전지(12)는 평평하고 일측면 상에는 양극층(18)과 타측면 상에는 음극층(20)을 갖는 고체 산화물 전해질 지지층(16)을 포함한다. 전해질은 바람직하게는 3Y, 8Y 또는 10Y와 같은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)이다. 양극은 바람직하게는 니켈 지르코니아 써멧(nickel-zirconia cermet)이고 음극은 바람직하게는 란탄 스트론튬 망가네이트(lanthanum strontium manganate)와 같은 도전성 페로프스카이트(perovskite)이다. 이러한 고체 산화물 연료전지는 잘 알려져 있으 므로 더 이상 설명하지 않겠다.
각각의 가스 분리판(14)은 3층의 샌드위치 구조(sandwich structure)로, 제 1 및 제 2 외부층(22,24)과 제 3 중간층(26)을 갖는다.
제 1 및 제 2 층은 실질적으로 연료전지(12)의 전해질 지지층(16)의 열팽창계수(CTE)와 일치되기 위해 편의상 지르코니아로 형성된다. 지르코니아는 이트리아로 안정화될 수 있으나, 예를 들어, 알루미나(alumina)를 20중량% 까지 갖는 알루미나 첨가된 지르코니아일 수 있다.
지르코니아는 전기적으로 도전적이지는 않으며, 각각의 제 1 및 제 2 층(22 및 24)은 은(silver) 또는 은계열의 전기 도전성 플러그 재료로 채워진 층 두께를 관통해 수직으로 뻗어있는 다수의 구멍(perforations)(28)을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 플러그 재료는 유리에 80 중량%의 은(silver)으로 된 화합물이다. 은(silver)은 상용 순은(純銀)이고, 유리는 0.8-1.2 중량%의 Na2O, 8.9-9.2 중량%의 K2O, < 0.1 중량%의 MgO, 1.4-1.5 중량%의 CaO, < 0.1 중량%의 SrO, 3.1-4.2 중량%의 BaO, 7.2-10.2 중량%의 B2O3, 6.2-6.6 중량%의 Al2O3, 및 68.8-70.4 중량%의 SiO2로 된 조성물을 갖는다.
각 가스 분리판(14)의 제 1 및 제 2 층에 있는 구멍(28)은 오프세트되어 제 1 층에 있는 어떠한 구멍도 제 2 층에 있는 구멍과 일치하지 않는다. 제 3 중간층(26)의 재료는 제 1 및 제 2 층의 플러그 재료와 동일하며 두께는 60㎛ 미만이다.
구멍은 평균 횡단면 치수가 약 300㎛이고, 플러그 재료(30)는 구멍을 밀봉하여 플러그 재료의 총 횡단면적이 각각의 제 1 및 제 2 층 중 일측면에서만 측정된 전극접촉영역의 표면적 1000㎟ 당 0.2 내지 5㎟ 범위이게 한다.
도 2는 가스 분리판(14)을 형성하는 한가지 방법을 개략적으로 예시한 것이다. 이 방법에서, 제 3 중간층 재료의 전구체(precursor)로 된, 예를 들어 약 200㎛의 두꺼운 층은 제 2 층(24)의 안쪽면에 스크린 프린트(screen print)된다. 스크린 프린팅은 실온이나 실온부근에서 실행될 수 있다. 전구체는 입자크기가 100㎛ 미만이고 평균 크기 범위가 13 내지 16㎛인 분말유리와 입자 크기범위가 45㎛ 미만인 은금속 분말을 접합제내에 기계적으로 교반함으로써 형성된 혼합물이다. 적절한 접합 시스템으로는 상표명 쎄르덱(CERDEC)과 듀라맥스(DURAMAX)에 의하여 이용가능한 스크린 프린팅 잉크의 조합이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 코팅된 재료 중 일부가 코팅 공정동안 제 2 층에 있는 구멍(28)으로 들어간다. 그런 후 제 1 층(22)이 제 2 층 상에 있는 제 3 층의 코팅된 전구체 재료에 포개어지며, 제 1 층에 있는 구멍(28)은 제 2 층에 있는 구멍(28)에 대해 오프셋트되어 있다. 그리고 나서, 도 2에 아래방향 화살표로 나타낸 바와 같이, 충분한 압력이 제 1 층(22)을 통해 가해져, 전구체 재료가 유동하게 한다. 이는 제 3 층의 전구체 재료를 요망 두께로 감소시키고 화합물 재료를 제 2 층(24)의 구멍(28) 뿐만 아니라 제 1 층(22)의 구멍(28)으로 더 밀어넣어 전기 도전성 플러그로 작용하게 한다. 그런 후 가스 분리판을 약 850 내지 920℃ 온도로 소성하여 유리를 녹이고 유리 매트릭스내의 연속 전기 도전성 경로에 은(silver)을 소결시킨다. 연료전지의 동작온도에서, 화합물에 있는 유리는 점성 유체이며 가스장벽을 형성하는 반면에, 은(silver)은 전기전도도를 제공한다. 저온에서, 또는 동작정지시에, 화합물내의 용융/점성 유리가 고체/단단한 상태로 복원된다. 화합물 재료가 이 상태에서 손상되면, 일단 동작온도로 복귀한 다음, 유리는 점성유체 상태로 되돌아가고 밀봉성을 회복하게 된다.
전기도전성 재료가 은 금속, 은 혼합물 또는 은 합금을 포함하면 유사한 형성공정이 채택될 수 있으며, 금속분말 또는 합금분말, 또는 금속 분말들 또는 합금분말들이 프린트된 슬러리(slurry) 또는 스크린에 형성된다.
그런 후 가스 분리판(14)의 외부면들이 음극면상에는 Ag-Sn 합금으로 그리고 양극면상에는 니켈금속의 도전층으로 코팅되고, 선택적으로 양극면과 니켈코팅 사이에 은(silver) 층을 가짐으로써 전기도전경로를 보호한다. SnO2 층이 Ag-Sn 코팅 위에 도포될 수 있다. 코팅의 연성(ductility)은 구성성분들이 높이가 약간씩 다르므로 연료전지 스택에 불균일한 부하 분포가 발생하여 스트레스를 완화시킬 수 있다. 코팅은 또한 바깥으로부터 구멍(28)을 채우게 하고 연료전지 스택의 인접한 다공층들로의 유리의 위킹(wicking)을 완화시켜, 도 1에 윗쪽방향 화살표로 나타낸 바와 같이, 전기 도전경로가 가스 분리판(14)의 외부면들 중 하나로부터 타 외부면까지 구멍들과 제 3 중간층을 통해 제공된다. 코팅의 도포공정에 대한 추가적인 상세한 설명이 아래에 제시되어 있다.
다시 도 1을 참조하면, 하나의 전류 컬렉터(32)가 상부 연료전지(12)와 가스 분리판(14)의 윗쪽 쌍 사이에 개략적으로 예시되어 있고, 이는 2개 구조사이에 가스유동통로를 정의할 수 있다. 이러한 가스유동통로들은 각 쌍의 인접한 가스 분리판과 연료전지 사이에 필수적이지만, 편의상 도 1 및 도 2에서 생략되어 있다. 가스유동통로들은 편의상, 임의의 상술한 코팅들 상에서, 도 3 내지 도 9를 참조로 예시되고 설명한 바와 같이, 가스 분리판(14)의 외부면들 상에 융기부(ridges)의 형태로 있다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 고체 산화물 연료전지 스택 조립물(102)은 관모양의 하우징(104)내에 유지되는 번갈아 위치되는 연료전지판(110)과 가스 분리판(130)을 스택(103)을 포함한다. 모든 연료전지판(110)은 동일하고 모든 가스 분리판(130)도 동일하다. 도 1 및 도 2의 판들과 같이, 일반적으로 스택에 각각의 이들 판들이 20 내지 500개가 있을 수 있다. 연료가스와 공기가 병류 다중첩 시스템(co-current manifolding system)에서 스택 조립물의 한 축단부(axial end)에 공급되고 배기가스들이 타단부에서 수집된다. 상기 두 단두 중 어떤 단부는 공급 및 배기기능에 적합하지만, 다중첩 시스템은 선택적으로 향류(counter-current)일 수 있다. 기술한 병류 실시예에서, 연료 및 공기 공급기는 모두 바닥에 있고 배출기는 상부에 있지만, 대다수의 상황에서는 향류배열로 연료가 바닥으로부터 공급되고 공기가 상부로부터 공급되는 것이 바람직하다. 다른 방안으로, 가스 공급기와 배출기 모두는 동일 단부에 있을 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참조로, 각 전지판(110)은 전해질계열의 전지판의 상부면상에 있는 실질적으로 중앙의, 정사각형 양극층과, 상기 전지판의 하부층상에 있는 실질적인 중앙의 정사각형 음극층을 가져 실질적으로 정사각형 연료전지(112)를 형성한다.
전지판(110)과 분리판(130)은 외형이 동일하고, 상기 외형은 일반적으로 트릴로뷰랄(trilobular), 또는 원과 삼각형 사이의 부분적인 형태로 설명될 수 있다. 상기 형태는 다른 방식으로는 대개 원형으로서 상기 원형에서 뻗어 나온 3개의 둥근 로브(lobes)가 달린 것으로 기술될 수 있다. 2개의 로브(174 및 176)는 크기가 동일하고 제 3 로브(172)는 판의 주위로 원주에 있어서 다른 로브들보다 약 50% 더 확장되어있다. 각 로브(172,174 및 176)에서 신장형태의 개구(각각 전지판에서는 도면부호 114,116,118 및 분리판에서는 115,117,119)가 판을 통해 확장되어 있다. 더 큰 로브들(172)은 더 큰 개구들(114,115)을 갖는다. 판들의 면상에서의 리브(rib) 시스템 또는 융기부 모양의 씰(seal) 시스템은 스택내에 가스유동을 안내한다. 이들 씰은 아래에 더 상세히 설명되나, 가스켓 씰을 포함하여, 다른 형태의 씰들이 사용될 수 있음이 고려된다.
연료전지와 가스 분리판에서 3개의 정렬된 일련의 개구(114 및 115, 116 및 117, 그리고 118 및 119)에 의해 정의되고, 판(110 및 130)의 씰 구성요소를 맞물리게 함으로써 형성되는 연료분산 매니폴드 및 배기수집 매니폴드(105 및 106)(도 3 참조)는, 각각, 연료 입구와 통하고 판의 공기면을 지나는 기류를 양극면으로 배기한다. 공기공급(air supply) 매니폴드 및 공기수집 매니폴드(107 및 108)는 각각 스택(103)의 외주와 하우징(104)의 내벽 사이에 형성된 3개의 공간체적에 의해 형성된다. 매니폴드(107)는 본질적으로 판의 로브(174 및 176) 사이에 형성되고, 2개 의 배기 매니폴드(108)는 본질적으로 판의 로브(172 및 174)와 로브(172 및 176) 사이에 각각 형성된다. 공기입구 매니폴드(107)는 각각의 2개의 배기 매니폴드(108)보다 약 50% 더 큰 각이 진 영역을 가지고, 연료 입구 또는 분산 매니폴드(105)에 마주보고 있다. 각각의 신장된, 슬라이딩 섬유질 씰(sliding fiborous seals)(109)들은 스택(103)과 하우징(104)의 내벽 사이에서 로브(174, 176 및 178)에 인접한 스택을 따라 연장되어, 공기공급 매니폴드(107)를 2개의 공기수집 매니폴드(108)와 분리시킨다. 섬유질 씰은 매니폴드(107 및 108)사이의 어느 정도의 누수를 허용할 수 있으나, 이는 스택의 동작에 손상을 끼칠 정도는 아니다.
하우징(104)은 적절한 내열성 강철판 재료로 구성되는데, 상기 강철판 재료에는 적절한 절연재료가 나란히 제공될 수 있다. 그리고, 하우징(104)은 판들(110 및 130)이 함께 조립된 후에 스택(103)상의 위치로 활주(sliding)된다.
스택의 동작에서, 연료가스는 각 전지판(110)의 입구부를 정의하는 큰 개구(114)를 통해 (화살표 A 방향으로) 연료전지의 양극면을 가로질러 유동한 후, 가스의 유동(화살표 B 및 C)이 인접한 가스 분리판(130)의 배기포트 개구(117 및 119)를 통해 각각 배출된다. 전지판(110)의 맞은편 상에, 스택과 하우징 사이의 입구 매니폴드(107)를 통해 스택(103)의 측면을 지나간 공기가, 연료전지의 양극을 가로지르는 연료가스 유동에 대한 향류로, 스택(103)의 외주로부터 그리고 연료전지의 음극면을 가로질러 안으로(화살표 D) 유동한 후, 가스의 유동이 나누어져 스택(103)의 외주로부터 배출(화살표 E 및 F)된 후 상기 배기 매니폴드(108)를 통해 스택 상단까지 계속된다.
도 6을 참조하면, 일반적으로 스택(103)에 사용되는 평평한 전지판(110)이 더 상세히 도시되어 있다. 판(양극이 보임)상에 정사각형 연료전지(112)는 판(10)의 본체를 형성하기 위해 밖으로 확장된 전해질 재료를 갖는 전해질 지지구조를 갖는다. 전해질은 바람직하게는 이트리아 안정화 지르코니아이고 적절한 3Y, 8Y 및 10Y 재료들이 당업자에게 알려져 있다. 양극은 바람직하게 니켈 지르코니아 써멧(nikel-zirconia cermet)이고 음극은 바람직하게 란탄 스트론튬 망가나네이트와 같은 도전성 페로프스카이트이다. 전지판(110)과 음극의 아랫면이 도 5에 도시되어 있다.
한 쌍의 평행한 리브(120 및 121)가 전지판(110)의 평면(124)에서 돌출되어 골(valley) 또는 홈(groove)(122)을 형성한다. 표면(124)은 스택이 사용을 위해 정렬될 때 전지판의 상부 양극면이 된다. 리브는 지르코니아로 형성되고 판의 본체와 일체로 형성될 수 있거나, 예를 들어, 스크린 프린트된 슬러리로부터 따로따로 형성되어, 상기 본체와 일체로 가열될 수 있다. 각 리브(120 및 121)는 전지판을 통해 개구(114, 116, 및 118) 바깥쪽으로 그리고 연료가스가 접촉되게 하는 영역의 외주 주위로 연속 경로 또는 폐쇄루프를 형성한다. 양극 위에, 리브(120 및 121)에 의해 정의된 폐쇄루프는 입구개구(114)로부터 연료가스를 안내하게 양극을 따라 잘록하다.
도 3 내지 도 9 모두에서, 판(110 및 130)의 두께 및 리브의 높이는 구성요소에 대한 설명을 보조하기 위해 크게 과장되어 도시되어 있다. 이 실시예에서, 연 료전지(112)는 2500㎟이고, 전지판은 두께가 150㎛이며 리브는 높이가 대략 500㎛, 폭이 1㎜이고 약 2㎜ 떨어져 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각 연료전지판(110)의 아래쪽 음극면(154)상에, 각각 하나의 (크기 및 형성방법에 있어 리브(120 및 121)와 일치하는) 리브(134)가 판을 관통하는 각각의 개구(114, 116 및 118) 주위로 평판(154)으로부터 나와있다. 개구(116 및 118) 주위의 각 리브(134)는 연료전지(112)의 음극층을 따라 개구(114)를 향해 안쪽으로 연장되는 (그러나 개구에 못미치는) 암(135)이 있어 음극 위로 유입되는 공기의 안내를 보조한다. 리브(134) 중 하나가 도 9에 또한 도시되어 있고 리브 씰의 사용이 도 9를 참조로 설명된다.
도 7 및 도 8은 더 상세하게 평평한 가스 분리판(13)을 도시하고 있다. 도 7에서, 표면(133)은 사용하기 위해 스택을 배향할 때 분리판(130)의 윗쪽 음극접촉면이다. 각 쌍의 평행한 리브(136 및 137)가 분리판(130)의 평면(133)에서 돌출되어 그 사이에 골 또는 홈(138)을 형성한다. 평행한 리브 쌍(136 및 137)은 크기, 간격 및 형성방법에 있어서 리브(120 및 121)와 일치하나, 인접한 연료전지판(110)의 음극면상에 리브(134)와 협동하도록 판(130)을 관통하는 개구(115, 117 및 119) 주위로 나와있다. 각 개구(117 및 119)와 연관된 각 리브(136)는 대응하는 리브(134)의 암(135)과 협동하여 수용하도록 말단부에서 막힌 이중벽 암(double walled arm)(139)을 가진다.
각 가스 분리판(130)의 아랫쪽 양극접촉면(132) 상에, 하나의 리브(142) 가 도 8 및 부분적으로 도 7에 도시되어 있다. 리브(142)는 크기 및 형성방법에 있어 리브(120 및 121)에 일치하고, 판(130)을 관통한 개구(115, 117 및 119)의 바깥으로 그리고 연료가스가 접촉하게 허용되는 영역의 외주 주위로 연이은 경로를 형성한다. 리브(142)의 외곽선은 인접한 연료전지판(110)의 양극면 상에 있는 리브(120 및 121) 사이의 홈(122)과 일치하며 밀봉을 형성하는데 있어 리브들과 협력한다.
도 9를 참조로, 아래에 상술한 바와 같이, 유리 실란트(glass sealant)(140)는 리브 사이의 밀봉을 형성하기 위해 양 골(122 및 138)에 사용된다.
각각의 분리판(130)은 전지판(110) 본체의 CTE와 실질적으로 일치시키기 위해 지르코니아로 제조된다. 이는 시작, 동작 및 종료 동안 조립물에 열 스트레스를 크게 최소화시킨다. 지르코니아는 이트리아로 안정화될 수 있으나, 예를 들어, 20 중량% 까지의 알루미나, 바람직하게는 15 중량% 까지의 알루미나를 갖는 알루미나 첨가된 지르코니아일 수 있다.
지르코니아는 전기 도전적이지는 않으며, 분리판(130)은 전기 도전성 플러그 재료로 채워진 두께 전체를 통해 수직으로 뻗어있는 구멍(150) 배열을 갖는다. 이들 구멍은 레이저 컷팅에 의해 형성될 수 있고, 판(110)에서 연료전지(112)에 의해 차지된 영역에 직접적으로 마주보는 판(130)의 한 영역을 차지한다. 플러그 재료는 표준 도금 또는 프린팅 기술에 의해 구멍에 도금되는 (상용으로 순수한) 금속 은일 수 있다. 다른 방안으로 구멍들은, 예를 들어, 은 혼합물, 은 합금, 또는 유리에서의 은, 은 혼합물 또는 은 합금으로 된 화합물과 같은 은 화합물로 채워질 수 있다. 적절한 합금요소 또는 재료들은 금, 팔라듐 및 백금을 포함한다. 다른 방안으로, 은(silver)은 예를 들어, 구멍에 소결하기 전에 분말로서 스테인레스 강과 혼 합될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 구멍은 은유리 화합물의 형태로 도 1 및 도 2를 참조로 기술된 방법으로 채워진다(분리판(130)은 일반적으로 도 1 및 도 2의 층(24)에 해당하는 한 층의 지르코니아로 형성되므로, 압축단계는 제외됨).
구멍은 평균 횡단면 치수가 약 300㎛이고, 플러그 재료로 구멍을 메워 플러그 재료의 전체 횡단면적이 (판(130)의 한 면상에서만 측정된) 전극접촉영역의 1000㎟ 당 0.2 내지 5㎟ 범위로 되게한다. 각각의 구멍을 메우는 전기 도전성 은계열의 플러그는 양극면상의 보호용 Ni 코팅과 음극면상의 Ag 또는 Ag-Sn 코팅으로 도금된다. 코팅은 판의 전체 전극접촉영역 위로 전개된다. 니켈 코팅은 Ni이 분리기 본체에 접착하도록 일조하고 양극면 코팅과의 순응성을 강화하도록 Ag으로 된 언더코팅(undercoating)을 가질 수 있다. Ag-Sn 코팅은 산화된 결과로서 SnO2 표면층을 가질 수 있다. 예를 들어 접착제에서의 분말재료의 스크린 프린팅과 연이은 소성에 의한, 상기 코팅은 외부로부터 구멍(150)을 채우도록 작용하여 전기 도전성 경로가 가스 분리판의 외부표면들 중 하나로부터 다른 외부표면까지 구멍을 통해 제공되는 것을 보장하게 할 수 있다. 단지 예로써, 니켈 코팅, (있다면) Ag 언더코팅 및 Ag-Sn 코팅은 두께가 각각 60-100㎛, 20-200㎛ 및 100-150㎛ 범위일 수 있다. 음극면상의 또 다른 Ag 코팅은 두께가 50 내지 250㎛ 범위일 수 있다.
코팅 재료는 필요한 두께와 점도(consistency)를 달성하도록 임의의 적절한 공정에 의해 도포될 수 있으며, 상기 공정에는 적절한 접착제를 사용하여 제조된 금속, 금속들의 분말 또는 합금 분말로 된 페이스트를 사용하는 스크린 프린팅, 금 속, 금속들의 분말 또는 합금 분말의 현탁액을 사용하는 스핀 코팅(spin coating), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)과 같은 물리적 기상증착공정, 슬러리 코팅(slurry coating) 또는 테이프 캐스팅(tape casting)을 포함한다.
특별한 실시예에서, 두께가 약 80㎛인 니켈 코팅은 Ag 언더코팅없이 적절한 상업적으로 구매가능한 유기 접착제에 Ni 분말 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅하고, 그런 후 Ni 층을 소성함으로써 전극접촉영역의 양극면상에 형성되었다. 초기에, Ni 층은 제 1 소성시에 산화되었다. 수소 또는 연료가스와 같은 환원분위기에서 연이은 소성동안, Ni 산화물이 감소되었고 Ni 층은 가스 분리판의 양극면상에 있는 전극접촉영역에 활발하게 결합되어 접촉저항을 낮추고, 씰에서 플러그 재료를 보호하며, 니켈층의 연성 결과로 스택내에 어느 정도 순응성을 제공한다.
특별한 실시예에서 음극면상에, 두께가 약 140㎛인 Ag-Sn 합금층이 유기 접합제에서 합금분말 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅함으로써 전극접촉영역상에 생성되었다. 합금분말은 Ag에 8 내지 10 중량% Sn을 함유하였다. 스크린 프린팅한 후, 연이은 SnO2 표면층이 코팅상에 형성되는 동안, 산화분위기에서 500 내지 950℃ 범위의 온도까지 코팅을 가열한다. 니켈층과 같이, Ag-Sn 합금층은 구멍에서 플러그 재료를 보호하고, 가스 분리판의 접촉저항을 낮추며 연성으로 인해 어느 정도의 순응성을 제공한다.
평행 융기부의 배열(148)이 각 판(130)의 음극면(133)상의 전극접촉영역에서 공기유동 기류에 평행하게 배치된다. 이들 융기부(148)는 각각 대응하는 구멍들의 열(列)(150) 위에 그리고 Ag-Sn 코팅 위에 각각 정렬된다. 설명을 돕기 위해, 융기부(148)의 약 절반을 도 4 및 도 7에서 제거하였다. 융기부(148)는 2개의 주요 기능을 실행한다. 첫째 융기부는 구멍(150)에 있는 플러그 재료와 Ag-Sn 코팅층 및 연료전지(112) 사이에 도전경로를 제공한다. 둘째 융기부는 얇고 연약한 전지판을 강화하는 물리적 지지체 뿐만 아니라 전지판과 분리판 사이의 좁은 간격에 가스 유동을 분배하기 위한 수단을 제공한다. 따라서 융기부(148)는 전기 도전적이고 구조적으로 안정적이게 하는 것이 요구된다. 융기부(148)는 대략 높이가 500㎛이고, 선택적으로 융기부 위로 약 50㎛ 두께의 금속 은 코팅을 갖는, 음극의 LSM 재료와 같은, 도전성 페로프스카이트로 제조될 수 있다.
판(130)(즉, 도 8에 도시된 표면(132))의 아래쪽에서, 메워지는 구멍(150) 및 Ni 코팅의 열들이 연료가스 유동기류에 평행하게 위치된 평행한 융기부(162)의 배열에 의해 덮여있다. 또한, 융기부(162)의 약 절반이 구조의 시각화에 일조하기 위해 도 5 및 도 8에서 제거되어 있다. 융기부(162)는 전류 컬렉터로서 역할을 함으로써 전류가 구멍(150)에 있는 플러그 재료와 Ni 코팅 및 양극 사이에 전도된다. 융기부는 또한 전지판에 대해 물리적 지지체를 제공하고 부가적으로 전지판과 분리판 사이의 좁은 간격에 가스 유동을 향하게 하고 분배하기 위한 수단을 제공한다. 융기부는, 선택적으로 니켈 덮개(약 50㎛ 두께)를 가지며, 높이가 대략 500㎛이고 양극과 동일한 재료 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 유리 실란트의 풀(pool)(140)이 리브(136 및 137) 사이의 골(138)에 위치되고 리브(134)에 의해 압력을 받는다. 각 리브는 반대로 기울어진 측면들과 말단면을 갖는 테이퍼(taper)진 단면을 갖는다. 유사한 배열이 리브(120 및 121)와 리브(142) 사이에 적용될 수 있으나, 따로 설명하지는 않는다. 제조동안, 유리가 분말로 도입되고 스택이 조립된 후에 필요한 밀봉을 형성하기 위해 유리를 녹이도록 가열된다. 따라서, 어떠한 접합제도 필요하지 않다. 스택 동작에서 유리 실란트(140)는 완전히 용융되나 점성이 높고 도 9에 도시되지 않은 잇따르는 3가지 선택 중 하나에 의해 골(138)에 보유된다. 유리는 잇점적으로 0-0.7 중량%의 LiO2, 0-1.2 중량%의 Na2O, 5-15 중량%의 K2O, 0-2 중량%의 MgO, 2-8 중량%의 CaO, 0-2 중량%의 SrO, 2-12 중량%의 BaO, 2-10 중량%의 B2O3, 2-7 중량%의 Al2O 3, 50-70 중량%의 SiO2 및 0-2 중량%의 ZrO2의 조성물 범위를 갖는다.
제 1 실시예의 선택에서, 리브(134)의 말단면 돌출부(151)는 상기 리브(134)의 측면들(152) 중 적어도 하나가 홈의 측면들(158)에서 떨어진 채로 있고, 리브들(136 및 137)의 말단면들(160 및 161)이 판(110)의 바닥면(154)에서 떨어진 채로 홈(138)의 바닥부(156)와 접촉한다. 이 경우 유리 실란트(140)는 이격된 측면들(152 및 158) 사이의 표면장력에 의해 보유될 수 있다.
제 2, 및 바람직한, 실시예 선택에서, 말단면들(160 및 161)이 측면들(152)중 적어도 하나가 측면(158)에서 떨어진 채로 있고 말단면(151)이 바닥부(156)에 떨어진 채로 있는 기저면(154)과 접촉한다. 이 경우 실란트(140)는, 이격된 측면들(152 및 158) 사이에서 바깥방향으로 약간 이동된 채, 리브(134)의 말단면(151)과 바닥부(156) 사이에 보유될 수 있다.
제 3 실시예의 선택에서, 양 측면들(152)은 말단면들(160 및 161)이 기저면(154)에서 떨어진 채로 있고 말단면(151)이 바닥부(156)에 떨어진 채로 있는 대응하는 측면들(158)과 맞물린다. 이 경우 실란트(140)가 말단면(151)과 바닥부(156) 사이의 공간체적을 채울 수 있다.
도 10을 참조하면, 가스 분리판(212) 위에 중첩된 연료전지판(210)이 (분해식으로) 도시되어 있다. 사용시에, 판(210 및 212)은 적어도 실질적으로 마주보고 접촉되며 연료전지판(210)과 가스 분리판(212)이 번갈아 위치하는 스택일 수 있다.
판(210 및 212)은 위에서 본 사시도로 나타나 있으며 연료전지판(210)상의 전해질층(216)에서 보이는 음극층(214)을 갖는다. 음극층(214)에 대응하는 양극층(미도시)이 (도면에서) 연료전지판의 아랫쪽에 제공되어 있다.
연료전지 및 가스분리판(210 및 212)은 일반적으로 원형이고, 판들이 쌓아올려질 때 각각 정렬되는 연료입구개구(218), 연료출구개구(220), 공기입구개구(222) 및 공기출구개구(224)로 내부적으로 매니폴드(manifold)되어 있다. 개스킷(gasket) 형태의 씰(226 및 228)은 각각의 연료전지 및 가스 분리판(210 및 212)의 (도면에서) 상단면상에 각각 제공된다. 개스킷 형태의 씰(226 및 228)은 편의상 유리 조성물 또는 유리 화합물로 형성된다.
씰(226)은 공기입구통로와 연관된 공기입구포트(230) 및 공기출구통로와 연관된 공기출구포트(232)를 가져 공기가 음극 및 인접한 가스 분리판(미도시) 사이의 음극층(214)을 가로질러 유동하게 한다. 씰(226)은 연료입구통로(218)와 출구통로(220) 전체 주위로 확장되어 연료전지판(210)의 음극면 위로 연료가 유동하는 것 을 방지한다.
대응적으로, 가스 분리판(212) 상의 씰(228)은, 단지 연료입구통로(218)와 출구통로(220)의 외부 주위를 제외하고는, 공기입구통로(222) 및 공기출구통로(224) 전체 주위로 확장되어 연료가스가, 연료전지판(210) 및 인접한 가스 분리판(212) 사이에, 양극을 가로질러, 연료입구통로(218)로부터 유동하게 한 후에, 연료출구통로(220)를 통해 배출되게 할 수 있다.
각각의 전극을 가로지르는 반응성 가스를 분배하고 연료전지스택에 있는 모든 판들(210 및 212)에 지지체를 제공하기 위한 수단(미도시)이 제공된다. 이러한 수단들은, 예를 들어 도 3 내지 도 9에 대해 기술한 바와 같이, 가스 분리판(212)상에 또는 연료전지판(210) 상에 표면 형성물의 형태일 수 있다. 다른 방안으로, 가스는 또한 전류 컬렉터로서 동작할 수 있는, 메쉬(mesh) 또는 골구조(corrugated structure)와 같은, 판들사이의 분리부재에 의해 분배될 수 있다.
앞서와 같이, 음극 재료는 바람직하게 다공성 란탄 스트론튬 망가네이트와 같은 도전성 페로프스카이드이고, 양극 재료는 바람직하게 다공성 니켈-지르코니아 써멧으로 형성된다.
전해질층(216)은 바람직하게 3Y, 8Y 또는 10Y와 같은 이트리아 안정화 지르코니아이며 전극층들을 넘어서 확장되어 내부에 매니폴드된 연료 및 공기입구 및 출구통로를 형성하고, 씰(226)을 지지하며 가스 분리판(212)상에 씰(228)에 대한 접촉면을 제공한다.
가스 분리판은 연료전지판(210)과 유사한 단면을 가지고 연료전지의 전해질 층(216)의 CTE와 실질적으로 일치하도록 잇점적으로 지르코니아로 형성된다. 가스 분리판(212)의 지르코니아는 이트리아로 안정화될 수 있으나, 예를 들면, 20 중량%까지의 알루미나를 갖는 알루미나 첨가된 지르코니아일 수 있다.
지르코니아는 비도전성이며 가스 분리판(212)의 기능들 중 하나는 스택을 통해 한 연료전지에서 다음 연료전지까지 전류를 전송하는 것이므로, 전기도전 통로(234)는 인접한 전극과 모양 및 크기가 일치하는 가스 분리판의 평평한 중앙부 또는 전극접촉영역(240)의 두께를 관통하여 제공된다. 통로(234)는, 도 1 내지 도 9를 참조로 설명한 바와 같이, 은 또는 은계열의 재료를 함유하는 판(212)을 관통하는 실질적으로 수직한 구멍을 포함한다. 가스 분리판(212)을 관통하는 통로(234)가 가시적으로 예시되어 있으나, 통로들은, 또한 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 각 측면 상에 중앙부(236)를 가로지르는 전기도전코팅으로 덮여진다.
상술한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 포함하나, 많은 변경, 개조, 변형 및/또는 추가가 본 발명의 필수적인 특징 또는 기술 사상 또는 범위로부터 이탈함이 없이 상술한 부분들의 구성 및 배열에 도입될 수 있음이 이해된다.
본 명세서에 설명된 가스 분리판과 이들의 용도에 대한 다른 태양들이, 각각 2001년 7월 13일자로 출원된 호주 가특허출원 제PR 6364호 및 제PR 6366호의 우선권을 주장하며, Solid Oxide Fuel Cell Stack Configuration and Seal For a Fuel Cell Stack의 제목으로 본원과 함께 동시에 출원된 동계류중인 국제특허출원에 개시되고 특허청구되어 있으며, 상기 동계류중인 국제특허출원의 내용과 이들의 미국 국제단계 등가물들이 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
용어 "포함하다(comprise)"와 "포함하다(comprises)" 및 "포함하는 (comprising)"과 같은 변형이 본 명세서에 사용되는 경우, 만일 문맥이 다른 것을 필요로 하지 않는다면, 이러한 사용은 서술한 특징 및 특징들의 포함을 내포하도록 의도되는 것이고, 다른 특징 및 특징들의 존재를 배제하는 것으로 받아들여져서는 아니됨을 이해하게 될 것이다.
본 명세서에서 어떤 종래 기술에 대한 참조는 종래기술이 공지지식의 일부분을 형성한다는 자인 또는 어떤 제안 형태가 아닐 뿐만 아니라 그렇게 받아들여져서도 안된다.

Claims (43)

  1. 양극대향면과 음극대향면을 가지고 전극접촉영역에서의 상기 양극대향면에서 음극대향면까지 전기도전재료의 경로들을 갖는 분리기 본체를 가지며, 각 경로의 길이의 적어도 일부를 형성하는 상기 전기도전재료는 은유리 화합물인 2개의 고체 산화물 연료전지 사이에 사용하기 위한 연료전지 가스 분리기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리기 본체의 재료가 지르코니아인 연료전지 가스 분리기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지르코니아는 약 20 중량% 까지의 알루미나를 함유하는 연료전지 가스 분리기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물은 약 10 내지 약 40 중량%의 유리를 함유하는 연료전지 가스 분리기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물은 약 15 내지 약 30 중량%의 유리를 함유하는 연료전지 가스 분리기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물에서의 은(silver)은 상용의 순은(純銀)인 연료전지 가스 분리기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물에서의 은(silver)은 은 합금 또는 혼합물인 연료전지 가스 분리기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 은(silver)은 금, 팔라듐(palladium), 백금(platinum) 및 스테인레스 강 중 임의의 하나 이상으로 합금되거나 혼합되는 연료전지 가스 분리기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물에서의 유리는 결정화에 대하여 안정적인 연료전지 가스 분리기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 은유리 화합물에서의 유리는 고규산형 유리(high silicca galss)인 연료전지 가스 분리기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유리의 조성물은 0-5.5 중량%의 Na2O, 8-14 중량%의 K2O, 0-2.2 중량%의 MgO, 1-3 중량%의 CaO, 0-6 중량%의 SrO, 0-8 중량%의 BaO, 6-20 중량%의 B2O3, 3-7 중량%의 Al2O3, 58-76 중량%의 SiO2 및 0-10 중량%의 ZrO2인 연료전지 가스 분리기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유리 조성물은 0-2.0 중량%의 Na2O, 8-13.5 중량%의 K2O, 0-0.05 중량%의 MgO, 1-1.6 중량%의 CaO, 0.5-1 중량%의 SrO, 0-4.4 중량%의 BaO, 6-20 중량%의 B2O3, 3-6.0 중량%의 Al2O3, 60-75 중량%의 SiO2 및 0-5.0 중량%의 ZrO2인 연료전지 가스 분리기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    각각의 전기도전성 코팅이 분리기 본체의 양극대향면과 음극대향면에서 은유리 화합물상에 제공되는 연료전지 가스 분리기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 상기 코팅이 각각의 전극접촉영역 위로 연장되는 연료전지 가스 분리기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    음극대향면 상의 상기 코팅은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)으로 되는 연료전지 가스 분리기.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 양극대향면 상의 코팅은 상용의 순 니켈로 되는 연료전지 가스 분리기.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 양극대향면상의 니켈층은 두께가 10 내지 1000㎛ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 은(silver)층이 니켈 코팅과 가스분리기 본체의 양극대향면 사이의 전극접촉영역상에 배치되는 연료전지 가스 분리기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 은(silver)층은 상용의 순은을 포함하는 연료전지 가스 분리기.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 은(silver)층은 두께가 10 내지 1000㎛ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  28. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극대향면상의 코팅은 약 4 내지 약 20 중량%의 Sn을 함유하는 Ag-Sn 합금인 연료전지 가스 분리기.
  29. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극대향면상의 코팅은 상기 코팅의 전기전도도를 향상시키기 위해 10 중량% 까지의 도판트(dopant)를 포함하는 Ag-Sn 합금인 연료전지 가스 분리기.
  30. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극대향면상의 코팅은 Ag-Sn 합금이고 두께가 10 내지 1000㎛ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  31. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극대향면상의 코팅은 SnO2의 표면층을 갖는 Ag-Sn 합금인 연료전지 가스 분리기.
  32. 제 15 항에 있어서,
    상기 음극대향면상의 코팅은 상용의 순은으로 되고 두께가 50 내지 250㎛ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기도전재료의 경로들이 분리기 본체를 관통하는 구멍들 내에 형성되는 연료전지 가스 분리기.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 구멍들은 상기 분리기 본체의 두께를 통해 수직으로 뻗어있는 연료전지 가스 분리기.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 분리기 본체의 양극면에 있는 전기도전재료의 각각의 경로는 음극면에 있는 전기도전재료의 연결된 경로에 대하여 오프세트되어 있는 연료전지 가스 분리기.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기도전재료의 각각의 경로는 평균 횡단면 치수가 50 내지 1000㎛ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리기 본체를 관통하는 상기 전기도전재료의 경로의 총 면적이 (일측면만이 측정된) 전극접촉영역의 표면적 1000㎟ 당 0.1 내지 20㎟ 범위인 연료전지 가스 분리기.
  38. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리기 본체는 판 형상인 연료전지 가스 분리기.
  39. 제 1 항에 있어서,
    가스유동통로를 정의하는 표면 형성물들이 전극접촉영역에서 각각의 양극대향면과 음극대향면상에 제공되고, 전기도전적이며 상기 전기도전재료의 경로에 중첩되는 연료전지 가스 분리기.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 양극면상의 표면 형성물은 고체 산화물 연료전지 양극재료로 형성되고 상기 음극면상의 표면 형성물은 고체 산화물 연료전지 음극재료로 형성되며, 상기 표면 형성물은 전극접촉영역에서 분리기 본체에 또는 임의의 코팅에 접합되는 연료전지 가스 분리기.
  41. 제 39 항에 있어서,
    각각의 전기도전코팅이 상기 양극대향면과 음극대향면 상의 표면 형성물 위에 제공되는 연료전지 가스 분리기.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 음극대향면 상의 표면 형성물 코팅이 금속 은으로 되는 연료전지 가스 분리기.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 양극대향면 상의 표면 형성물 코팅이 니켈로 되는 연료전지 가스 분리기.
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